Одним из наиболее распространенных элементов в шинопроводах являются болтовые контактные соединения неизолированных плоских токопроводящих шин. Критический перегрев необратимо может привести к окислению контактных поверхностей, что приводит к увеличению потерь энергии и ухудшению свойств контактного соединения. Один из способов снизить рабочую температуру шин без изменения их поперечного сечения является увеличение площади теплоотдающей поверхности, что приводит к увеличению теплоотдачи и повышению пропускной способности допустимого длительного тока [1, с. 22]. Пылевые отложения на поверхности токопроводящих шин оказывают негативное влияние на их тепловой режим. Когда на поверхности шины формируется слой пыли, он создает дополнительное термическое сопротивление на пути отвода тепла от проводника в окружающую среду. В результате тепло не рассеивается в окружающую среду, что приводит к ее перегреву.

Целью работы являлась оценка влияния рифления поверхности плоских неизолированных токопроводящих шин на их пропускную способность в условиях запыленности, когда условия теплоотдачи изменяются.

Вычислительная модель базируется на дифференциальном уравнении теплопроводности, задаваемыми краевыми условиями [2, с. 29]. Для трехмерных объектов со сложной конфигурацией математическая модель решается методом конечных элементов. Значения температуры вычисляются в точках (узлах), которые образуют расчетную сетку, повторяющую форму деталей [3]. В разработанной модели две шины соединяются внахлест и скрепляются парой болтов [4, с. 6]. При выполнении вычислительного эксперимента рассмотрены два варианта: соединение неизолированных плоских электротехнических шин типовой конструкции; соединение шин с накаткой, при которой площадь боковой поверхности увеличивается за счет формирования микрорельефа. В обоих случаях моделирования шина выполнена из алюминиевого сплава 1060-Н16 сечением 50×5 мм.

Для количественной оценки влияния пылевого слоя на теплоотвод от поверхности шины введем его термическое сопротивление:

, (1)

где R - термическое сопротивление слоя пыли, (м²·К)/Вт; δ - толщина слоя пыли, м; λгр - коэффициент теплопроводности пыли, Вт/(м∙К).

Допустимый ток Iгр при наличии слоя пыли должен обеспечивать такой же нагрев (температуру поверхности Tч=Tгр), как и допустимый длительный ток чистой поверхности Iном [5]:

, (2)

где αч - коэффициент теплоотдачи чистой шины, Вт/(м2∙К).

При снижении длительно допустимого тока до величины Iгр мощность потерь Pгр уменьшается относительно потерь на чистой шине Pч:

. (3)

Эта же мощность рассеивается через пылевой слой:

. (4.1)

Аналогично для чистой шины:

. (4.2)

Учитывая, что для длительной эксплуатации температура шины ограничивается предельным допустимым значением [1], то (Tч-Tос) = (Tгр-Tос). Отсюда:

. (5)

Из уравнений (3), (5) получаем зависимость коэффициента теплоотдачи загрязненной шины от толщины слоя пыли δ через R и Iгр (по (1), (2)):

. (6)

Выполняем расчет (моделирование в SolidWorks [6]) для различных толщин пыли при неизменном тепловыделении (ток Iном = 665 А). В результате для выбранных размеров и режима эксплуатации (αч=15Вт/(м2∙К); λгр=0,07Вт/(м∙К); при δ=0,5мм αгр=14,25Вт/(м2∙К)) получаем распределение температуры по узлам модели (рис. 1, 2).

Рисунок 1 – Распределение температуры по узлам модели в соединении шин с рифлением поверхности: а - без запыленности; б - при отложении пыли 0,5 мм

Рисунок 2 – Распределение температуры по узлам модели в соединении шин с гладкими поверхностями: а - без запыленности; б - при отложении пыли 0,5 мм

С увеличением толщины слоя пыли при неизменном тепловыделении (ток Iном=665А) температура на поверхности шины монотонно возрастает. Видно, что применение в зоне контакта накатки позволяет снизить максимальный нагрев на 5 °C во всем диапазоне запыленности (рис. 3). Наиболее интенсивный рост температуры наблюдается при толщине пыли свыше 3 мм, где нагрев гладкой шины превышает 85 °C, что недопустимо для длительной работы.

Рисунок 3 – Зависимость максимальной температуры нагрева токопроводящей шины от толщины слоя пыли на ее поверхности

Накатка (оребрение) позволяет снизить температуру в зоне контакта на 5% (для чистой шины). Предельно допустимое значение температуры алюминиевой шины для длительной эксплуатации (90°С) достигается для гладкой шины при толщине пыли 4мм [7,с.451]. Для шины с оребрением расширение пропускной способности обеспечивается 2% запасом предельно допустимой длительной температуры.

Результаты моделирования с помощью трехмерной модели соединения алюминиевых шин 50×5 мм при неизменном тепловыделении (ток Iном = 665 А) показывают, что запыленность является значимым эксплуатационным фактором, который необходимо учитывать как при проектировании шинопроводов. Рифление контактной зоны повышает теплоотдачу, но не устраняет необходимость контроля запыленности - нагрев выше 80 °C достигается уже при толщине пыли более 3 мм.