Глава 4. Тепловой расчет элементов токоведущей системы разъединителя
4 .1. Особенности тепловых процессов в электрических аппаратах
Входящие в состав элегазовых разъединителей контактные узлы, токопроводы, и другие элементы, расположенные в сжатом газе (в некоторых частных случаях давление газа в объёме может быть равно атмосферному), в процессе работы аппарата подвергаются нагреву. Происходит теплоотдача нагреваемых элементов, находящихся в камерах со сжатым элегазом, к стенкам камер. С другой стороны имеет место и обратный процесс - нагрев элементов аппарата, расположенных в камерах со сжатым газом, от стенок камер, например, при нагреве последних солнечными лучами или от выделения тепла непосредственно в стенках вследствие вихревых токов и гистерезиса.
Расстояния от элементов внутри камер до стенок могут колебаться в достаточно широких пределах, однако, поскольку они в основном определяются необходимой электрической прочностью или объёмом камер для запаса сжатого элегаза, то эти расстояния будут в пределах 1 м. Таким образом, мы имеем дело с теплообменом через прослойки, заполненные сжатым элегазом и имеющие различную конфигурацию.
Теплообмен между двумя телами, имеющими разную температуру, одно из которых заключено внутри другого, а прослойка между ними заполнена газообразным веществом, может осуществляться посредством трёх процессов - теплопроводности, свободной конвекции и теплового излучения. В случае заполнения прослойки жидкой средой тепловое излучение отсутствует. Для практических целей расчёта аппаратов при длительном нагреве нас интересует только стационарная сторона указанных процессов.
Выделение теплоты в элементах ТВС приводит к их нагреванию и к нагреванию прилегающих деталей аппарата, в том числе изоляционных. В связи с этим возникает задача оценки температуры аппарата и её ограничения до допустимого уровня. Предельно допустимые превышения температуры различных элементов аппарата над температурой окружающей среды регламентированы в соответствии с ГОСТ 8024-90. При этом возникает необходимость оптимизации размеров элементов аппарата с учётом допустимой температуры их нагрева.
Сечение элемента токоведущей системы (ТВС) определяется на основе технико-экономических расчётов исходя из критерия минимума приведённых затрат. При этом учитывается, что с увеличением площади сечения ТВС увеличиваются затраты материалов, масса движущихся контактных систем (соответственно мощность приводных устройств), габариты аппарата и, как следствие, - сопутствующие капитальные затраты, связанные с его установкой в РУ. Однако при увеличении площади сечения уменьшается нагрев, снижаются потери энергии в элементе ТВС. Напротив, при уменьшении сечения аппарат становиться легче и дешевле, но увеличиваются потери энергии и температура элементов аппарата. Поэтому следует учитывать дополнительные затраты, связанные с необходимостью понижения температуры элементов ТВС.
Понизить температуру нагрева можно следующим образом:
- развить поверхность охлаждения (увеличить отношение поверхности к площади поперечного сечения) путём применения тонкостенных профилей (коробки, трубы) либо путём расщепления токопровода (параллельного соединения нескольких токоведущих элементов);
- применить газовую среду, обладающую повышенной теплоотводящей способностью (в том числе при повышенном давлении);
- интенсивно охлаждать экранирующую оболочку, внутри которой размещена ТВС;
- применять принудительную циркуляцию газовой среды;
- охлаждать непосредственно ТВС.
Например, для обеспечения повышенной циркуляции газовой среды необходима установка вентиляторов, которые дополнительно потребляют электроэнергию и, следовательно, увеличивают потери энергии при эксплуатации аппарата.
Но не только условия охлаждения должны учитываться при выборе формы и размеров элементов ТВС. Необходимо учитывать и тепловыделения в них, а именно добавочные потери вследствие проявления поверхностного эффекта и эффекта близости.
Оптимизация ТВС аппарата должна производиться с ограничением по температуре нагрева при протекании как номинального тока, так и сквозных токов к.з. Следовательно, необходимым этапом оптимизации сечения и конструкции ТВС является определение температуры наиболее нагретых точек и сравнение её с допустимой температурой.
Широкое применение элегаза в высоковольтной аппаратуре потребовало разработки практических методов расчета тепловых процессов в элементах, заполненных элегазом и имеющих источники выделения тепла, будь это токоведущие части или иные нагреватели.
Теплообмен между двумя телами, имеющими разную температуру, одно из которых заключено внутри другого, а прослойка между ними заполнена газообразным веществом, как известно, может осуществляться посредством трех процессов - теплопроводности, свободной конвекции и теплового излучения. В случае заполнения прослойки жидкой средой тепловое излучение отсутствует. Рассмотрим эти виды теплообмена подробнее, сделав оговорку, что нас для практических целей расчета аппаратов при длительном нагреве интересует только стационарная сторона указанных процессов.
