Теплоотвод с поверхности токопроводов. Весьма важной характеристикой среды, применяемой в электротехническом оборудовании, является ее способность передавать тепло из области, где оно выделяется, в окружающую среду. В некоторых случаях теплоотводящая способность является решающим фактором при выборе той или иной изоляционной среды. Количество тепла, необходимого для нагревания единицы объема газа, зависит от произведения удельной теплоемкости газа на его плотность. Элегаз имеет несколько более низкую удельную теплоемкость, однако благодаря более высокой плотности его теплопередающая способность в несколько раз больше, чем у воздуха.
Во многих конструкциях электрических аппаратов токопровод размещается по оси вертикально расположенного изолятора, например в дугогасительной камере выключателя или во вводе. В первой из упомянутых конструкций большое количество тепла, выделяющегося в токоведущем элементе, отводится в окружающее пространство через фланцы, поверхность которых с этой целью делается развитой. Меньшее, но довольно значительное количество тепла отводится в радиальном направлении. Во втором случае теплоотвод от средней части токоведущего стержня или трубы происходит, в основном, в радиальном направлении.
Радиальный тепловой поток зависит от эквивалентной удельной теплопроводности газовой прослойки с учетом влияния конвекции. Последняя учитывается коэффициентом, на который умножается удельная теплопроводность газа при отсутствии конвекции. При прочих равных условиях отвод тепла конвекцией будет тем больше, чем выше произведение теплоемкости газа на его плотность.
На рис. 30 приведены кривые превышения температуры нагрева вертикально расположенного токоведущего стержня трубчатой формы с наружным диаметром 40 мм, сечением 295 мм2 и внутренней поверхностью фарфорового изолятора диаметром 160 мм, в котором соосно с ним находился токопровод [56]. Кривые 1 и 6 получены при заполнении внутренней полости изолятора воздухом при атмосферном давлении, и полость сообщалась с окружающей средой. Кривые 2 и 5 получены при заполнении изолятора элегазом при начальном давлении риз= 1 кГ/см2, а кривые 3 и 4 — при начальном давлении риз = 2 кГ/см2. Из рисунка видно, что одно и то же превышение температуры трубы, равное 45° С, получается в воздухе при токе 720 а, в элегазе при Риз=1 кГ/см2 и Риз= 2 кГ/см2 соответственно при токах 850 и 930 а.
Таким образом, замена воздуха при нормальном атмосферном давлении элегазом позволяет увеличить токовую нагрузку на 18% при давлении элегаза риз=1 кГ/см2 и на 29% при риз= 2 кГ/см2.
Рис. 30. Значение превышения температуры нагрева токоведущего стержня при заполнении изолятора воздухом и элегазом 
Если же учесть, что токопроводы и контакты, помещенные в элегаз, не окисляются, то допустимая температура нагрева для них может быть повышена. Приняв допустимое превышение температуры 55° С, т. е. увеличенным всего лишь на 10° С, получим допустимые значения токов в элегазе: 960 а при Риз=1 кГ/см2 и 1050 а при Риз= 2 кГ/см2.
Таким образом токовая нагрузка в элегазе может быть повышена соответственно на 34 и 46% или при одном и том же значении тока сечение токопровода может быть соответственно снижено. Коэффициент снижения, равный отношению сопротивлений для Раб= 1 кГ/см2 равен 1,7, а для Раб=2 кГ/см2 — 2,05. Таким образом затраты меди сокращаются соответственно на 40 и 50%.
В более общем случае эквивалентную удельную теплопроводность (с учетом влияния конвекции) прослойки элегаза можно представить в виде:
где кэ — коэффициент, учитывающий увеличение теплопроводности элегаза при некотором избыточном давлении по сравнению с воздухом при атмосферном давлении; λΒ. экв — эквивалентная удельная теплопроводность прослойки воздуха с учетом конвекции, равная λΒεκ. В последнем выражении λΒ —коэффициент теплопроводности воздуха; εκ — коэффициент, учитывающий влияние конвекции, определяемый по уравнению 
где А — коэффициент, значения которого даны в [35]; δ — толщина слоя воздуха, м; Δθ — предполагаемый перепад температуры в слое газа.
Экспериментально определенные значения коэффициента ka для давлений элегаза риз=1 и 2 кГ/см2 приведены на рис. 31, из которого видно, что эквивалентная теплопроводность элегаза существенно увеличивается с ростом температуры и давления.
Рис. 31. Зависимость коэффициента k, от средней температуры элегаза
Рис. 32. Зависимость коэффициента конвекции εκ от толщины слоя газа δ
Герметизированные распределительные устройства и малоемкостные газонаполненные кабели содержат конструктивный элемент, представляющий собой две коаксиально расположенные трубы.
Токоведущий элемент, находящийся под высоким потенциалом, расположен соосно в цилиндрической заземленной оболочке, выполненной из металла. Промежуток между токопроводом и оболочкой заполняется воздухом или элегазом.
При вертикальном расположении токопровода радиальный тепловой поток от него распространяется равномерно во всех направлениях. При горизонтальном расположении токопровода симметрия теплового потока нарушается. Здесь приходится иметь в виду среднее значение теплового сопротивления, которое в случае коаксиальных цилиндров можно определить по формуле
где λэкв= λεκ; D — диаметр оболочки; d — диаметр токопровода.
Значения коэффициента εκ, учитывающего влияние конвекции, в зависимости от толщины слоя воздуха и элегаза δ приведены на рис. 32 [57]. Этот рисунок показывает, что εκ линейно увеличивается с толщиной слоя газа и растет при возрастании давления. Кроме того, при прочих равных условиях в элегазе εκ существенно выше.
Рис. 33. Зависимость коэффициента теплоотдачи в элегазе и воздухе при принудительной конвекции от скорости потока 1 —трансформаторное масло; 2 — элегаз; 3 —воздух
Теплоотвод в трансформаторах. В трансформаторах на единицу активной поверхности приходится столь большое количество выделяющегося тепла, что при допустимых превышениях температуры нагрева оно не может быть отведено при естественной конвекции газа. Так как количество тепла, переносимого в единицу времени, зависит от массы газа, омывающего тепловыделяющую поверхность, то единственным способом увеличения теплоотвода, является форсирование скорости протекания газа V через нагретую область. При этом, как видно из рис. 33 [58], уже при сравнительно небольшой скорости протекания газа достигается такой же теплоотвод, что и при естественной циркуляции масла. При повышенных давлениях и интенсивном дутье теплоотвод в элегазе существенно превышает эту величину, но остается ниже, чем при принудительной циркуляции масла.
Следует отметить, что этот разрыв может быть существенно сокращен за счет более высокой температуры нагрева токоведущих элементов. Однако вопрос о допустимых температурах нагрева в элегазе пока остается открытым.
При принудительной циркуляции газа теплоотвод с единицы нагретой поверхности при разности температуры в один градус равен
где А и В — постоянные, зависящие от рода газа и геометрической конфигурации его потоков; р — давление газа; V—средняя скорость газового потока.
Уравнение показывает, что хорошая конструкция газового канала обеспечивает небольшой необходимый напор газового потока, что позволяет сократить размеры вентилятора и количество потребляемой им энергии. Теплоотводящие свойства газа при естественной конвекции между гладкими вертикальными пластинами и цилиндрами при данной разности температур между поверхностями описываются следующим уравнением:
где γ — плотность газа; λ — коэффициент теплопроводности; η — динамическая вязкость.
Теплоотводящие свойства газов при принудительной конвекции можно сравнивать по величине параметра М2с3р, где М — молекулярный вес газа.
Сравнение некоторых газов по их электрической прочности и теплоотводящей способности приведено в табл. 7. Таблица показывает, что элегаз является не лучшей охлаждающей средой. Наилучшим из рассматриваемых газов является соединение C3F8. Однако использование этого газа ограничивается высокой температурой кипения. C3F8 нельзя применять в трансформаторах для наружной установки в местностях со сравнительно низкими температурами окружающей среды. Кроме того, этот газ дорог по сравнению с элегазом [32, 59].
Таблица 7
Ранее, в § 3, было показано, что добавление к азоту или воздуху небольшого количества элегаза или другого высокопрочного газа позволяет получить газовую смесь с электрической прочностью, значительно более высокой, чем у чистого азота. Однако с точки зрения тепловых процессов такая смесь мало отличается от чистого азота. Это обстоятельство, по-видимому, ограничивает применение подобных смесей в трансформаторах.
При развитом турбулентном режиме движения элегаза в трубчатом радиаторе трансформатора коэффициент теплоотдачи, как показано в работе [60], можно определить по обобщенной формуле:
где Nu, Рr, Re — соответственно критерии Нуссельта, Прандтля и Рейнольдса; λ — коэффициент теплопроводности; d — гидравлический диаметр канала.
При радиальноосевой циркуляции газа коэффициент теплоотдачи пропорционален весовой скорости газа, т. е. произведению скорости газа v на его плотность у.
