В В Е Д Е Н И Е

 

 

Дисциплина "Тепловые процессы в устройствах электроснабжения" состоит из 14 лекций, 7 практических занятий и занятий по курсовой работе.

 

Актуальность этой дисциплины для инженеров-электромехаников объясняется следующим. Из каких соображений определены значения допустимых токов проводников? Вообще говоря, надо ли ограничивать ток, протекающий по проводнику? Очевидно - надо. Тогда по каким соображениям?

1. Электродинамика. Между проводниками с током возникает сила взаимодействия. При больших токах возможно нежелательное и даже опасное механическое перемещение проводников.

2. В электрических сетях нормируется потеря напряжения в линиях, которая зависит от величины тока.

3. Ток, протекая по участку электрической цепи, выде-ляет теплоту, пропорциональную сопротивлению данного участка, времени протекания и квадрату величины тока.

 

И это действие тока - самое главное. Выделяемая теплота пойдет на повышение температуры проводника и температуры его изоляции, которые могут превысить свои допустимые значения.

Все ограничения по току проводов, токам обмоток трансформаторов и вращающихся электрических машин, по току полупроводниковых приборов исходят из температуры, а она является функцией тока, точнее - потерь мощности.

DP = I² r (1-1)

 

 

Конечно, можно взять запас сечения, то есть уменьшить rв выражении (1-1). Это приведет к повышению затрат, поэтому материал нужно использовать полностью. Сечение проводника должно быть минимальным, но таким, чтобы провод, обмотка или p-n переход не выходили из строя.

Последствия этих выходов из строя бывают очень серьёзны. Например, пережог контактного провода

приведет к его обрыву, а это - не только перерыв в движении поездов, но и большие затраты на восстановление контактной сети.

Превышение температуры обмоток трансформатора сверх допустимых значений приведет к разрушению витковой изоляции обмоток, а ее замена - это капитальный ремонт, стоимость которого может доходить до 80% от стоимости нового трансформатора.

Не меньший ущерб получается и при нарушении температурных режимов электродвигателей и, особенно, полупроводниковых приборов, число которых в устройствах системы электроснабжения электрических железных дорог (СЭ)огромно.

Но с другой стороны, нельзя забывать и том, что темпе-ратура проводника или аппарата зависит не только от выделения тепла, но и от способов отведения этого тепла от проводника. Любой электродвигатель будет допускать без выхода из строя одну нагрузку с естественным его охлаждением и значительно бо′льшую при оснащении этого двигателя простейшим вентилятором, который будет улучшать отведение выделяющегося тепла.

Из 4-х больших категорий, на которые можно разделить все оборудование СЭ - трансформаторы, провода, вращаю-щиеся электрические машины и силовые полупроводни-ковые приборы - для инженеров-электромехаников, наибо-

 

 

лее важно знать тепловые процессы в трансформаторах. Причин тому две.

Во-первых, огромное количество самих трансформато-ров и огромная их суммарная установленная мощность. Электроэнергия от генераторов электростанций до потре-бителя претерпевает от одной до 8-ми трансформаций, причем в каждой такой ступени трансформации прихо-

дится устанавливать 1,5 - 2,5 кВА мощности на каждый

килоВатт мощности, передаваемой потребителю. Все это означает, что если нужно где-то ввести 1 МВт мощности потребителей, то в среднем по стране придется устанав-ливать около 11 МВА трансформаторной мощности [л4] (данные по СССР).

Во-вторых, масляный трансформатор сильно отличает-ся от других электрических аппаратов своей большой теп-ловой инерцией, что делает его приспособленным к резко переменным нагрузкам, каковой и является наша тяговая нагрузка. Масляный трансформатор конструктивно пред-ставляет собой довольно большой бак с находящимися внутри него магнитопроводом и обмотками. Все остальное пространство бака заполнено не атмосферным воздухом, как можно было бы предположить, а трансформаторным маслом - достаточно дорогостоящим продуктом перегонки нефти. Главное назначение этого масла – изоляция, а естественное вторичное - охлаждающая обмотки среда. Обмотки, нагреваясь от выделяющихся в них потерь, отда-дут тепло в масло, а, вынужденные греть масло, сами дол-го не перегреются. Чем больше в трансформаторе объем масла, тем бо′льшую перегрузку может он допустить.

Первая из этих причин вынуждает стремиться при проектировании к установке трансформаторов возможно меньшей номинальной мощности, а это заставляет макси-мально использовать нагрузочную способность транс-

форматоров. Вторая причина ставит выбор мощности трансформаторов в прямую зависимость от тепловых процессов, происходящих в нем.

Что такое нагрузочная способность трансформатора?

Это один из его основных параметров, представляющий собой совокупность допустимых нагрузок, систематичес-ких и аварийных перегрузок. В основе расчета нагрузоч-ной способности лежит тепловой износ изоляции транс-

форматора. Под воздействием температуры, кислорода воздуха, влаги и других факторов физико-химические свойства твердой изоляции претерпевают изменения. При этом изоляция становится хрупкой. Этот процесс называ-ется старением изоляции.

Таким образом, в случаях резко переменной нагрузки большой объем трансформаторного масла является благом. Ни выпрямители, ни провода, ни сухие трансформаторы таким свойством не обладают, их токоведущие части перегреваются относительно быстро, а, следовательно, проектировать их приходится на максимум приходящейся на них нагрузки. Трансформатор же можно и нужно проектировать с заведомой перегрузкой, то есть ставить трансформатор меньшей мощности, чем возможные пики нагрузки.

Выделение тепла в силовом масляном трансформаторе происходит, в-основном, в двух его частях – обмотках и магнитопроводе. В отведении тепла от трансформатора участвует большее количество его частей, причем главная роль принадлежит трансформаторному маслу.

Поскольку ограничивает нагрузку температура наиболее нагретой точки обмотки, изучение вопросов нагрузочной способности невозможно без изучения тепловых процессов в трансформаторах. Задача теплового расчета трансформаторов заключается:

 

 

1. В определении перепадов температур между обмот-

кой и магнитной системой с одной стороны и маслом

с другой.

 

2. В подборе конструкции и размеров системы охлажде-

ния, обеспечивающих нормальную теплоотдачу всех

потерь при температурах менее допустимых.

 

3. В поверочном расчете превышения температуры

обмотки, магнитной системы и масла над охлаждаю-

ющей средой.

 

Кроме трансформаторов в курсе будут рассмотрены и другие электрические аппараты системы электроснабже-ния, а именно – электрические двигатели и полупроводни-ковые приборы. Будут рассмотрены принципы действия тепловизоров и перспективы их применения в СЭ.

Курс "Тепловые процессы" базируется на знании

физики, например, закона теплопроводности Фурье, химии - закона Аррениуса, и даже электротехники, так как будет проведена аналогия между электрическими и тепловыми величинами.

Курс завершается зачетом, на который допускаются студенты, сдавшие курсовую работу.