 |
Допустимые и предельные плотности токов для проводов
|
|
|
|
| материал | допустимая плотность тока (нагревается до допустимой температуры), А/мм2 | предельная плотность тока (проводник сгорает), А/мм2 |
| медь | 4...10 | 100...200 |
| алюминий | 3...8 | 75...150 |
| сталь | 1...2 | 30...40 |
| нихром | 15...35 (нагрев до» 1000 °С) | сгорает при превышении допустимой плотности тока |
Пример выполнения 3-го задания
Задание 3-61
Опишите низкоуглеродистую «сталь 10» для полупроводниковых приборов и парафин. Лента из «стали 10» толщиной 2,5 мм и шириной 30 мм покрыта для защиты от коррозии парафином и используется для заземляющего проводника в помещении с температурой 20 °С. По проводнику в течение 1 с протекает ток короткого замыкания 2000 А. Начнет ли плавиться парафин за это время?
2. Определение величин, необходимых для выполнения задания
Парафин начнет плавиться, если температура стали за время протекания достигнет температуры плавления парафина. Температуру нагрева t к стали током короткого замыкания I кзопределяем из выражения:
.
Здесь S = 2,5 × 30 = 75 мм2 – сечение заземляющего проводника, с – теплоемкость стали; d – ее плотность; ρ t и ТK ρ t – соответственно удельное электрическое сопротивление и температурный коэффициент удельного электрического сопротивления стали; τ= 1 с – время протекания тока; t 0 = 20 °C – начальная температура.
Теплоемкость (с)– это энергия, которую нужно сообщить единице массы материала, чтобы повысить температуру материала на 1 К. Размерность – Дж/(кг ∙ К).
Плотность (d) – это масса единицы объёма материала. Размерность – кг/м3.
Удельное электрическое сопротивление (ρ) – это параметр вещества, численно равный сопротивлению образца длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 м2, измеренному в плоскопараллельном поле.
|
|
|
Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления (ТK ρ) – это относительное изменение удельного сопротивления при увеличении температуры на 1 К. Размерность – К–1.
Указанные величины, а также температуру плавления парафина необходимо разыскать в справочниках.
Описание материалов
Сталь – это сплав железа с углеродом при содержании углерода менее 2,14 % [1]. «Сталь 10» содержит 0,1 % углерода [2, с. 349].
С повышением содержания углерода возрастают твердость стали и предел прочности при растяжении. «Сталь 10» обладает способностью к глубокой вытяжке, хорошо обрабатывается резанием и сваривается, при горячей штамповке, ковке и прокатке она упрочняется, однако при повторном нагреве до температуры 500…600 °С упрочнение может быть снято. Сталь изготавливается в виде лент толщиной от 0,05 до 2,5 мм и шириной до 400 мм. Физические свойства «стали 10» показаны ниже [2, с. 350, табл. 13.17].
Плотность…………………...……………………….7,86 Мг/м3
Температура плавления..…………….......................1500 °С
Коэффициент теплопроводности:
при 20 °С…………………………………………73 Вт/(м ∙ К)
при 500 °С…………………………………...…...29 Вт/(м ∙ К)
Температурный коэффициент линейного
расширения при 20 °С…………...………….…..1,2∙10–5 К–1
Удельное сопротивление…………………………...0,10∙10–6 Ом ∙ м
Коэффициент теплопроводности (удельная теплопроводность) λ – это удельный тепловой поток через материал Р / S (мощность, проходящая перпендикулярно изотермической поверхности площадью 1 м2) при градиенте температуры (Т / l) один Кельвин на метр [1].
Температурный коэффициент линейного расширения – это относительное изменение длины при увеличении температуры на 1 К. Размерность – К–1.
В справочнике [2] отсутствуют значения теплоемкости «сталь 10» и температурного коэффициента удельного электрического сопротивления. Примем эти параметры такими же, как у железа (в связи с весьма малым содержанием углерода) по таблице, см. в работе [2, с. 184, табл. 10.1].
|
|
|
c = 453 Дж/(кг ∙ К); ТK ρ t = 6,2∙10–3 К–1 при t = 20 °C.
Парафин [3, с. 207–208] представляет собой смесь предельных твердых углеводородов ряда С п Н2 п+ 2. Это бесцветный, без запаха, с ярко выраженной в изломе кристаллической структурой, слегка жирный на ощупь материал. Парафин получают из дистиллятов[4] парафиновых и высокопарафиновых нефтей. Тяжелые дистилляты, содержащие парафин, подвергают очистке от воды, смол и грязи. Парафин из них выкристаллизовывают при охлаждении и очищают от ненасыщенных соединений обработкой серной кислотой; для устранения желтоватого цвета производят дополнительную очистку адсорбентом[5].
Парафины имеют следующие физико-химические и электрические параметры, общие для различных марок.
Плотность……………………………………….850…900 кг/м3
Температурный коэффициент линейного
расширения.…………………………………0,0011…0,0035 К–1
Удельное электрическое объемное
сопротивление………………………………1013…1015 Ом ∙ м
Удельное электрическое поверхностное
сопротивление………………………………1015…1016 Ом ∙ м
Диэлектрическая проницаемость……………...2,1…2,2
Тангенс угла диэлектрических потерь………..(3…7)∙10–4
Электрическая прочность при 20 °С……..……20…30 МВ/м
Удельным поверхностным сопротивлением ρ s называется электрическое сопротивление квадратной поверхности диэлектрика в равномерном электрическом поле, направленном параллельно поверхности, перпендикулярно какой-либо стороне квадрата [1].
Углом диэлектрических потерь δ (дельта) называют угол, дополняющий до 90 градусов угол сдвига между током и напряжением в диэлектрике [1]. При повышении температуры угол диэлектрических потерь увеличивается [3, рис. 7.2, с. 207].
Диэлектрическая проницаемость ε является мерой поляризации вещества в электрическом поле [1]. При увеличении температуры значение диэлектрической проницаемости снижается [3, рис. 7.3, с. 207].
Электрической прочностью E пр называется средняя напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой [1].
Температура плавления парафинов в зависимости от марки лежит в пределах 50…62 °С [3, табл. 7.1, с. 208].
|
|
|
Парафин применяют для пропитки конденсаторов, у которых допустимая рабочая температура не превышает 45 °С. В кабельном производстве парафин применяют в смеси с церезином[6] для пропитки хлопчатобумажной оплетки проводов и кабельной пряжи, а также кабельной бумаги для предохранения их от гниения.
Решение
Искомая величина – t к входит под знак логарифма. Поэтому определим вначале значение логарифма:
.
Таким образом,
;
.
Вывод
Поскольку конечная температура заземляющего проводника (463 °С) превышает максимально возможную температуру плавления парафина (62 °С), то парафин при коротком замыкании расплавится.
6. Использованная литература
1. Целебровский Ю.В. Шпаргалка по электроматериаловедению. – Новосибирск, 2006.
2. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т. 3 / под ред. Ю.В. Корицкого, В.В. Пасынкова, Б.М. Тареева. – 3-е изд., перераб. – Л.: Энергоатомиздат; Ленингр. отд-ние, 1988.
3. Справочник по электротехническим материалам: В 3 т. Т. 1/ под ред. Ю.В. Корицкого и др. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
4. Современный словарь иностранных слов / Изд-во «Русский язык». – Ок. 20 000 слов. – М.: Рус. яз., 1993.
Тексты заданий
Задание 3-01. Изучите алюминиевые сплавы. Разберите пример. По трехфазной системе шин электроустановки с номинальным напряжением 10 кВ передается мощность 10 МВт. Шины выполнены из алюминиевого сплава АДО, имеют прямоугольное сечение с размерами 4×40 мм2 и температуру в установившемся режиме 20 °С. Опишите физические, электрические свойства и область применения указанного сплава и определите потери мощности в шинах, если их длина 20 м.
Задание 3-02. Опишите физические, электрические свойства и область применения алюминия. Определите, какое значение превышал ток короткого замыкания в электрической сети, если время между началом замыкания и его отключением составило 0,12 с, а начальная температура алюминиевых проводов воздушной линии электропередачи была 40 °С. Дополнительные условия: при коротком замыкании в сети 110 кВ фазный провод из алюминия сечением 120 мм2 нагрелся до температуры, составляющей 20 % от значения температуры плавления провода.
|
|
|
Задание 3-03. Изучите алюминий – физические и электрические свойства, область применения. Определите, до какой температуры нагреются алюминиевые провода электрической сети сечением 120 мм2 при отключении короткого замыкания основной защитой через 0,08 с, а также определите температуру проводов в случае, когда основная защита отказывает и работает резервная со временем действия 0,5 с. Мощность трехфазного короткого замыкания в сети 110 кВ составляет 3 ГВт. Начальная температура проводов 30 °С.
Задание 3-04. Опишите медь и алюминий, как материалы для изготовления проводов. Определите, какое сечение должен иметь алюминиевый провод, чтобы при токе короткого замыкания 10 кА, протекающем в течение 1 с, он нагрелся бы до той же температуры, что и медная шина. Медная шина прямоугольного сечения 40×4 мм2 присоединена к алюминиевому проводу последовательно. Начальная температура проводов 10 °С.
Задание 3-05. Опишите физические и электрические свойства и область применения нихрома, в том числе сплава Х13Ю4. Определите максимальную длину нихромовой проволоки диаметром 0,5 мм из этого сплава для изготовления нагревателя мощностью 1 кВт на напряжение 220 В. Температура нагрева проволоки должна быть оптимальной, а плотность тока – лежать в допустимом диапазоне.
Задание 3-06. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и алюминия. Разберите пример. По трехфазной воздушной линии напряжением 380/220 В передается мощность 5 кВт. Два провода линии выполнены из проволоки АТ сечением 16 мм2, а третий – из проволоки ММ диаметром 2 мм. Определите потери в перечисленных материалах при длине линии 100 м.
Задание 3-07. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия и алюминиевых проводов. Выполните расчеты для следующего случая. Мощность, передаваемая в отдельный коттедж, составляет 6 кВт. Питание осуществляется по двухпроводной линии напряжением 220 В длиной 0,5 км. Провода линии выполнены из алюминиевой проволоки марки АТ сечением 25 мм2. Отыщите в справочнике удельное сопротивление материала проволоки, сравните его с удельным сопротивлением чистого алюминия. Рассчитайте, каким должно быть напряжение на подстанции, чтобы на щитке дома оно было номинальным.
Задание 3-08. Опишите физические и электрические свойства и область применения нихрома, в том числе сплава Х20Н80. Какой минимальной длины нужно взять нихромовую проволоку из этого сплава, если ее диаметр 0,3 мм и из нее необходимо изготовить нагреватель на напряжение 220 В мощностью 1 кВт? Температура нагрева проволоки должна быть оптимальной, а плотность тока – лежать в допустимом диапазоне.
|
|
|
Задание 3-09. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и полиэтилена. Определите, каким должно быть сечение медного провода в полиэтиленовой изоляции, чтобы при токе короткого замыкания 2 кА, протекающего в течение 1 с, температура бы не превысила допустимую (длительную рабочую) для изоляции. Провод имеет начальную температуру 40 °С.
Задание 3-10. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и поливинилхлорида. Определите, через какое время может начать плавиться («течь») изоляция медной электропроводки. Электропроводка из медного изолированного провода сечением 2,5 мм2 имеет поливинилхлоридную изоляцию. При коротком замыкании с током 100 А отключения автомата не произошло.
Задание 3-11. Опишите медь, как материал для плавких вставок (физические и электрические свойства, область применения). Выберите диаметр медной проволоки для плавких вставок, которые за 0,5 с расплавлялись бы от тока, в 2 раза превышающего ток нагрузки. Мощность трехфазной нагрузки 10 кВт, напряжение сети 380/220 В.
Задание 3-12. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминиевых сплавов, в том числе сплава АД 31. Определите потери мощности в шинах из этого сплава, если их длина 100 м. По двум шинам электроустановки постоянного тока напряжением 3,3 кВ передается мощность 6 МВт. Шины имеют прямоугольное сечение 5×50 мм2 и температуру в установившемся режиме 20 °С.
Задание 3-13. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия. Определите, какое максимальное сечение было у проводов воздушной линии электропередачи напряжением 220 кВ, если при коротком замыкании в сети фазный провод, состоящий из двух алюминиевых проводов, нагрелся до температуры плавления. Ток короткого замыкания составил 17,7 кА, замыкание отключилось через 5 с, а начальная температура проводов была 30 °С.
Задание 3-14. Опишите алюминий, как материал для изготовления проводов (физические и электрические свойства, область применения). Рассчитайте пример. Мощность трехфазного короткого замыкания в сети 220 кВ составляет 25 ГВт. Определите, существует ли опасность расплавления проводов из алюминия сечением 2×70 мм2 в случаях работы основной и резервной защит на отключение. Времена отключения равны соответственно 0,12 и 0,7 с. Начальная температура проводов 10 °С.
Задание 3-15. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и алюминия. Определите сечение медной шины при следующих условиях: к медной шине подсоединен алюминиевый провод сечением 120 мм2. При токе короткого замыкания 10 кА, протекающего в течение 1 с, медная шина нагревается до той же температуры, что и алюминиевый провод. Начальная температура проводов 30 °С.
Задание 3-16. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихрома, в том числе сплава ХН70Ю. Определите минимальное количество в метрах нихромовой проволоки диаметром 1 мм, необходимой для выполнения трехфазного нагревателя мощностью 10 кВт на напряжение 380/220 В.
Задание 3-17. Опишите медь и алюминий как материалы, применяемые для изготовления проводов (физические и электрические свойства, область применения). Сделайти расчеты для следующего примера: от трехфазной сети 380/220 В питается электропечь, потребляющая мощность 3 кВт. Проводка к электропечи выполнена двухжильным медным проводом (МТ) диаметром 1,78 мм и одножильным алюминиевым (проволока марки АМ) диаметром 4,5 мм. Определите потери мощности в электропроводке на длине 10 м от распределительного щитка до электропечи.
Задание 3-18. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия. Определите сечение проводов, питающих животноводческую ферму, при условии, чтобы напряжение на оборудовании было не менее 380 В. Мощность работающего оборудования на животноводческой ферме составляет 20 кВт. Ферма питается от трехфазной сети с номинальным напряжением на подстанции 0,4 кВ. Питающая линия выполнена из алюминиевых проводов марки А, проволоки марки АТ и имеет длину 2 км.
Задание 3-19. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихрома, в частности, марки Х15Н60. Сделайте расчеты нагревателя из нихрома. Необходимо изготовить трехфазный нагреватель для сети 0,4 кВ мощностью 5 кВт. Для этой цели имеется проволока диаметром 0,3 мм. Определите, сколько метров проволоки необходимо для изготовления трехфазного нагревателя?
Задание 3-20. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия и поливинилхлорида. Разберите пример: кабель с алюминиевой жилой и поливинилхлоридной изоляцией работает при длительно допустимой рабочей температуре. Сечение жилы – 50 мм2. Определите, какой ток короткого замыкания сможет пропустить кабель в течение 0,5 с, чтобы температура изоляции не превысила предела ее текучести.
Задание 3-21. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия и полиэтилена. Сделайте следующие расчеты. Алюминиевая проводка сечением 2,5 мм2 имеет изоляцию из полиэтилена высокого давления. При коротком замыкании, ток которого 50 А, не сработали автоматические выключатели. Определите, через какое время может начать плавиться изоляция?
Задание 3-22. Опишите медь и алюминий. Рассчитайте, каким должно быть сечение медной проволоки в предохранителе, чтобы при коротком замыкании в сети предохранитель бы расплавился через 0,5 с, а электропроводка нагрелась бы при этом от температуры 20 °С до 90 °С? Электропроводка выполнена алюминиевым проводом сечением 2,5 мм2.
Задание 3-23. Опишите физические и электрические свойства нихрома и нихромовой проволоки из сплава Х20Н80. Определите, какой минимально возможный ток нагреет эту проволоку до предельной температуры за 1 с, если ее диаметр равен 0,6 мм.
Задание 3-24. Опишите физические и электрические свойства нихрома и конструкционной стали марки 10. Пользуясь найденными параметрами, определите минимальный диаметр стальной проволоки, удельная выделяемая мощность в которой была бы равна удельной мощности, выделяемой в нихромовой проволоке из нихрома марки Х15Н60 диаметром 0,6 мм при условии, что обе проволоки соединены последовательно.
Задание 3-25. Опишите алюминий как материал для проводов. Пользуясь найденными параметрами, решите следующую задачу. Ток можно передать через землю при помощи алюминиевой оболочки кабеля или двух полушаровых заземлителей радиусом 3 м. Для последнего случая удельное сопротивление грунта равно 50 Ом · м, а допустимая плотность тока с поверхности заземлителей по условию невысыхания грунта составляет 1 А/м2. Определите сечение алюминиевой оболочки кабеля длиной 1 км, в которой выделяемая мощность в 40 раз меньше мощности, выделяемой при передаче тока через землю. Чему равна мощность, теряемая в оболочке?
Задание 3-26. Опишите алюминий, как материал для проводов линий электропередачи. Пользуясь найденными параметрами, решите следующую задачу. Провод линии электропередачи марки АС120/19 имеет стальной сердечник из 7 стальных проволок диаметром 1,88 мм и навив из 26 алюминиевых проволок диаметром 2,7 мм. До какой температуры нагреются алюминиевые и стальные проволоки от тока короткого замыкания 50 кА за 1 с, если их начальная температура была 20 °С? Расчет провести, пренебрегая теплопроводностью. В качестве параметров стали принять: удельное сопротивление и плотность – для марки НЖ, теплоемкость и температурный коэффициент удельного сопротивления – для резистивного сплава Х13Ю4.
Задание 3-27. Опишите физические и электрические свойства стали и хлорированного полиэтилена, область их применения. Решите с использованием найденных параметров задачу. Провод имеет 3 стальных жилы диаметром 0,2 мм каждая («сталь 10») и изоляцию из хлорированного полиэтилена ХПЭ. Сколько времени должен протекать по жиле ток 10 А, чтобы изоляция на границе с проводом нагрелась бы до значения длительной рабочей температуры полиэтилена? Теплоемкость и температурный коэффициент удельного сопротивления стали принять равными значениям этих величин для железа.
Задание 3-28. Между двумя коаксиальными кольцами из меди находится слой алюминия. Диаметр и длина внутреннего кольца 1 см. Опишите физические и электрические свойства алюминия и определите ток, который за 1 с доведет алюминий до плавления у внутреннего кольца.
Задание 3-29. Опишите физические и электрические свойства меди и припоя ПОС-90, области применения. Решите с использованием найденных параметров задачу. Медный провод сечением 3 мм2 и длиной 1 см запаивается припоем ПОС-90 в цилиндрическую втулку. При каком токе, протекающем от провода к втулке через 1 с, начнет плавиться припой?
Задание 3-30. Опишите свойства (физические и электрические) политетрафторэтилена (фторопласта) и алюминия. Рассчитайте сечение алюминиевой жилы у провода с изоляцией из фторопласта, при которой ток в 130 А, протекающий по жиле, нагреет провод за 1 с до значения длительной рабочей температуры фторопласта.
Задание 3-31. Опишите свойства меди и подберите среди электроизоляционных полимеров, применяемых для изоляции проводов, подходящие материалы для изоляции медного провода по условиям нагрева. Медный проводник сечением 1 мм2 предназначен для односекундного протекания тока 100 А.
Задание 3-32. Изоляция алюминиевого провода выполнена из политрифторхлорэтилена. Опишите свойства алюминия и политрифторхлорэтилена и подберите такое сечение алюминия, при котором ток в 200 А за 1 с нагреет проводник до температуры, равной длительной рабочей политрифторхлорэтилена (при которой изоляция остается эластичной).
Задание 3-33. Опишите свойства меди и определите ее массу в катушке. По катушке с медным проводом сечением 2,5 мм2 протекает постоянный ток 20 А. При этом в катушке выделяется мощность 20 Вт. Катушка имеет установившуюся температуру.
Задание 3-34. Опишите физические и электрические свойства вольфрама и молибдена. Определите длину раскаленной до 2000 °С вольфрамовой нити диаметром 0,02 мм в электролампочке мощностью 40 Вт. Какой в этих условиях была бы длина такой же нити из молибдена?
Задание 3-35. Опишите сталь марки 10 и медь, как материалы для проводов. Сделайте вычисления для следующего примера. Военно-полевой провод для связи состоит из трех стальных жил марки 10 диаметром 0,2 мм и четырех медных марки МТ диаметром 0,1 мм. определите, до какой температуры нагреются проволоки при протекании по проводу в течение 0,1 с тока 100 А. Значения недостающих параметров для стали взять такими же, как для железа, начальную температуру принять равной 20 °С.
Задание 3-36. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и кабельной резины РТИ. Пользуясь найденными параметрами, решите задачу: медный провод марки МТ сечением 0,75 мм2 имеет изоляцию из кабельной резины типа РТИ-1. Какой ток должен протекать по жиле в течение 1 с, чтобы нагреть ее до длительной рабочей температуры, допускаемой резиной?
Задание 3-37. Опишите алюминий и полиэтилен. Определите ток, который за 0,5 с нагреет жилу алюминиевого проводника с изоляцией из полиэтилена до длительно допустимой рабочей температуры полиэтилена. Диаметр жилы 10 мм.
Задание 3-38. Опишите полиэтилен и хлорированный полиэтилен, а также медь. Определите, каким должен быть диаметр медной жилы с изоляцией из полиэтилена, чтобы при протекании по ней тока 350 А в течение 0,1 с ее температура не превысила бы длительной рабочей температуры для изоляции.
Задание 3-39. Дайте описание поливинилхлорида и определите, во сколько раз и в какую сторону изменится сопротивление изоляции кабеля из этого материала, если от протекающего тока он нагреется до 140 °С. Какая плотность тока при этом будет в медной жиле, если время протекания тока составляет 1 с?
Задание 3-40. Опишите необходимые свойства меди, подберите и опишите материал для изоляции провода по условиям нагревостойкости. По медному проводу сечением 2,5 мм2 в течение 1 с должен протекать ток 300 А.
Задание 3-41. Опишите необходимые свойства меди, полиэтилена и органосиликатных композиций, применяемых для изоляции проводов. Разберите пример: медный провод сечением 1 мм2 изолирован полиэтиленом и по нему в течение 1 с протекает ток, нагревающий жилу до максимальной рабочей температуры полиэтилена. Во сколько раз можно увеличить время протекания этого тока, если этот же провод изолировать стеклоэмалью ТК-40 с органосиликатной композицией?
Задание 3-42. Опишите политетрафторэтилен и изоляционные материалы высокой нагревостойкости. Сделайте расчеты для следующего примера. Высоконагревостойкий провод ПЭЖБ имеет сечение медной жилы 1 мм2. В течение 0,3 с по нему протекает ток, разогревающий провод до максимально допустимой температуры. Какое сечение меди необходимо было бы для этого провода, если его изоляция была бы выполнена из политетрафторэтилена?
Задание 3-43. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихрома, в частности сплава Х13Ю4. Определите массу нихромовой проволоки диаметром 0,6 мм для изготовления нагревателя мощностью 1 кВт на напряжение 220 В.
Задание 3-44. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия и определите потери энергии в электропроводке к коттеджу за 1 месяц. Мощность, передаваемая в отдельный коттедж, составляет 10 кВт. Питание осуществляется по двухпроводной линии напряжением 220 В длиной 0,5 км, выполненной из алюминиевых проводов марки А сечением 16 мм2, свитых из проволоки марки АТ.
Задание 3-45. Опишите физические и электрические свойства, область применения нихромовой проволоки из сплава Х20Н80. Сколько граммов такой проволоки диаметром 1 мм необходимо для того, чтобы изготовить нагреватель на напряжение 220 В мощностью 3 кВт?
Задание 3-46. Опишите физические и электрические свойства, область применения меди и полиэтилена и определите плотность тока, при которой через 1 с после начала протекания тока температура бы не превышала допустимое значение для изоляции. Медный провод в полиэтиленовой изоляции имеет начальную температуру 40 °С.
Задание 3-47. Опишите физические и электрические свойства, область применения алюминия и полиэтилена. Определите, через какое время начнет плавиться изоляция при коротком замыкании в алюминиевой проводке. Алюминиевая проводка сечением 1,5 мм2 имеет полиэтиленовую изоляцию из ПЭСД. При коротком замыкании, ток которого 100 А, не сработали предохранители.
Задание 3-48. Опишите свойства алюминия и меди. Разберите пример. Электропроводка выполнена алюминиевым проводом сечением 1,5 мм2. Каким должно быть сечение медной проволоки в предохранителе, чтобы при коротком замыкании в сети она бы расплавилась за 0,1 с, а проводка нагрелась бы при этом от температуры 20 °С до 90 °С? Опишите физические и электрические свойства, область применения названных материалов.
Задание 3-49. Фторопласт – свойства (физические и электрические). Найти сечение медной жилы провода с изоляцией из фторопласта-4, при котором ток в 300 А нагреет жилу за 1 с до предельной температуры, допускаемой фторопластом-4.
Задание 3-50. Опишите физические, электрические свойства и области применения стального (марка «сталь 10») алюминиевого и медного проводов и определите значения токов, при которых погонные потери составят 1 кВт/км при сечениях, равных для всех проводов 6 мм2.
Задание 3-51. Опишите физические и электрические свойства стали и полипропилена, область их применения. Решите с использованием найденных параметров задачу: провод имеет стальную жилу диаметром 0,2 мм (марка «сталь 10», теплоемкость и температурный коэффициент сопротивления принять такими же, как у железа) и изоляцию из полипропилена ПП. Сколько времени должен протекать по
жиле ток 5 А, чтобы изоляция на границе с проводом начала бы плавиться?
Задание 3-52. Между двумя коаксиальными кольцами из меди находится слой расплавленного алюминия при температуре на 10 градусов выше температуры плавления. Диаметр и длина внутреннего кольца 1 см. Опишите физические и электрические свойства алюминия и меди и определите ток, который за 1 с доведет до плавления медь внутреннего кольца.
Задание 3-53. Опишите физические и электрические свойства меди и припоя ПОС-90, области применения. Решите с использованием найденных параметров задачу. Медный провод диаметром 5 мм и длиной 1 см запаивается припоем ПОС-90 в цилиндрическую втулку. Через сколько времени от тока 4 кА, протекающего от провода к втулке, начнет плавиться припой, если его начальная температура была 150 °С?
Задание 3-54. Опишите свойства алюминия и определите его массу в катушке из алюминиевого провода. По катушке с алюминиевым проводом сечением 2,5 мм2 протекает постоянный ток 15 А. При этом в катушке выделяется мощность 40 Вт. Катушка имеет постоянную температуру.
Задание 3-55. Опишите физические и электрические свойства вольфрама и константана. Определите соотношение масс последовательно соединенных проволок из этих материалов при одинаковых сечении и выделяемой мощности.
Задание 3-56. Опишите медь и сложные эфиры поливинилового спирта. Разберите пример. Медный провод покрыт лаком «метальвин» на основе поливинилацетали. Подберите такое сечение меди, при котором ток в 485 А за 1 с нагреет проводник до температуры, равной длительной рабочей для лака.
Задание 3-57. Опишите свойства никеля и высоконагревостойкую стеклокерамическую изоляцию проводов. Выберите материал для изоляции никелевого провода по условиям нагрева. Никелевый провод диаметром 0,5 мм предназначен для односекундного протекания тока 23 А.
Задание 3-58. Опишите физические и электрические свойства стали и темплена термостойкого, область их применения. Решите с использованием найденных параметров задачу: провод имеет стальную жилу диаметром 0,2 мм (марка «сталь 10», теплоемкость и температурный коэффициент сопротивления принять для железа) и изоляцию из темплена. Какой ток должен протекать по жиле, чтобы изоляция на границе с проводом за 1 с нагрелась бы до максимальной рабочей температуры темплена?
Задание 3-59. Фторопласт – свойства (физические и электрические). Найти ток, протекающий по алюминиевой жиле провода с изоляцией из фторопласта, при котором жила сечением 2,5 мм2 нагреется за 1 с до предельной температуры, допускаемой фторопластом-2М.
Задание 3-60. Опишите основные свойства сплавов на никелевой и медноникелевой основе для термопар. Выберите проволоку из такого сплава, в которой будут наибольшие удельные потери при температуре 800 °С.
3.4. Ответы
3-01. 3,6 кВт. 3-02. 27,9 кА. 3-03. 47 °С; 153 °С. 3-04. 233 мм2.
3-05. 7,1 м. 3-06. 22,8 Вт; 31,6 Вт. 3-07. 255 В. 3-08. 11,4. 3-09. 21,7 мм2. 3-10. 15,4 с. 3-11. 0,3 мм. 3-12. 86,1 кВт. 3-13. 2´120 мм2. 3-15. 82,9 мм2. 3-16. 24,6 м. 3-17. 3,3 Вт. 3-18. 81,2 мм2. 3-19. 51,6…56,4. 3-20. 7,68 кА. 3-21. 17 с. 3-22. 0,73 мм2. 3-23. 17,7 А. 3-24. 0,33 мм. 3-25. 212 мм2; 1,67 кВт. 3-26. 31,4 °С; 21,8 °С. 3-27. 0,18 с. 3-28. 78,4 кА. 3-29. 10,1 кА. 3-30. 1,03 мм2. 3-32. 2,14 мм2. 3-33. 0,16 кг. 3-35. 490,3 °С; 71,7 °С.
3-36. 66,5 А. 3-37. 9,04 кА. 3-38. 1,125 мм. 3-41. в 4,75…5,20 раза.
3-42. 1,26 мм2. 3-43. 19…21 г. 3-44. 2945 кВт × ч. 3-45. 78 г.
3-46. 92,2 А/мм2. 3-47. 1,9 с. 3-48. 0,4 мм2. 3-49. 1,6 мм2. 3-50. 7,8; 15,2; 18,8 А. 3-51. 0,15 с. 3-52. 7,32 кА. 3-53. 9,4 с. 3-54. 116 г. 3-55. 16,6…20. 3-56. 4 мм2. 3-58. 1,7 А. 3-59. 316,4 А.
4. Магнитные свойства материалов.
Магнитные материалы
4.1. Основные расчетные выражения
и необходимые пояснения
К магнитным материалам относятся материалы с упорядоченной магнитной структурой и большой магнитной проницаемостью: ферромагнетики и ферримагнетики. Основной особенностью магнитных материалов является высокая магнитная проницаемость μ и зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля.
Магнитная проницаемость (μ) – это физическая величина, характеризующая изменение магнитной индукции при воздействии магнитного поля. Для изотропных сред магнитная проницаемость равна отношению индукции в среде В к напряженности внешнего магнитного поля Н и к магнитной постоянной μ0:
. (4.1)
Магнитная проницаемость – величина безразмерная. Магнитная постоянная μ0 = 4π∙10–7 Гн/м.
При малой напряженности внешнего магнитного поля (или его отсутствии), когда магнитные моменты доменов[7] магнитного материала образуют замкнутые магнитные цепи, магнитная проницаемость минимальна и носит название «начальная магнитная проницаемость» – μнач. Увеличение напряженности магнитного поля приводит к необратимому смещению доменных границ, ориентации векторов намагниченности доменов по полю и увеличению магнитной проницаемости вплоть до «максимальной магнитной проницаемости» – μмакс. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего магнитного поля происходит полная ориентация магнитных моментов доменов по полю и материал переходит в состояние технического насыщения. Магнитная проницаемость уменьшается, стремясь к единице.
В силу зависимости магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля зависимость индукции в материале от напряженности внешнего магнитного поля нелинейна. Эта зависимость называется «начальной кривой намагничивания» и показана на рис. 4.1. На рис 4.2 представлена зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего магнитного поля, построенная для того же материала.
 |
| Рис. 4.1. Начальная кривая намагничивания | Рис. 4.2. Зависимость магнитной проницаемости от напряженности внешнего магнитного поля |
Комплекс магнитных свойств магнитного материала описывается кривыми намагничивания-размагничивания (зависимостью индукции в материале от напряженности переменного магнитного поля) – петлями гистерезиса (hysteresis – отставание, запаздывание). Наиболее информативной является предельная петля гистерезиса, когда индукция в материале достигает максимально возможного значения для образца (материал полностью намагничен). Предельная петля гистерезиса определяет следующие параметры магнитного материала:
– начальная магнитная проницаемость – μнач (при напряженности магнитного поля на начальной кривой намагничивания близкой к нулю);
– максимальная магнитная проницаемость – μmax (в точке кривой намагничивания с максимальным значением производной);
– индукция насыщения – В нас (индукция полного н
|
|
|
