ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ ТОКА

Основные понятия.Поступательные движения свободных электронов в проводнике, создающее электрический ток, вызывает столкновение электронов с атомами или молекулами внутри проводника. При таких столкновениях электроны сообщают атомам или молекулам дополнительную энергию и усиливают их беспорядочное тепловое движение (колебания). Последнее проявляется в виде выделения тепла проводником.

Нагревание проводника током является естественным следствием того, что проводник представляет собой некоторое сопротивление току. Роль электрического сопротивления подобна роли трения в механической системе.

(Уравнение нагревания проводника током; Расчет проводов на нагревание, изучается самостоятельно, литература: А.С. Касаткин «Основы электротехники»).

КОРОТКИЕ ЗАМЫКАНИЯ И ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА

Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от перегрева при коротких замыканиях и длительных перегрузках.

Коротким замыканием принято называть всякое ненормальное соединение через малое сопротивление между проводами или другими токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение голых токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т.д. При коротком замыкании резко увеличивается сила тока, а так как выделение тепла в проводах пропорционально квадрату силы тока ( ), то тепловое воздействие тока короткого замыкания может вызвать разрушение изоляции и пожар; вместе с тем при коротких замыканиях часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами. Кроме того, короткое замыкание вызывает сильное увеличение потери напряжения в сети, следствием чего являются уменьшение силы света ламп, понижение скорости и даже остановка электродвигателей и т.д.

Короткое замыкание тем опаснее, чем оно ближе к источнику электроэнергии. При коротком замыкании на зажимах последнего силу тока ограничивает только внутреннее сопротивление r_вн этого источника: I_к = Е: r_вн. В электроэнергетических системах сила тока токов коротких замыканий достигает сотен тысяч ампер и отключение таких токов связано с немалыми трудностями. Но в осветительных сетях жилых зданий сила тока короткого замыкания – величина порядка 30 – 100 А. тем не менее быстрое отключение этих токов очень важно с точки зрения их пожарной опасности.

Простейшим способом отключения токов короткого замыкания является использование их теплового действия в приборе защиты. Таким прибором является плавкий предохранитель. В нем основным отключающим элементом служит плавкая вставка – сменяемая часть предохранителя, плавящаяся при увеличении силы тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую пониженную термическую устойчивость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего она изготавливается из материала с относительно высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но с относительно малым сечением.

Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка, следовательно, плавкая вставка должна иметь длину, соответствующую выключаемому напряжению; по этой причине на предохранителях, кроме номинального тока, указывается также и напряжение.

Номинальной силой тока плавкого предохранителя считается та наибольшая сила тока, которую предохранитель может выдерживать неопределенно долгое время, не разрушаясь. Она указывается на вставке предохранителя. Но сила тока плавления вставки предохранителя зависит от ряда причин и в первую очередь от длительности нагрузки током и условий охлаждения предохранителя.

Ориентировочно для определения времени отключения можно пользоваться представленной на рисунке ХХ5 зависимостью времени плавления вставки от так называемой кратности тока, т.е. от отношения силы тока плавления вставки к номинальной силе тока вставки.

Следует различать защиту провода от коротких замыканий и защиту от длительных перегрузок. Номинальные токи плавких вставок предохранителей, служащих для защиты отдельных участков сети, во всех случаях следует выбирать по возможности наименьшими по расчетным токам соответствующих участков сети. Но при этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках – пусковых токах электродвигателей и т.п. В ряде случаев два этих требования несовместимы. В частности, если линия питает двигатели, то за основу для выбора предохранителя нужно брать среднее значение пусковой силы тока, которое ориентировочно в 5 – 7 раз больше номинального процесса обычно составляет около 5 – 10 сек; в течение этого времени согласно рисунка ХХ5 предохранитель должен выдержать силу тока, превышающую его номинальную приблизительно в 2,5 раза. Следовательно, номинальная сила тока плавкого предохранителя должна быть равна (или быть больше) 40% от средней пусковой силы тока двигателя, т.е.

Но когда выбранные таким образом номинальные значения силы тока плавких вставок значительно превышают допустимые длительные нагрузки защищаемых проводников, тогда предохранители защищают провода от коротких замыканий, но не от длительных перегрузок.

В ряде случаев, когда перегрев проводов не обусловливает пожарную опасность, например, в случае голых проводов, согласно ПУЭ, можно ограничиться только защитой от токов короткого замыкания, но при этом номинальная сила тока плавких вставок предохранителей должна быть не больше чем 300% от длительно допустимой