Распределение температуры вдоль токоведущих систем электрических аппаратов неравномерно. Наибольшую температуру имеет площадка соприкосновения контактов. Кроме того, в коммутационных аппаратах высокого напряжения при их включении происходит электрический пробой между сближающимися контактами, и тепловой поток от дуги включения приводит к дополнительному нагреву контактов, что может привести к их свариванию. Для обеспечения длительной работоспособности аппаратов температура токоведущих элементов ограничивается. Выравнивание распределения температуры путем снижения ее в контактной зоне позволит повысить токовую нагрузку аппарата. Одним из способов такого выравнивания является применение высокоэффективных теплопередающих устройств ("тепловых труб").
В особо неблагоприятных условиях находятся контакты вакуумных дугогасительных устройств, поскольку в них теплопередача через объем камеры к ее стенкам тепловым излучением чрезвычайно низка, передача теплоты конвекцией отсутствует. В связи с этим вся выделяемая в контактах и токоведущих стержнях теплота должна быть отведена практически лишь посредством теплопроводности в аксиальном направлении к выводам камеры, подсоединяемым, как правило, к охлаждающим радиаторам.
Отводимая из зоны контактирования на охлаждающие радиаторы теплота интенсивно рассеивается в окружающую среду, что существенно облегчает условия работы токоведущих элементов электрических аппаратов. Поэтому при использовании теплопередающего устройства необходимо обеспечить передачу теплового потока из зоны контактирования непосредственно на стенки наружного охлаждающего радиатора и лишь после этого на выводы (токоведущие шины).
Рассмотрим возможность повышения токовой нагрузки аппарата с помощью тепловой трубы на примере вакуумной дугогасительной камеры (ВДК). При этом теплопередающее устройство может быть встроено внутрь токоведущего стержня (рис. 1). В этом случае стенки токоведущего стержня 1 будут служить стенками камеры тепловой трубы, внутренняя поверхность которой выложена капиллярно-пористым фитилем 2 (несколько слоев металлической сетки), насыщенным жидкой фазой теплоносителя, а внутренний объем 3 заполнен паровой фазой теплоносителя. Тепло, поступающее от контактной площадки в зоне испарения 7, вызывает испарение теплоносителя. Пар перемещается под действием разности давлений в зону конденсации 6, где, конденсируясь, отдает токоведущему стержню теплоту парообразования. Под действием капиллярного давления в фитиле сконденсировавшаяся жидкость возвращается в зону испарения. Процесс повторяется непрерывно, осуществляя перенос теплоты парообразования от контактной площадки к фланцам ВДК и далее к наружному охлаждающему радиатору и выводам камеры.
Рис. 1. Принципиальная схема теплопередающего устройства, встроенного внутрь токопровода
Тепловая мощность, переносимая в результате парообразования, на несколько порядков выше, чем мощность, переносимая благодаря энтальпии рабочей жидкости в обычной конвективной системе. Поэтому тепловая труба способна передавать большей количество теплоты при малом размере установки.
Основными механизмами переноса теплоты в теплопередающем устройстве являются:
перенос теплоты посредством теплопроводности по стенке корпуса и фитилю в зоне испарения с последующим испарением на поверхности раздела жидкость — пар в этой зоне;
конвективный перенос скрытой теплоты парообразования паром от испарителя к конденсатору;
перенос теплоты посредством теплопроводности по стенке корпуса и фитилю в зоне конденсации с последующей конденсацией на поверхности раздела жидкость — пар в этой зоне.
Температурный напор в теплопередающем устройстве равен сумме температурных напоров в испарителе, паровом канале и конденсаторе. Благодаря тонкой структуре фитиля и малому температурному напору, необходимому для движения пара, были разработаны тепловые трубы, имеющие тепловые характеристики на порядок лучше любых известных твердых тел. В тепло- передающем устройстве на расположение испарителя не накладывается никаких ограничений, поэтому тепловая труба может работать при любой ориентации в пространстве.
Следует отметить, что выбор размеров, материала трубы, капиллярного фитиля и теплоносителя сопряжен с необходимостью учета целого ряда факторов (совместимость применяемых материалов, эффективность теплопередачи и др.). Анализ различных режимов работы тепловых труб показывает, что для ВДК наиболее приемлемы медная труба (являющаяся в этом случае одновременно токоведущим стержнем) и капиллярный фитиль из нескольких слоев медной сетки с использованием в качестве теплоносителя воды. Исходя из необходимых размеров токоведущей системы ВДК выбираются основные параметры тепловой трубы: наружный и внутренний радиусы цилиндрического стержня, длина тепловой трубы, длина зоны испарения и конденсации, толщина фитиля (и его параметры, характеризующие капиллярные свойства), радиус парового канала. Выбор параметров теплопередающего устройства. Оптимизацию параметров теплопередающих устройств можно произвести по двум параметрам: наружному диаметру токопровода и диаметру тепловой трубы, которые в свою очередь ведут к изменению баланса мощностей, а именно, к изменению выделяемой мощности в контактной системе и мощности, отводимой трубой.
Расчет стационарного теплового режима токоведущей системы ВДК на номинальный ток 1600 А (диаметр токопровода 38 мм), показывает, что использование встроенного внутрь токопровода теплопередающего устройства позволяет повысить токовую нагрузку этой системы до 3150 А без увеличения диаметра токопровода, в то время как нагрузка этой же системы током 2500 А без тепловой трубы приводит к существенному превышению допустимой температуры нагрева.
Увеличение диаметра тепловой трубы (без увеличения диаметра токопровода) повышает эффективность теплопередачи, однако при этом возрастает выделяемая в токопроводе тепловая мощность, поскольку уменьшается сечение токопровода и повышается его сопротивление. Применительно к токоведущей системе ВДК на 1600 А оптимальным является диаметр тепловой трубы dTT = 28 мм, поскольку в этом случае отводимая тепловая мощность превышает выделяемую. Дальнейшее увеличение диаметра тепловой трубы ограничивается требуемой механической прочностью токопровода.
Таким образом, применение тепловых труб в электрических аппаратах позволяет значительно увеличить токовую нагрузку на токопроводы без увеличения их активного сечения, что существенно повышает эффективность использования токопроводящих материалов в электрических аппаратах.
