Тепловые процессы

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Московский государственный университет путей cобщения

(МИИТ)

---------------------------------------------------------------------------------

Кафедра “Энергоснабжение электрических железных дорог”

 

 

Д.В. Смирнов

 

 

Тепловые процессы

В устройствах электроснабжения

 

 

Учебное пособие

для студентов специальности

"Электроснабжение железных дорог"

 

 

Москва – 2012

 

 

УДК 621.331:621.311

C 50

 

Смирнов Д.В. Тепловые процессы в устройствах электроснабжения: Учебное пособие для студентов специальности "Электроснабжение железных дорог". -М: МИИТ, 2012. - 85 с.

 

В учебном пособии изложена теория нагрева однородного тела и рассмотрена электрическая аналогия тепловых процессов. Разобраны вопросы выделения и отведения тепла в трансформаторах и способы выбора их мощности. Рассмотрены тепловые процессы в силовых полупроводниковых приборах, контактных проводах и электродвигателях. Рассмотрены принципы работы тепловизоров и перспективы их применения в системах электроснабжения

 

Предназначено для студентов и инженеров специальности "Электроснабжение железных дорог"

 

 

Рецензенты: к.т.н., доцент Ротанов В.Н. (МИИТ)

к.т.н. Вязовой М.В., ведущий научный

сотрудник ОАО «ВНИИЖТ»

 

© Московский государственный университет путей

сообщения (МИИТ), 2012.

Св. план 2012 г., поз.

 

С О Д Е Р Ж А Н И Е

    2. НАГРЕВ ОДНОРОДНОГО ТЕЛА . . . . . . . . . . . . . . . 10

В В Е Д Е Н И Е

  Дисциплина "Тепловые процессы в устройствах электроснабжения"…  

НАГРЕВ ОДНОРОДНОГО ТЕЛА

Зависимость температуры тела от времени

При неизменной мощности нагрева

 

Однородное тело - простейший случай задачи. Это – такое тело, температура которого изменяется одинаково во всех его точках.

В качестве такого тела можно рассмотреть ведро или большую банку с водой. Если в эту банку опустить кипятильник и включить его в сеть, то в каждую секунду однородное тело - вода – будет получать РДжоулей тепловой энергии, которая будет нагревать воду (рис.2.1). Во времени этот процесс будет выглядеть так.

Р t = C J,(2-1)

где J- температура тела, а C = с_o m - теплоемкость тела

массой m.

Зависимость температуры воды от времени можно представить графически. Каков будет вид этого графика?

 

 

Рис. 2.1. Рис 2.2.

Пример однородного тела Процесс нагрева без

Теплоотдачи

Такой, как на рисунке 2.2? Достигнет ли вода точки кипения в условиях нашей задачи? Если бы наша банка с водой была идеально изолирована от всего остального… (2-1) описывало бы нагрев воды правильно до того момента времени, пока вода не перешла бы в другое агрегатное…

Рис. 2.3.

Зависимость температуры тела от времени нагрева

  Вопрос – Может температура и не должна зависеть от значения нагревающей мощности?

При переменной мощности нагрева

Нагрузка любого электрического аппарата не может быть неизменной во времени. В наших же устройствах – проводах, выпрямителях, трансформаторах,… В этом случае задача может быть сведена к случаю § 2.1, если переменную нагрузку допустимо представить в виде ступенчатой, когда на каждом отрезке времени нагрузка…

Рис. 2.4.

Графики изменения нагрузки и перегревов проводника

Электрическая аналогия тепловых процессов

И понятие о тепловых сопротивлениях

  Однородное тело, которое мы рассматривали в § 2.1,имеет два тепловых свойства… полученной энергии в охлаждающую среду. Нет ли сочетания аналогичных свойств у электрических аппаратов, частей…

S l

Очевидна аналогия с электрическим сопротивлением

l

R = ---------.(2-27)

S γ

Отсюда видно, что коэффициент теплопроводности l

аналогичен удельной электрической проводимости γ. Его

величина для материалов, широко применяющихся в

электроаппаратах, составляет в Вт/(м градус)

 

- обмоточная отожженная медь . . . . . . . . . . . . .. . . . . . .350

- проводниковый алюминий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250

- электротехническая холоднокатаная сталь

с лаковой изоляцией вдоль направления проката . . . . 21

- то же, поперек направления проката . . . . . . . . . . . . . . 1,2

- конструкционная сталь . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

- вода при отсутствии циркуляции . . . . . . . . . . . . . . . . 0,56

- трансформаторное масло при

отсутствии циркуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,15

- резина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,22

- электрокартон, пропитанный маслом . . . . . . . . . . . . 0,25

- воздух при температуре 20^оС, нормальном

давлении и отсутствии циркуляции. . . . . . . . . . . . . .0,022

 

Таким образом, воздух при отсутствии циркуляции является самым плохим проводником тепла и, наоборот,

 

 

одним из самых хороших теплоизоляционных материалов. Следующий плохой проводник – нециркулирующее трансформаторное масло. При наличии циркуляции – движении масс воздуха или масла – соответствующие значения lувеличиваются в несколько раз.

Хорошие проводники тока являются и хорошими проводниками тепла, а электроизоляторы являются

теплоизоляторами, поэтому, например, обмотка, выполненная из меди или алюминия, и заключенная в изоляцию, будет иметь плохой теплоотвод.

 

Если заданы температуры, то по выражению (2-23) можно рассчитать тепловой поток только при J₁ = Сonst,

и при J₂ = J_у, то есть при отсутствии накопления энергии за счет теплоемкости. В общем случае уравнению (2-6) соответствует схема замещения с теплоемкостью C и

сопротивлением R_т.

Задачи теплового расчета электроаппаратов отличаются ещё и тем, что задают процесс не температуры, как в выражении (2-23), а, наоборот, выделения тепла. Температуры же являются искомыми величинами. Таким образом, тепловой поток Qнеобходимо представлять в схеме замещения источником тока DP, а перегрев тела над охлаждающей средой - в виде неизвестной величины.

Всему сказанному соответствует схема замещения, представленная на рисунке 2.5.

В случае системы двух однородных тел, например, масла и обмотки трансформатора, его схема замещения будет представлять каскад из двух четырехполюсников С - R_т.

 

 

Рис. 2.5.

Электрическая аналогия нагрева однородного тела

  Вопрос – Как рассчитать температуру обмотки – может быть, по этому методу? Тогда где

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

В МАСЛЯНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ

И СТАРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК

Влияние температуры на состояние изоляции

Но помещенные в это масло обмотки трансформаторов должны иметь не только изоляцию от заземленных частей (гетинакс, фарфор, деревянные брусья в… Опыт показывает, что лимитирует срок службы трансформатора не масло, которое… Под воздействием температуры, кислорода воздуха, влаги и других факторов физико-химические свойства бумажной изоляции…

Рис. 3.1.

Механическая прочность

Межвитковой бумажной изоляции трансформатора

В зависимости от времени и от температуры обмоток

  Зависимость числа перегибов Nот температуры изоляции определяется законом… V º еaJ, (3-1)

K=1

 

 

Значение c_спокажет, во сколько раз уменьшится срок

службы трансформатора, если такой среднесуточный режим будет сохранен в течение всего времени работы трансформатора.

Определив c_с за сутки, можно перейти к среднему значению износа изоляции за год

 

c_год = 1/365 åc_{сi .} (3-8)

I =1

где c_сi– средний относительный износ изоляции в i-e

cутки года.

Зависимость относительного износа изоляции обмоток от температуры c = f(J)имеет экспоненциальный характер, следовательно, даже небольшое увеличение температуры сверх нормальной приведет к значительному сокращению срока службы трансформатора. В то же время небольшое увеличение номинальной мощности трансфор-матора, снижение сопротивления обмоток, потерь мощности, температуры наиболее нагретых точек обмоток

вызовет существенное снижение износа изоляции и увеличение срока службы трансформатора.

Можно считать, что мощность трансформатора выбрана правильно, если его срок службы будет не меньше нормативного и по возможности наиболее близок к нему, так как завышенный срок службы планировать нецелесо-образно по причине морального износа.

Таким образом, задача выбора мощности трансформа-торов сводится к определению режимов их работы в течение всего срока службы, что чрезвычайно сложно, так как при этом придётся прогнозировать режимы работы трансформатора на 25 лет вперёд.

 

 

Выделение тепла в трансформаторах

И системы охлаждения

Температура, при которой работает изоляция обмоток, является определяющим фактором старения этой изоляции. Она зависит от многих причин и меняется в… В любом случае можно считать, что температура обмот-ки является результатом… При работе трансформатора часть перерабатываемой энергии теряется за счет выделения теплоты. Хотя к.п.д.…

Рис 3.2.

Отведение тепла от обмотки масляного трансформатора

маслом(от точки 0 к точке 1) – теплопроводность, тепловое сопротивление Rо. 2. Переход тепла с внешних поверхностей обмоток в омывающее их масло (в точке… 3. Перенос тепла маслом от активных частей к внут-ренним поверхностям стенок бака (от точки 1 к точке 2)…

Рис. 3.3.

Распределение температур масла и обмотки трансформатора

По его высоте

При естественной и принудительной циркуляции масла

Разница температуры масла вверху и внизу бака состав-ляет в данном случае менее 100С, в то время как при естественной циркуляции (системы…   Система охлаждения "ДЦ" - принудительная циркуляция масла с принудительным воздушным его

Расчет температуры обмотки и масла трансформатора

Первое, очевидное упрощение - это превратить тепловую цепь в последовательную. Это решается заменой обмотки и магнитопровода одним тепловым телом.…    

I S

K = ---- = ----,(3-10)

I_ном S_ном

где IилиS – значение нагрузки трансформатора в какой-

либо момент времени в Амперах или кВА;

I_номилиS_ном – соответствующие номинальные значения.

Для масла отношение J_упри какой-либо нагрузке к такому же номинальному значению J_номопределяется через отношение полных потерь мощности при этой нагру-зке к таким же потерям при номинальной нагрузке.

 

 

где X – коэффициент системы охлаждения. На основании

ГОСТ 14209-85 для систем «М» и «Д» X = 0,9.

Р_м иР_ст – потери в меди и в стали трансформатора.

Потери Р_м равны потерям короткого замыкания Р_кз и связаны с такими же потерями при номинальной нагрузке

Р_кз = Р_кзном K² . (3-12)

ПотериР_ст равны потерям холостого хода Р_хх. От нагрузки эти потери почти не зависят, и могут быть при-няты одинаковыми во всех случаях. Если ввести коэффи-циент, выражающий отношение потерь короткого замыка-ния к потерям холостого хода при номинальной нагрузке

d = Р_кзном/Р_ххном,(3-13)

то выражение (3-11) можно представить в виде

 

Для обмотки значение установившегося перегрева t_уопределяется по ГОСТ 14209-85

 

t_у = t_ном(Р_кз/Р_кзном)^Z = t_ном(I²/I²_ном)^Z =

= t_ном K^2Z = t_ном K^Y. (3-15)

На основании ГОСТ 14209-85 для систем охлаждения «М» и «Д» Y = 1.6, а номинальные значения перегревов составляют:J_ном = 55⁰С,а t_ном = 23⁰С,что при расчетной температуре охлаждающей среды J_ос =20⁰С дает номинальное значение ННТО J_оном =98⁰С.

Тогда составляющие уравнения (3-9) определятся по следующим выражениям. Перегрев масла над охлаждаю-

щей средой

J = J_н + (J_у - J_н)[1 - Exp(-t/Т_м)](3-16)

 

 

где Т_м - постоянная времени масла. Т_м = 150...210 минут.

Перегрев обмотки над маслом

t = t_н + (t_у - t_н)[1 - Exp(-t/Т_о)](3-18)

 

t_у = 23 K^1.6 , (3-19)

где Т_о- постоянная времени обмотки. Т_о = 6...10 минут, т.е. обмотка в тепловом отношении гораздо менее инерционна, чем масло.

Выбор мощности силового масляного трансформатора

    S    

T

Рис. 3.4.

Вариант суточного графика нагрузки

На магистральных железных дорогах в результате оперативного планирования график движения и, вслед за

ним, нагрузки подстанций и трансформаторов претерпе-вают непрерывные случайные изменения, не допускающие даже самых ориентировочных прогнозов. И вот в таких условиях необходимо выбрать трансформатор так, чтобы он прослужил 25 лет. Этому соответствует средняя ско-рость относительного износа изоляции обмоток c=1, если нет аварийных режимов.

А так как надеяться на это нельзя, то в специальной литературе нормальным считается этот износ c=0,9.

Зависимость относительного износа изоляции обмоток трансформатора от его нагрузки носит резко неравномер-ный характер, и для интервала К = 0,5÷1,5 в первом приближении определяется седьмой степенью относительной нагрузки [л3]

c º К⁷ (3-23)

Это означает пренебрежимо малые значения cпри

нагрузках меньше номинальных и очень большие значения износа при превышениях этих значений. Износ изоляции происходит почти исключительно в периоды перегрузок.

Наиболее распространенный случай перегрузок транс-форматоров тяговых подстанций - ликвидация последст-вий перерывов движения поездов, то есть пропуск по участку железной дороги поездов с минимальным меж-поездным интервалом Q_мин. Такие периоды называются "сгущениями". Прямой подсчет скорости износа от числа поездов возможен только при очень грубых допущениях. В практике проектирования систем электроснабжения такой метод определения необходимой трансформаторной мощности применения не нашел. В настоящее время в проектировании широко применяются эмпирические формулы, предложенные ВНИИЖТом.

 

 

Мощности трансформаторов рассчитывались как линей-ные функции двух переменных – среднесуточного расхода

энергии на тягу поездов в сутки интенсивного месяца и мощности интенсивного часа. Зная теорию нагрева одно-родного тела, можно сразу же отметить, что первая их этих переменных характеризует J_н, от которой пойдет кривая роста температуры трансформатора в интенсивный час.

Эти формулы не учитывают длительности интенсив-ного периода t_и, однако в силу большого опыта, обоб-щенного в них, не дают ошибок при проектировании, что подтверждается всей практикой электрификации наших железных дорог. ГОСТ 14209-85 [л1] устанавливает другой метод определения мощности трансформаторов, назван-ный в учебнике [л3], упрощенным.

Суть этого метода заключается в сравнении с допустимым значением расчетного коэффициента нагрузки K₂

K₂ < K_доп.(3-25)

 

Расчетный коэффициент нагрузки K₂определяется отношением тока трансформатора в режиме максимальных нагрузок к соответствующему номинальному значению

 

K₂ = I_эмах/I_ном ,(3-26)

 

а коэффициент нагрузки K₁ – отношением к номиналь-нальному значению этого тока в режиме средних нагрузок

 

K₁ = I_эс/I_ном.(3-27)

 

Режим максимальных нагрузок трансформатора – это режим следования поездов друг за другом с одинаковыми

минимально допустимыми интервалами. Режим средних нагрузок – это режим нормальной работы участка железной дороги, когда все Nпар поездов, которые

 

 

должны пройти по нему за сутки, проходят со случайными межпоездными интервалами. Токи I_эмах и I_эсв выражениях (3-26) и (3-27) берутся среднеквадратичными или эффективными, поскольку речь идет о процессах выделения тепла и нагрева проводников.

 

Вопрос – Чем определяется допустимая перегрузка?

Функцией чего является K_доп?

Ответ – Допустимая перегрузка определяется темпера-

турой ННТО в конце интенсивного периода J_о2.

Она не должна превысить величину 140⁰С.

Еще Вопрос – А от чего зависит J_о2.?

Ответ – Температура J_о2 согласно выражений (3-9) и

(3-16...3-19) зависит от температуры J_ос, коэф-

фициентов нагрузки K₁ и K₂, длительности

периода t_и и системы охлаждения трансфор-

матора (показатели степени X иY).

Итак, допустимая перегрузка масляного трансформато-ра в интенсивный период возможна только по причине его недогрузки в среднем режиме. Конкретная величина K_допопределяется в зависимости от коэффициента K₁с учетом трех других факторов - J_ос, t_и и системы охлаждения.

Зависимости K_доп = f(K₁), называемые кривыми нагру-

зочной способности, приведены в ГОСТе в виде таблиц. Каждая из этих кривых соответствует одному из способов охлаждения, одному их значений эквивалентной темпера-туры охлаждающей среды J_ос и одной из величинt_и. Они

получены с учетом износа изоляции трансформатора.

Для определения коэффициентов нагрузки трансформа-тора K₁ и K₂ его реальный график нагрузки необходимо преобразовать в эквивалентный двухступенчатый. ГОСТ

 

 

14209-85 приводит программу такого преобразования. Ее

суть в замене изменяющегося тока нагрузки неизменным током, эквивалентным данному току по нагреву. Расчет производится по следующим выражениям

 

t₁

I²_эср = 1/t₁ å0,5Dt_i(I²_i-1 + I²_i),(3-28)

T=0

t₂

I²_эмах = 1/(t₂-t₁) å0,5Dt_i(I²_i-1 + I²_i).(3-29)

t=t₁

 

Эти графики, а также пример графика нагрузочной способности показаны на рисунках 3.5 и 3.6.

 

Рис. 3.5. Рис. 3.6.

Действительный и эквива- График нагрузочной

Лентный графики нагрузки способности

Трансформатора

  Вопрос - Нельзя ли на рис. 3.5. сразу показать и Iном? Где провести эту горизонталь?

Расчет температуры масла и обмотки

В конце периода интенсивной нагрузки

И расчет износа изоляции обмоток

Эти значения находятся в пределах 15-170С для городов Владимира, Иванова, Иркутска, Кемерово, Калуги, Красноярска, Калининграда и Санкт-Петербурга.… В летнее время в любом из этих регионов воздух около трансформаторов, даже без… Обозначим такую температуру Jмах.

Рис. 3.7 1440 t

График нагрузки расчетных суток

J, t, Jо Jдоп = 1400С

T

Рис. 3.8

Зависимости перегревов и температуры обмотки

От времени в периоды расчетных суток

  Длительность первого участка определится как разность t1 = 1440 - tи - t3 (3-36)

I=1

 

 

ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ СИЛОВЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Полупроводниковый прибор, как система

Генерирования и стока тепловой энергии

Штыревой вентиль (рис. 4.1) состоит из p-n структуры с переходом 1, анодной 2 и катодной 3 частей, которые вместе с системой промежуточных прокладок… Прокладки между катодной частью 3и медью корпуса 5, а также между анодной… Таблеточный вентиль (рис. 4.2) также состоит из p-n структуры с переходом 1, анодной 2 и катодной 3 частей. Катодная и…

Рис. 4.1

Схематическое изображение СПП

Штыревой конструкции

специальными прижимными устройствами к охладителям 6и 7. Медные основания корпуса соединены с ребристым изолятором 8и образуют герметизированную… Современные мощные полупроводниковые диоды являются своеобразными генераторами…  

Схематическое изображение таблеточного СПП

 

Если известны параметры вольт-амперной характерис-

тики (ВАХ) диода, а именно – пороговое напряжение U_о и дифференциальное сопротивлениеR_д, то при заданной нагрузке i(t)может быть найдена зависимость

u(t) = U_о + R_д i(t), (4-1)

откуда прямые потери мощности

DP_пр = U_оI_ср + R_дI²_эф, (4-2)

где I_ср – среднее за период значение преобразованного

вентилем тока;

I_эф- эффективное значение прямого тока вентиля.

 

Введя понятие коэффициента формы тока k_ф=I_эф/I_ср, получим

DP_пр = U_оI_ср + I²_срk²_фR_д, (4-3)

 

 

Пороговое напряжение U_о и сопротивление вентиля R_д определяется по ВАХ диода (рис. 4.3) путем её спрямле-ния через две точки, первая – со значением тока 0,5 I_ном, а вторая - 1,5 I_ном [л6]. Угол наклона dполученной прямой к оси Uопределит дифференциальное сопротивление вентиля R_д, а точка пересечения с этой осью – величину порогового напряжения U_о.

 

Рис. 4.3

Определение порогового напряжения и

Дифференциального сопротивления вентиля

Выделившиеся в p-n переходе потери в установив-шемся тепловом режиме отводятся в охлаждающую среду через теплоотводы. В штыревых вентилях со стороны…    

Рис. 4.4

Электрическая аналогия системы охлаждения

Силового полупроводникового прибора

 

Тепловое сопротивление R_охл во много раз меньше теплового сопротивления R_ест, поэтому для практических расчетов схема рисунка 4.4 может быть заменена схемой на рис. 4.5. При этом необходимо помнить, что в случае исключения из схемы теплового сопротивления R_охл (то есть демонтажа охладителя) результирующее тепловое сопротивление системы охлаждения СПП резко увеличится, а, следовательно, схема рисунка 4.5 может применяться только как расчетная.

 

 

R_в R_охл

Рис. 4.5

Электрическая аналогия системы охлаждения

Силового полупроводникового прибора

 

Схеме рисунка 4.5 соответствует выражение для расчета теплового сопротивления системы «вентиль – охладитель»

 

R_спп = R_в + R_охл (4-4)

 

Режимы нагрузки и тепловые режимы

Силовых полупроводниковых приборов

Поэтому проблема отвода тепла от СПП с целью обеспечения нормального теплового режима стала из второстепенной и вспомогательной одной из главных при…   Большинство отказов СПП связано с тепловым режи-

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ

Общие положения

Конструкция электродвигателя содержит элементы, работоспособность которых зависит от температурного режима. Наиболее чувствительна к температуре… Обмотки статоров асинхронных электродвигателей имеют изоляцию из миканита и… Основное тепло выделяется в обмотках статора и ротора. Мощность этих выделений пропорциональна квад-рату тока,…

Рис. 5.1.

Распределение температур по продольной оси

Электродвигателя и по поперечному сечению

 

 

На основании правила Монтзингера

Т = Т_ном 2^-t/D, (5-2)

где t = J-J_ном – превышение температуры изоляции ЭД

сверх номинальной;

D = 8 -10⁰С – параметр, задающий правило, например,

восьмиградусное или десятиградусное правило.

Это правило гласит, что при повышении рабочей темпе-ратуры на D⁰С срок службы изоляции снижается вдвое.

 

 

На базе зависимости Т=f(J) может быть рассчитана скорость старения изоляции x как величина, обратно пропорциональная сроку службы.

x = 1/Т.(5-3)

 

 

Тепловые модели электродвигателей

Тогда, если разность температур между корпусом и воз-духом - t2, а А= А2, то в каждую секунду с поверхности машины отводится Jк - Jв t2 Q = P = ---------- = ------ = t2 А2,(5-4)

Рис. 5.2.

Модель представления электродвигателя

Двумя тепловыми телами

t1 t1                  

Рис. 5.3.

Диаграммы распределения перегревов относительно

Температуры охлаждающей среды (воздуха)

от внутренних частей ЭД осуществляется только за счет конвекции, эффективность которой зависит от скорости охлаждающего воздуха V. Охлаждающая среда обтекает, в

 

 

общем случае, не только поверхность ЭД, но и способствует отводу тепла от внутренних элементов. Возможность этого обеспечена в модели наличием канала в массе меди и значением коэффициента теплоотдачи от обмоток А₁ ≠ 0.

Следует иметь в виду, что коэффициенты теплоотдачи А₁ и А₂ являются функциями скорости обдувающего потока V.Вентилятор приводится, как правило, от ротора самой машины.

Рассмотрим несколько статических состояний этой модели при различных соотношениях А₁, А₁₂, А₂. Для простоты примемР_м=ConstиР_ст=Const. Уравнения дол-жны отражать тепловой баланс между подводимой к телу тепловой мощностью и мощностью, отводимой из него.

DР_м= А₁₂(t₁- t₂) + А₂t_2,(5-8)

Здесь левая часть – мощность тепловыделений в меди, первое слагаемое правой части – мощность теплового потока из меди в сталь, а второе слагаемое – мощность теплового потока к охлаждающей среде.

DР_ст + А₁₂(t₁- t₂)= А₂t₂.(5-9)

Первый член левой части выражения (5-9) – мощность

тепловыделений в стали, второе слагаемое левой части – приток тепла от обмоток (тепловой поток от меди к стали), а правая часть – отвод тепла от статора в охлаждающую

среду. Это выражение можно переписать

DР_ст= А₂t₂ - А₁₂(t₁- t₂).(5-10)

В выражениях (5-8) и (5-10) температура охлаждающей среды неизменна. Кроме того, параметры C₁ иC₂ в них не входят, так как режимы статические (установившиеся).

Полная форма этой модели и полученная на ее основе система уравнений представлены в [л7]. Даже при выше-

описанных допущениях они очень сложны. Имеет смысл

 

 

рассмотреть некоторые частные случаи.

Первым их них является случай, когда вентиляция внутреннего пространства электродвигателя, как и естественный ток воздуха, по тем или иным причинам отсутствует.

 

 

5.2.1. Теплоотвод реализуется только через внешнюю поверхность электродвигателя (А₁= 0)

Перегрев меди над воздухом

t₁ = DР_м/А₁₂ + DР_S/А₂,(5-11)

гдеDР_S - суммарное тепло, передающееся охлаждающей

среде через сталь (корпус) электродвигателя.

Перегрев корпуса над охлаждающей средой t₂

t₂ = DР_S/А₂.(5-12)

Смысл уравнений (5-11) (5-12) легче уяснить, перейдя от коэффициентов теплоотдачи (в § 2.3 было показано, что эти коэффициенты являются тепловыми проводимостями) к тепловым сопротивлениям.

R_т = 1/A = (J₂ - J₁ ) / Р.(5-13)

Тогда ситуацию данного частного случая можно изобразить с помощью электрической аналогии (рис. 5.4).

Здесь R₁₂ = R_м-ст = 1/А₁₂ - тепловое сопротивление между обмоткой и сталью корпуса; R₂ = R_ст-в = 1/А₂ – тепловое сопротивление между корпусом и охлаждающим

воздухом. Перегрев меди над воздухом t₁ отличается от перегрева t₂ на величину R₁₂ DР_м. Сама величина перегрева t₂ определяется произведением теплового сопротивления R₂ на величину суммарного теплового потока, проходящего через корпус к охлаждающему воздуху.

 

 

J_м J_ст t

R₁₂ R₂ t₁

DР_м DР_ст t₂

 

J_в J_в r

Рис. 5.4

Электрическая аналогия тепловой модели ЭД при отсутствии вентиляции внутреннего пространства

И диаграмма перегревов обмотки и корпуса

  Следующим частным случаем является случай, когда вентиляция внутреннего…  

Рис. 5.5.

Электрическая аналогия тепловой модели ЭД при наличии только вентиляции внутреннего пространства

И диаграмма перегревов обмотки и корпуса

 

Здесь медь принимает тепло от стали и передает его в охлаждающий воздух. Величина перегрева меди над воздухом t₁ определяется произведением суммарных

выделений тепла на тепловое сопротивление R₁, а перегрев t₂ отличается от перегрева t₁ температурным напряжением t₂-t₁ = DР_ст R₁₂.

Рассмотренные два частных случая позволяют сделать вывод о существенном отличии электродвигателей от трансформаторов в части тепловых процессов. Если в трансформаторе температура обмотки не может быть меньше температуры масла, то в ЭД в зависимости от способа охлаждения более высокой может быть как температура обмотки, так и температура корпуса.

Поэтому оценивать температуру обмоток по температуре поверхности не следует, не следует делать и обратного.

 

ТЕПЛОВИДЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРОВ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

Введение

В условиях стареющего парка электрооборудования особое внимание приобретает вопрос качественной диагностики его состояния, для чего необходимо использовать современные методы и средства диагностирования.

Традиционные методы электрических и физико-химических испытаний не позволяют обнаружить дефект на ранней стадии и требуют отключения оборудования, больших материальных и трудовых затрат. Поэтому в последнее десятилетие стали широко применяться бесконтактные методы диагностирования, не требующие отключения оборудования и отвечающие всем современным требованиям диагностики. В наших условиях бесконтактные методы измерения температуры высоковольтных токоведущих частей являются единственно возможными, так как контактному измерению температуры должно предшествовать выполнение организационных и технических мер безопасности. За это время нагретые токоведущие части непременно остынут. Большие трудности возникают и при измерении температуры частей и деталей, находящихся на высоте. Все эти задачи легко решаются с помощью тепловидения.

Тепловидение – один из разделов оптики, изучающий основы и способы наблюдения слабонагретых тел, а также распределение малых перепадов температур на их

 

 

поверхностях. Тепловидение позволяет получить представ- ление о картине окружающего мира в инфракрасной (невидимой глазу) области электромагнитного спектра.

Тепловизионная диагностика – это метод оперативной дистанционной оценки ТС объектов по их температурному полю. Находящиеся под нагрузкой токоведущие части обладают повышенной по сравнению с окружающей средой температурой, которая служит индикатором их ТС (контролируемым параметром).

Такие повреждения как плохой контакт, изменение сечения провода приводят к локальному повышению его температуры, что регистрируется тепловизором. Аппаратурная точность измерения стандартным тепловизором равна 0,1 ⁰С. Реальная точность с учетом коэффициента излучения, солнечной засветки и других шумовых факторов обычно составляет 1-2⁰С, что достаточно для практики.

Тепловизионный осмотр абсолютно безвреден для оператора и проводится без снятия напряжения на расстоянии до 100 метров. Он может применяться для проверки теплового состояния узлов силовых трансформаторов, а также исправности разрядников, измерительных трансформаторов, выключателей, контактных соединений шин и проводов, линейных и опорных изоляторов.

Регулярное внедрение тепловидения в электро-энергетике началось с 1980-х годов.

 

 

История инфракрасной технологии

    занимался поиском материала оптического фильтра для наблюдения за Солнцем. Очень скоро он заметил, что разные образцы…

Теория термографии

температуры линии и полосы становятся нерезкими. У твердых тел вследствие взаимодействия между молекулами спектры ИКИ… Согласно теории Бора излучение энергии связано с переходами атомов с более высоких уровней на более низкие. Эти…

0,4 0,45 0,48 0,5 0,56

Желт. Оранж. Кр. Бл. Ср. Дальн. ОД СВЧ Радио

L

ИКИ

Рис. 6.1.

Длины электромагнитных волн (в микрометрах)

Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излучений - абсолютно черное тело (АЧТ), серые тела и селективные излучатели. АЧТ -… У большинства твердых тел, особенно у полупровод-ников, диэлектриков и окислов… Строго говоря, серых тел тоже не существует, но в большинстве случаев многие тела можно считать серыми, что позволяет…

Применение тепловизоров

В системе электроснабжения

    Изучение также исходит от окружающей среды и отражается объектом. Кроме того, на излучение объекта и на отраженное…

ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ

В КОНТАКТНЫХ ПРОВОДАХ

Общие положения

Контролировать температуру следует на головном участке, как наиболее нагреваемом. Контроль температуры нагрева проводов бывает как прямым, так и… Все эти проблемы хорошо решаются с помощью  

Защита контактных проводов

От токовых перегрузок

  Математической основой для такой модели служит уравнение теплового баланса…  

3 4 5

 

 

Рис. 7.1.

Структурная схема устройства защиты

1- фидер контактной сети, 2 -выключатель фидера,

3- датчик тока фидера, 4- датчик скорости ветра,

5 - датчик температуры окружающей среды,

6- вычислительный комплекс, 7- выходной орган защиты.

 

Л И Т Е Р А Т У Р А П О К У Р С У

  1. ГОСТ 14209-85. Трансформаторы силовые масляные общего назначения. Допустимые нагрузки. 30 с.