Проводник, по которому протекает ток, нагревается, конечно, не мгновенно: по мере протекания тока в проводнике выделяется энергия, которая частично идет на нагрев проводника, а частично рассеивается в окружающее пространство.
Отдача энергии окружающему пространству нагретым телом происходит тем интенсивнее, чем выше температура тела по сравнению с температурой окружающей среды, поэтому спустя некоторое время от начала нагрева проводника наступит момент, когда количество выделяемой в проводнике энергии сравняется с энергией, рассеиваемой в окружающем пространстве.
Начиная с этого момента времени температура проводника остается постоянной. Коэффициент теплоотдачи зависит и от размеров тела и от его температуры и от его расположения.
Следует отметить, что постоянная времени нагрева (время в течение которого проводник успевает нагреться от температуры окружающей среды) фактически не постоянна, так как теплоемкость и коэффициент теплоотдачи зависят от температуры (в особенности последний). Поэтому для различных значений установившейся температуры постоянная времени нагрева будет различна.
Величина постоянной времени нагрева для обычных электротехнических изделий применяемых в электроустановках, колеблется от нескольких десятков минут до нескольких часов.
Допустимые температуры нагрева токоведущих часте обычно диктуются свойствами той изоляции, с которой соприкасается данный проводник. Это вполне понятно, поскольку материал проводника, как правило, более теплостоек, чем материал изоляции.
Во всех случаях нагрева проводников наибольший интерес представляет максимальная температура, которая будет иметь место не на внешней поверхности изоляции, а на поверхности проводника, так как нас интересует температура изоляции, с которой он соприкасается.
Допустимые температуры в значительной степени определяются свойствами изоляции, с которой соприкасаются нагреваемые части
Однако, от этого правила есть отступления. Так, например, в контактных соединениях громадную роль играют окислы, которых образуется тем больше, чем выше температура контактов. Поэтому для таких элементов аппаратов максимум допустимой температуры может диктоваться уже не изоляцией, находящейся вблизи контакта, а условиями работы самого контакта.
Токоведущие неизолированные части (но не контактные соединения) допускают более высокий нагрев, чем изолированные проводники. Величину допустимой для них температуры определяют, главным образом, два фактора:
Для одних и тех же проводников с одной и той же изоляцией допустимые температуры различны в зависимости от условий использования их.
Подробнее о том, как определяется длительно допустимый ток проводов и кабелей мы уже ранее рассматривали в этой статье: От чего зависит длительно допустимый ток кабеля
Длительность короткого замыкания не может быть большой, так как это режим аварийный и зашита электроустановок направлена к возможно быстрому отключению короткозамкнутого участка цепи. В зависимости от выдержки времени защитных реле длительность короткого замыкания колеблется в пределах от нескольких десятых (реже — сотых) секунды до нескольких секунд (смотрите - Как выполняется защита электропроводки от перегрузки и коротких замыканий).
При коротком замыкании допускается в два-три раза более высокая температура проводников, чем при нормальной работе, следовательно, теплоотдача с поверхности проводника возрастает не на много, в то же время величина тока короткого замыкания, по сравнению с нормальным током, возрастает в десятки раз, а потери в проводнике — в сотни раз.
Отсюда следует, что при коротком замыкании количество энергии, отводимой с поверхности проводника за счет охлаждения, составляет незначительную величину от потерь в проводнике.
Возьмем формулу Ньютона
τn = (I2R)/(kS)
и перепишем ее в форме
(I2R)/(kSτn)
В числителе этой формулы стоят потери в проводнике, в знаменателе — отвод тепла с поверхности проводника. При нормальной работе и установившемся тепловом режиме эти две величины равны друг другу. При коротком замыкании знаменатель увеличится в три-четыре раза. Но величина тока короткого замыкания составляет 10 — 20-кратную величину от нормального тока и, следовательно, числитель рассматриваемой дроби увеличится в 100 — 400 раз.
Таким образом, если при нормальном режиме теплоотдача с поверхности проводника составляла 100% с от величины потерь в проводнике, то при коротком замыкании теплоотдача будет составлять 1 — 3% от потерь в проводнике.
Это обстоятельство дает право вычислять перегрев проводника при коротком замыкании, не считаясь с энергией отводимой от проводника за счет охлаждения, т. е. дает право предполагать, что вся энергия, выделенная в проводнике при коротком замыкании идет на повышение его температуры (адиабатический процесс). Ошибка при таком допущении будет тем меньше, чем больше потери в проводнике по сравнению с теплоотдачей с его поверхности.
Кроме того, при коротком замыкании считается худшим случаем, когда замыкание случилось после того, как проводник или аппарат (или его часть) до этого длительно работали в номинальном режиме.
Ток короткого замыкания в цепи переменного тока помимо периодической (переменной) слагающей содержит также апериодическую (постоянную) слагающую.
Максимальное значение апериодической слагающей тока получается тогда, когда цепь замыкается в момент прохода напряжения через ноль. В этом случае ток короткого замыкания получается наибольшей величины. Апериодическая и периодическая слагающие тока короткого замыкания затухают по времени, первая быстро, вторая медленно.
Расчет токов короткого замыкания для начинающих электриков
Недопустить перегрева проводов и кабелей при коротком замыкании можно правильно выбрав марку и их сечение и обеспечив правильную защиту электросети с помощью автоматических выключателей. Также нужно соблюдать меры, обеспечивающие пожарную безопасность электропроводки во время эксплуатации электропроводки и электроприборов.
Выбор сечения кабеля:
Как правильно выбрать сечение кабеля - советы проектировщика
Меры, обеспечивающие пожарную безопасность электропроводки:
Как обеспечить пожарную безопасноть электропроводки в квартире и доме
Обычно за время короткого замыкания величина тока меняется, вместе с тем по мере увеличения температуры проводника меняются удельное сопротивление материала проводника и его теплоемкость.
Задаваясь длительностью короткого замыкания и допустимой температурой перегрева при коротком замыкании можно определить допустимую плотность тока.
Определенная таким образом величина тока носит название тока термической устойчивости. Эта техническая величина чаще всего используется при конструировании, расчете и выборе различных электрических аппаратов и токоведущих шин на трансформаторных подстанциях.
Термическая устойчивость относится к определенному времени (заданному при его определении). Различные предприятия и различные государственные нормы предусматривают отличные друг от друга величины расчетного времени, к которому следует отнести ток термической устойчивости.
По нормам принят десятисекундный ток термической устойчивости. Это означает, что при расчете допустимого тока короткого замыкания время длительности тока принимают равным 10 сек. Пользуются также и односекундным и пятисекундным токами термической устойчивости. В действительности, конечно, перегрев аппарата от тока короткого замыкания определяется не произведением тока на время, а произведением квадрата тока на время.
Смотрите также другие полезные статьи по этой теме:
Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры
Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников
Как узнать какую мощность выдерживает кабель или провод
