Меню

Зависимость температуры проводника с током от силы тока

Почему нагревается проводник с током, и как правильно выбирать проводник?

Разбираем, почему и как нагревается проводник при прохождении через него электрического тока

Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос крайне важен при выборе материалов и сечения проводников, а также в контексте борьбы с последствиями токов короткого замыкания.

Поэтому в нашей статье мы постараемся максимально подробно, но при этом на доступном языке, разобраться с причинами нагрева, его этапами и использовании этого свойства проводников на практике.

Причины нагрева проводников и их этапы

Так почему при прохождении тока проводник нагревается? Ответ на этот вопрос независимо друг от друга дали Джеймс Джоуль в 1841 году, и Эмиль Ленц в 1842 году. В связи с этим. открытый ими закон получил название Джоуля-Ленца.

Закон Джоуля-Ленца

Джеймс Джоуль

Эмиль Ленц

Звучит этот закон, как: мощность тепла, выделяемого в единице объема проводника, равна произведению напряженности электрического тока к его плотности. Если из этого определения вам сразу все стало понятно, то наша статья не для вас. Мы поговорим с теми, кто, как и я, когда услышал первый раз это определение, удивленно хлопал глазами.

Поэтому мы будем по минимуму использовать формулы, а постараемся на пальцах объяснить, что значит этот закон:

Закон Джоуля-Ленца

Удельные сопротивления различных веществ

Зависимость сопротивления провода от удельного сопротивления материала

Работа, выполненная электрическим током в проводнике, равна количеству выделенного тепла

Соответственно, чем большее количество времени протекает ток по проводнику, чем большее сопротивление проводника, чем больший ток протекает по проводнику, тем быстрее и больше он нагревается. Вот так характеризует нагревание проводников электрическим током закон Джоуля-Ленца.

Обратите внимание! Электрическая проводимость, а соответственно и сопротивление проводника, напрямую зависит от его температуры. Чем она выше, тем больше сопротивление проводника. Поэтому получается лавинообразный процесс. Проводник греется, его сопротивление растет, и он греется еще больше. В связи с этим, процессу отвода тепла от проводника следует уделять самое пристальное внимание.

Отвод тепла от проводника и этапы нагрева

В связи с приведенным выше свойством, с нагревом проводников нужно бороться. Достигается это за счет выбора оптимального сечения провода, а также материала. То есть, сечение провода должно соответствовать максимально допустимому току, который может протекать в нем, а также нормально выдерживать кратковременные перегрузки.

  • Дабы все это правильно рассчитать, мы должны знать не только как закон Джоуля-Ленца нагревание проводников электрическим током рассчитывает, но и как посчитать отдачу тепла проводником. Ведь наш проводник находится не в вакууме, и отдает тепло окружающей среде.

Площадь проводника

  • Сразу давайте определимся, какие параметры влияют на теплоотдачу проводника. Прежде всего, это сечение проводника, ведь вполне логично, что чем большая площадь проводника соприкасается с окружающим воздухом, тем быстрее он ее отдает.

Теплоотдача различных материалов

  • Следующим важным критерием является так называемый коэффициент теплоотдачи материала, из которого выполнен проводник. Или как этот параметр еще называют — теплопроводность материала. Ведь ни для кого не секрет, что теплопроводность у материалов разная.
  • Ну и последним параметром, является разность между температурой окружающей среды и материалом проводника. Ведь как говорит инструкция: чем больше этот перепад, тем быстрее материал отдает тепло.

Температура установившегося режима

  • Исходя из этих всех параметров, влияющих на теплоотдачу, можно предположить, что для любого проводника и любого тока имеется, так называемая, установившаяся температура. То есть, температура, при которой существует равенство получаемой энергии от протекания тока и отводимого тепла.

Рабочая температура проводника с ПВХ изоляцией

  • Такую температуру называют установившимся режимом. И она должна быть в пределах рабочей температуры провода. Рабочая температура провода обычно ограничена типом используемой изоляции.

Например, для ПВХ-изоляции она не должна превышать 70⁰С, а разнообразные материалы с пропиткой лаком способны выдерживать температуры до 120⁰С и выше.

Выбор проводников

Как вы можете понять из всего выше написанного, проводники следует выбирать из условий нагрева. Дабы при определённом токе их температура не превышала максимально допустимую. Сделать это можно своими руками, благодаря таблицам в ПУЭ. Но и в этом вопросе сначала необходимо разобраться.

  • В ПУЭ приведены таблицы, по которым можно осуществить выбор проводников по нагреву, экономической плотности тока, способу прокладки и другим параметрам. Но для начала мы точно должны знать условия монтажа и работы провода. Давайте разберем, зачем это нужно.

Допустимые перегрузки для кабелей в бумажной изоляции

  • Но прежде разберемся с током. Ни для кого не секрет, что в течение времени ток в проводнике будет меняться. И какой из них следует рассматривать в качестве результирующего для выбора сечения проводника, непонятно. На этот вопрос нам отвечает п. 1.3.2 ПУЭ, который гласит, что для выбора следует применять средний ток в течении получаса, наиболее нагруженного в течении суток.

На фото поправочные температурные коэффициенты

  • Теперь давайте определимся с температурой. В разных местах монтажа она может достаточно сильно отличаться от рабочей температуры. Это следует учитывать. Поэтому в табл. 1.3.3 ПУЭ приведены поправочные коэффициенты для различной кабельно-проводниковой продукции, если температуры в которых будет работать кабель, отличается от рабочей.
  • Выбор проводников по нагреву, плотности тока, обязательно учитывает способ прокладки проводника. Это может быть одиночная прокладка по воздуху, а может быть монтаж в земле или в трубах. Согласитесь, теплоотведение у таких проводников будет существенно отличаться. И это обязательно стоит учитывать.
  • Так же следует учитывать количество жил проводника. То ли у нас охлаждается одна жила, то ли три, которые соприкасаются.

Обратите внимание! В табл. 1.3.12 ПУЭ имеется отдельный поправочный коэффициент при монтаже проводников пучками. Ведь если у нас рядом проложено сразу несколько проводников, то они вполне могут нагревать друг друга и заметно хуже остывать. И это так же должно учитываться.

Выбор сечения проводников в резиновой и ПВХ изоляции

  • В итоге мы сможем воспользоваться таблицами 1.3.4. – 1.3.11 ПУЭ, которые предписывают, проводники какого сечения использовать для различных токов, и при использовании проводников с различными типами изоляции.

Обратите внимание! Если вы выбираете проводник для жилого помещения, то сразу должны исключить провода и кабели, выполненные из алюминия. Ведь согласно новых норм ПУЭ от 2001 года, такой материал в электропроводках жилых зданий запрещен.

Таблица экономической плотности тока

  • Но эти таблицы можно применять для не самых мощных линий. При расчётах межсистемных высоковольтных линий с напряжением в 330кВ и выше, опираться на эти таблицы нельзя. В этом случае используют таблицу 1.3.36 ПУЭ, которая позволяет выбрать сечение проводников, исходя из экономической плотности тока.
Читайте также:  Электрические цепи переменного тока основные характеристики

Из этого видео Вы узнаете о требованиях к проводникам.

Использование нагрева материалов при прохождении тока на практике

Но далеко не всегда нагрев проводников электрическим током является негативным фактором. Люди научились применять этот закон и себе на пользу. И примеров такого применения масса. Мы приведем лишь некоторые из них.

Простейшая электрическая печь

  • Самым первым и самым распространенным, является применение закона Джоуля-Ленца в электрических печах, нагревателях и фенах. Для этого, в качестве проводника, сознательно устанавливается материал с большим сопротивлением. При протекании через него тока выделяется большое количество тепла, которое потом соответствующим образом используется человеком.
  • Еще одним способом применения этого закона, являются теплые полы в вашем доме или греющие кабели, которые применяют в строительстве и канализационных системах. Для них так же сознательно применяется проводник с высоким сопротивлением.

Лампа накаливания

  • И даже лампочка «Ильича» отчасти использует этот закон. Только тут материал подбирается не только исходя из сопротивления, но и из яркости свечения в нагретом состоянии.
  • Но нагревание электрическим током проводников нашло свое применение и в электроэнергетике. Все вы наверняка сталкивались с предохранителями. Суть данного защитного устройства сводится к тому, что в емкость с условно неизменными параметрами помещают проводник определенного сечения. При протекании через этот проводник тока больше допустимого, он перегорает, и тем самым обесточивает защищаемую сеть.

Принцип работы предохранителя

И это только несколько примеров на скорую руку. На самом деле их на порядок больше. Поэтому нагрев проводников при протекании по ним электрического тока это далеко не всегда «зло».

Вывод

Мы очень надеемся, что теперь вы знаете, как можно объяснить нагревание проводника электрическим током, и понимаете сам процесс. Так же вы должны понимать, с чем связаны определенные ограничения при выборе сечения проводников, и не будет ли слишком велика цена игнорирования этих правил.

Ведь все из них основаны на реальных практических и научных обоснованиях, а электротехника очень жестоко наказывает тех, кто их игнорирует.

Источник

Температура проводника с током

Дата публикации: 12 февраля 2015 .
Категория: Статьи.

Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу). Температура нагрева проводника будет повышаться до тех пор, пока количество тепла, получаемое проводником, не станет равным количеству тепла, отдаваемому проводником окружающей среде. Температура нагрева проводника зависит от тока в проводнике, сечения и материала проводника и условий охлаждения. При заданных токе и материале проводника температура нагрева не зависит от его длины, так как чем больше длина, тем больше поверхность охлаждения.

Если выбрать проводник из определенного материала и поместить его в определенные условия охлаждения, то нагрев такого проводника током будет больше, чем больше плотность тока в самом проводнике.

В целях экономии материала стараются пропустить по проводнику наибольший ток, но для каждого проводника существует температура, выше который проводник нельзя нагревать по ряду причин. Так, например, проводники, имеющие в качестве изоляции резину и хлопчатобумажную оплетку, в целях предохранения изоляции от порчи не должны нагреваться выше 50 °С. Поэтому в зависимости от сечения проводники выбирают на определенную плотность тока. Например, наибольшая допустимая плотность тока для изолированных проводов и кабелей, проложенных не в земле, в зависимости от сечения, показана в таблице 1.

Допустимая плотность тока для изолированных медных проводов

Сечение в мм² Ток в А Плотность тока в А/мм² Сечение в мм² Ток в А Плотность тока в А/мм²
0,75
1
1,5
2,5
4
6
10
16
25
35
13
15
20
27
36
46
68
92
123
152
17,4
15,0
13,3
10,8
9,0
7,7
6,8
5,7
4,9
4,3
50
70
95
120
150
185
240
300
400
192
242
292
342
392
450
532
614
737
3,8
3,5
3,1
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8

Как видно из таблицы, плотность тока с увеличением сечения проводников уменьшается. Это объясняется тем, что проводники небольших сечений, нагреваясь отдают свое тепло окружающей среде, в то время как внутренние слои проводника большого сечения, нагреваясь, свое тепло могут передавать только соседним слоям проводника, которые сами уже нагреты.

Неизолированные («голые») провода благодаря лучшему охлаждению допускают большие величины плотности тока (таблица 2).

Допустимая плотность тока для изолированных проводов

Сечение в мм² В закрытом помещении На воздухе
ток в А плотность тока в А/мм² ток в А плотность тока в А/мм²
4
6
10
16
25
35
50
70
95
57
73
103
130
165
210
265
340
410
14,2
12,2
10,3
8,1
6,6
6,0
5,3
4,8
4,3
58
76
108
150
205
270
335
425
510
14,5
12,6
10,8
9,4
8,2
7,7
6,7
6,1
5,4

Следует отметить, что если медный изолированный провод сечением 25 мм² допускает ток 123 А, то сечение алюминиевого провода при том же токе нужно брать не 25 мм², а в 1,5 раза больше, так как иначе провод будет перегреваться вследствие большого удельного сопротивления алюминия.

Энергия электрического тока, расходуемая на нагревание проводов, теряется бесполезно. Поэтому при расчете проводов тепловые потери стараются свести не более чем к 5 – 10 % от всей энергии.

Но не всегда нагрев проводника является нежелательным. Тепловые действия электрического тока имеют многочисленное практическое применение, и тепло, выделяемое током, проходящим по проводнику, часто стараются получить в большом количестве. В следующих статьях описаны некоторые случаи практического применения тепловых действий тока.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Источник



Нагревание проводников током

Так как количество тепла, выделяемое током при прохождении его по проводнику пропорционально времени, то температура проводника должна бы непрерывно возрастать, пока по проводнику идет ток. На самом же деле при продолжительном пропускании тока по проводнику устанавливается некоторая постоянная температура, хотя в этом проводнике продолжается непрерывное выделение тепла.

Трехжильный электрический кабель

Объясняется это явление тем, что всякое тело, температура которого выше температуры окружающей среды, отдает тепловую энергию в окружающую среду благодаря тому, что:

во-первых, само тело и тела, соприкасающиеся с ним, обладают теплопроводностью ;

во-вторых, слои воздуха, прилегающие к телу, нагреваются, подымаются вверх и уступают место более холодным слоям, которые опять нагреваются, и т. д. (конвекция тепла) ;

в-третьих, благодаря тому, что нагретое тело излучает в окружающее пространство темные, а иногда и видимые лучи, затрачивая на это часть своей тепловой энергии (лучеиспускание).

Все перечисленные потери тепла тем больше, чем больше разность температур тела и окружающей среды. Поэтому, когда температура проводника сделается настолько высокою, что все количество тепла, отдаваемое проводником в окружающее пространство в единицу времени, будет равно количеству тепла, выделяемому в проводнике каждую секунду электрическим током, то температура проводника перестанет возрастать и сделается постоянной.

Потеря тепла проводником при прохождении по нем тока слишком сложное явление для того, чтобы зависимость температуры проводника от всех обстоятельств, влияющих на скорость охлаждения тела, может быть получена теоретическим путем.

Некоторые выводы, однако, могут быть сделаны на основании теоретических соображений. Между тем вопрос о температуре проводников имеет большое практическое значение, при всех технических расчетах сети, реостатов, обмоток и т. п. Поэтому в технике пользуются эмпирическими формулами, правилами и таблицами, дающими зависимость между сечениями проводников и допустимой силой тока при различных условиях, в которых находятся проводники. Некоторые качественные соотношения можно предвидеть и легко установить опытным путем.

Электрический кабель в кабель-канале

Очевидно, что всякое обстоятельство, которое уменьшает влияние одной из трех причин охлаждения тела, повышает температуру проводника. Укажем некоторые из таких обстоятельств.

Неизолированный прямолинейный проводник, натянутый горизонтально, имеет более низкую температуру, чем такой же проводник при той же силе тока в вертикальном положении, так как во втором случае нагретый воздух поднимается вдоль проводника, и замена нагретого воздуха холодным происходит более медленно, чем в первом случае.

Проводник, свернутый в спираль, нагревается гораздо больше, чем такой же проводник при той же силе тока, вытянутый в прямую линию.

Проводник, покрытый слоем изоляции, нагревается сильнее, чем не изолированный, так как изоляция всегда дурной проводник тепла, и температура на поверхности изоляции гораздо ниже температуры проводника, поэтому охлаждение этой поверхности потоками воздуха и излучением гораздо меньше.

Если проводник поместить в водород или светильный газ, обладающие большей теплопроводностью, чем воздух, то температура проводника при той же силе тока будет ниже, чем в воздухе. Наоборот, в углекислоте, теплопроводность которой меньше, чем у воздуха, проволока нагревается сильнее.

Если проволоку поместить в пустоту (вакуум), то конвекция тепла совершенно прекратятся, и нагревание проволоки будет значительно больше, чем в воздухе. Этим пользуются при устройстве лампочек накаливания.

Нагрев проводника электрическим током

Вообще, охлаждение проводников потоками воздуха имеет главное значение среди других факторов охлаждения. Всякое увеличение поверхности охлаждения понижает температуру проводника. Поэтому пучок тонких параллельных проводников, не соприкасающихся друг с другом, охлаждается гораздо лучше, чем толстый проводник такого же сопротивления, сечение которого равно сумме сечений всех проволок пучка.

Чтобы приготовить реостаты сравнительно малого веса, применяют в качестве проводников очень тонкие полоски металла, гофрируя их для уменьшения длины.

Так как количество тепла, выделяемое током в проводнике, пропорционально сопротивлению его, то в случае двух проводников одинакового размера, но различного вещества, тот проводник, удельное сопротивление которого больше, нагревается до более высокой температуры.

Уменьшая сечение проводника, можно увеличить сопротивление его настолько, что температура его достигнет температуры плавления. Этим пользуются для предохранения сети и приборов от порчи токами большей силы, чем та, на которую приборы и сеть рассчитаны.

Для этого в цепь проводов вводят так называемые плавкие предохранители, представляющие собою короткие проводники из легкоплавкого металла (серебра или свинца). Сечение этого проводника рассчитывают так, чтобы при некоторой определенной силе тока этот проводник расплавился.

Плавкий предохранитель

Данные, которые даются в справочных таблицах относительно поперечного сечения предохранителей на различные силы токов, относятся к предохранителям, длина которых не менее определенных размеров.

Очень короткий предохранитель охлаждается лучше, чем длинный, вследствие хорошей теплопроводности медных зажимов, с которыми он соединен и, следовательно, плавится при несколько большей силе тока. Кроме того длина предохранителя должна быть такова, чтобы при расплавлении его между концами проводов не могла образоваться электрическая дуга. Таким образом наименьшая длина предохранителя определяется в зависимости от напряжения сети.

Источник

Тепловое действие тока, плотность тока и их влияние на нагрев проводников

Под тепловым действием электрического тока понимают выделение тепловой энергии в процессе прохождения тока по проводнику. Когда через проводник проходит ток, образующие ток свободные электроны сталкиваются с ионами и атомами проводника, нагревая его.

Выделяемое при этом количество теплоты можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца, который формулируется так: количество теплоты, выделяемое при прохождении электрического тока через проводник, равно произведению квадрата тока, сопротивления данного проводника и времени прохождения тока через проводник.

Закон Джоуля-Ленца

Приняв ток в амперах, сопротивление в омах, а время в секундах, получим количество теплоты в джоулях. А учитывая что произведение тока на сопротивление — есть напряжение, а произведение напряжения на ток — мощность, в результате оказывается, что количество выделенной теплоты в данном случае равно количеству электрической энергии, переданной данному проводнику во время прохождения по нему тока. То есть электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Получение тепловой энергии из электрической широко применяется с давних времен в различной технике. Электронагревательные приборы, такие как обогреватели, водонагреватели, электрические плиты, паяльники, электропечи и т. д., а также электросварка, лампы накаливания и многое другое используют именно этот принцип для получения тепла.

Электрическая плитка

Но в большом количестве электрических устройств нагрев, вызываемый током, вреден: электродвигатели, трансформаторы, провода, электромагниты и т. д. — в данных устройствах, не предназначенных для получения тепла, нагрев снижает их КПД, мешает эффективной работе, и даже может привести к аварийным ситуациям.

Для любого проводника, в зависимости от параметров окружающей среды, характерно определенное допустимое значение величины тока, при котором проводник заметно не нагревается.

Так, например, для нахождения допустимой токовой нагрузки на провода, используют параметр «плотность тока», характеризующий ток, приходящийся на 1 кв.мм площади поперечного сечения данного проводника.

Допустимая плотность тока для каждого проводящего материала в определенных условиях своя, она зависит от многих факторов: от вида изоляции, интенсивности охлаждения, температуры окружающей среды, площади поперечного сечения и т. д.

К примеру для электрических машин, где обмотки изготавливают, как правило, из меди, величина предельно допустимой плотности тока не должна превышать 3-6 ампер на кв.мм. Для лампы накаливания, а точнее для ее вольфрамовой нити, — не более 15 ампер на кв.мм.

Для проводов осветительных и силовых сетей предельно допустимая плотность тока принимается исходя из вида их изоляции и площади поперечного сечения.

Если материалом проводника служит медь, а изоляция резиновая, то при площади сечения, например, в 4 кв.мм допускается плотность тока не более 10,2 ампер на кв.мм, а если сечение 50 кв.мм, то допустимая плотность тока будет всего 4,3 ампера на кв.мм. Если же проводники указанной площади не имеют изоляции, то допустимые плотности тока будут соответственно 12,5 и 5,6 ампер на кв.мм.

Нагретые током электрические проводники

С чем же связано понижение допустимой плотности тока для проводников большего сечения? Дело в том, что проводники с существенной площадью поперечного сечения, в отличие от проводников малого сечения, имеют больший объем проводящего материала расположенного внутри, и получается что внутренние слои проводника сами окружены нагревающимися слоями, которые мешают отводу тепла изнутри.

Чем больше площадь поверхности проводника по отношению к его объему, — тем большую плотность тока способен выдержать проводник не перегреваясь. Неизолированные проводники допускают нагрев до более высокой температуры, так как от них тепло отводится прямо в окружающую среду, изоляция этому не препятствует, и охлаждение происходит быстрее, поэтому для них допускается более высокая плотность тока чем для проводников в изоляции.

Если превысить допустимый для проводника ток, он начнет перегреваться, и в какой-то момент его температура окажется чрезмерной. Изоляция обмотки электродвигателя, генератора или просто проводки, может в таких условиях обуглиться или загореться, что приведет к короткому замыканию и пожару. Если же говорить о неизолированном проводе, то он при высокой температуре может просто расплавиться и разорвать цепь, в которой служит проводником.

Электродвигатель на экране тепловизора

Превышение допустимого тока принято предотвращать. Поэтому в электрических установках обычно принимают специальные меры с целью автоматического отключения от источника питания той части цепи или того электроприемника, в котором случилась перегрузка по току или короткое замыкание. Для этого служат автоматические выключатели, плавкие предохранители и другие устройства, несущие аналогичную функцию — разорвать цепь при перегрузке.

Из закона Джоуля-Ленца следует, что перегрев проводника может произойти не только из-за превышения тока через его поперечное сечение, но и из-за более высокого сопротивления проводника. По этой причине для полноценной и надежной работы любой электрической установки крайне важно сопротивление, особенно в местах соединения друг с другом отдельных проводников.

Электрическое соединение жил кабеля с помощью клеммника

Если проводники соединены не плотно, если их контакт друг с другом не качественный, то сопротивление в месте соединения (так называемое переходное сопротивление в месте контакта) окажется выше чем для цельного участка проводника той же длины.

В результате прохождения тока через такое некачественное, не достаточно плотное соединение, место данного соединения будет перегреваться, что чревато возгоранием, выгоранием проводников или даже пожаром.

Чтобы этого избежать, концы соединяемых проводников надежно зачищают, облуживают и оснащают кабельными наконечниками (впаивают или прессуют) или гильзами, которые обеспечивают запас на переходное сопротивление в месте контакта. Такие наконечники можно плотно закрепить на клеммах электрической машины при помощи болтов.

К электрическим аппаратам, предназначенным для включения и выключения тока, также применяют меры по уменьшению переходного сопротивления между контактами.

Источник