Технические науки/5. Энергетика

Доцент, к.т.н. Харламова С.П., Соколовская О.В.

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса, Россия

К методу расчета сжимающего усилия в контактном болтовом соединении токоведущих шин

Во многих электрических аппаратах и электрических схемах используются токоведущие шины различного назначения, отличающиеся материалом, размерами, условиями охлаждения. Необходимость использования многочисленных контактных соединений вызывает дополнительный нагрев шин за счет тепла , выделяемого в контактном соединении, что приводит у нарушению эксплуатационных режимов работы аппаратов и электрических схем и их надежности. Поэтому разработка рациональной по температурному режиму методики сборки контактных соединений остается актуальной.

При различных условиях монтажа и охлаждения, материалах и сечениях контактирующих менее нагретой шины 1 и более нагретой шины 2 на достаточном удалении от места их контакта . Однако в зоне контакта температура может иметь различные значения. Аналитические и экспериментальные исследования температурного поля составных шин [1] показали, что температура в зоне контакта существенно зависит от величины контактного сопротивления и может превышать температуру наиболее нагретой шины.

Очевидно, в режиме для обеспечения надежной эксплуатации системы температура в зоне контакта не должна превышать температуру наиболее нагретой шины, т.е.

(1)

Для соблюдения этого условия необходимо знать величину тепловыделения в месте контакта, т.е. знать допустимую величину контактного сопротивления,

, Вт (2)

, Ом (3)

, Па (4)

где -коэффициент зависящий от рода материала контактирующих шин;

- сжимающее усилие.

Распределение температуры по длине наиболее нагретой шины в диапазоне описывается уравнением, [1]:

(5)

, (6)

где -коэффициент теплоотдачи от поверхности шин к воздуху, ;

-коэффициент теплопроводности материала шин, ;

- площадь поперечного сечения шины, ;

- толщина шины, м;

-высота шины, м;

- периметр шины, м;

- удельная мощность внутренних источников тепла, ;

- электрическое сопротивление шины длиной ,Ом;

- объем шины,;

- температура окружающей среды, ;

- удельное электрическое сопротивление при ожидаемой температуре шины, .

Индексы «1» и «2» относятся соответственно к менее и более нагретым шинам.

Согласно уравнению (5) температура в зоне контакта описывается уравнением:

,

Температура на бесконечном удалении от места контакта:

Эти температуры могут быть одинаковыми при условии , т.е. из уравнения (6) следует, что условие (1) выполняется при:

(7).

С учетом уравнения (6) после несложных преобразований уравнение (7) может быть представлено в безразмерной форме:

(8),

где -критерий подобия БИО.

Из уравнения (8) определяется значение допустимого контактного сопротивления , по уравнению (4) рассчитывается необходимое усилие сжатия в контактном соединении.

При вынужденном движении потока воздуха физические свойства воздуха и скорость его движения, как правило, известны и значения коэффициентов теплоотдачи ирассчитывается по критериальным уравнениям [2]. При свободной конвекции воздуха, когда интенсивность теплоотдачи определяется в основном температурным напором, а температуры шин неизвестны, рассчитать коэффициенты теплоотдачи весьма затруднительно.

По результатам экспериментальных исследований теплоотдачи токоведущих шин в свободном потоке воздуха процесс теплообмена описывается критериальным уравнением:

(9)

где - критерий подобия Нуссельта;

- критерий подобия Грасгофа;

- критерий подобия Прандтля,

- температура воздуха;

-температура шины.

Решение уравнения (9), записанного для 1-й и 2-й шины относительно и и соответствие между ними имеет вид:

(10),

где -соответственно температурный напор, т.е. разность температур между поверхностью шин и воздухом, .

Тепловые потоки с поверхности шин в окружающую среду:

и ,

(11)

где , .

Из соотношений (10) и (11):

(12).

После подстановки , найденного из уравнения (12) в уравнение (8) и применения формулы теплового баланса:

Расчетное уравнение коэффициента теплоотдачи принимает вид:

Преобразованное подкоренное выражение в формуле (8) принимает вид:

(13)

где - критерий Померанцева (14)

После подстановки уравнений (12), (13) в уравнение (8) и несложных преобразований уравнение для расчета контактного сопротивления принимает вид:

Так как по условию поставленной задачи наиболее нагретой была принята вторая шина, то её перегрев является предельным, максимально допустимым , -допустимой по нагреву силой тока , т.е. величина зависит от материала шины, определяется условиями эксплуатации.

Литература

1.УшаковВ.Г.,Харламова С.П. – К расчету перегрева токоведущих шин за счет контактного сопротивления. Изд. вузов «Электротехника», 1975, №5.

2. Теплотехника- под ред. Луканина – 2-е изд., М.: Высшая школа, 2000.