Θερμική Συμπεριφορά Στατικών Ηλεκτρικών Επαφών Υπό Συνεχές Ή Κεραυνικό Ρεύμα

Abstract

ΠΕΡΙΛΗΨΗΣτατικές ηλεκτρικές επαφές θεωρούνται εκείνες που δεν έχουν ισχύ διακοπής, δηλαδή που μπορούν να χειρίζονται μόνο όταν το κύκλωμα έχει τεθεί εκτός τάσης μέσω ενός διακόπτη. Στην εργασία αυτή γίνεται μία πειραματική και θεωρητική διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς των στατικών ηλεκτρικών επαφών μόνιμων και λυόμενων ηλεκτρικών συνδέσμων καθώς και συνδυασμών αυτών, συμπεριλαμβανομένων και των αγωγών τροφοδοσίας, υπό την επίδραση συνεχούς ή εναλλασσόμενου ή κεραυνικού ρεύματος. Σχετικά με τη θεωρητική διερεύνηση της θερμικής συμπεριφοράς υπό ονομαστικό συνεχές ρεύμα του συνδυασμού ``στατική ηλεκτρική επαφή-αγωγοί τροφοδοσίας`` διατυπώθηκε η μερική διαφορική εξίσωση της αύξησης της διαφοράς θερμοκρασίας ως συνάρτηση της απόστασης x από τον σύνδεσμο και του χρόνου λειτουργίας t, η οποία δύναται να εφαρμοσθεί σε όλες τις περιπτώσεις τις σχετιζόμενες με την επίδραση και τη μετάδοση θερμότητας. Η μερική διαφορική εξίσωση της αύξησης της διαφοράς θερμοκρασίας εφαρμόσθηκε σε αυτόματους διακόπτες διπλών ηλεκτρικών επαφών και οδήγησε σε σχέσεις, οι οποίες εκφράζουν την κατανομή της θερμοκρασίας, στη σταθερή κατάσταση, δύο στατικών ηλεκτρικών επαφών επί αγώγιμης γέφυρας και των αγωγών τροφοδοσίας. Έτσι κατέστη δυνατή η ταυτόχρονη περιγραφή της θερμικής αλληλεπιβάρυνσης των δύο ηλεκτρικών επαφών μεταξύ τους αλλά και σε εξάρτηση της επίδρασης των αγωγών τροφοδοσίας. Οι σχέσεις είναι γενικές και ισχύουν και για διαφορετικά υλικά και διάφορες διαστάσεις των αγωγών και της αγώγιμης γέφυρας. Επίσης, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε ηλεκτρικές επαφές των πρακτικών εφαρμογών, προκειμένου να επαληθευτούν τα αποτελέσματα των προτεινόμενων μαθηματικών σχέσεων. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσίασαν ικανοποιητική ταύτιση με τα θεωρητικά. Συνολικά διαπιστώθηκε ότι μόνο η μείωση της διατομής των αγωγών επιφέρει μια σημαντική αύξηση της θερμοκρασίας. Η επίδραση της διατομής της γέφυρας είναι ελάχιστη. Οι αγωγοί τροφοδοσίας ενός ή περισσοτέρων ηλεκτρικών συνδέσμων εν σειρά λειτουργούν σαν ψυκτικά μέσα των κύριων ηλεκτρικών επαφών. Η διατομή των αγωγών είναι καθοριστικός παράγοντας, όσον αφορά στο ρυθμό απαγωγής της θερμότητας και άρα στην υπερθέρμανση των συνδέσμων, επηρεάζοντας τους μηχανισμούς φθοράς και γήρανσης των επαφών. Σχετικά με τη θερμική συμπεριφορά των συνδυασμών ``μόνιμων ηλεκτρικών συνδέσμων-αγωγών τροφοδοσίας`` υπό την επίδραση του κεραυνικού ρεύματος πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις , σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, τόσο στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων του Τομέα Ηλεκτρικών Διατάξεων & Συστημάτων Αποφάσεων του ΕΜΠ με κρουστικό ρεύμα μέγιστης τιμής 100 KA, όσο και στο εργαστήριο Υψηλών Τάσεων, Αντικεραυνικής Προστασίας και Ηλεκτρομαγνητικής Συμβατότητας (ΒΕΤ) στο Menden Γερμανίας με κεραυνικό ρεύμα της μορφής 10/350μsec και διάφορων μέγιστων τιμών (100, 150 και 200KA). Τα θεωρητικά αποτελέσματα εναρμονίζονται ικανοποιητικά με τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Σχετικά με το θερμικό φαινόμενο σε μόνιμους ηλεκτρικούς συνδέσμους και αγωγούς τροφοδοσίας, υπό κεραυνικό ρεύμα, διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας καθορίζεται, ως επί το πλείστον, από την ωμική αντίσταση των αγωγών τροφοδοσίας. Ο υπολογισμός έγινε με την παραδοχή ομογενούς κατανομής της πυκνότητας του κεραυνικού ρεύματος και λαμβάνοντας υπόψη το βάρος, το υλικό και τη γεωμετρία του λυόμενου στατικού συνδέσμου. Στο εργαστήριο της (ΒΕΤ) πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις με κεραυνικό ρεύμα της μορφής 10/350μsec τόσο σε συνδυασμούς ``μόνιμων ηλεκτρικών συνδέσμων-αγωγών τροφοδοσίας``, όσο και σε αγωγούς ξεχωριστά. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζουν επίσης μια ικανοποιητική ταύτιση με τα θεωρητικά.Η γραφική παράσταση της κατανομής της πυκνότητας του ρεύματος σε κυλινδρικούς αγωγούς κατέστησε εμφανές το μεταβατικό επιδερμικό φαινόμενο. Διαπιστώνεται ότι οι αποκλίσεις της αύξησης της θερμοκρασίας βάσει των διάφορων αποτελεσμάτων τόσο των πειραματικών όσο και των θεωρητικών για την περίπτωση ομογενούς κατανομής του κεραυνικού ρεύματος όσο και για την περίπτωση στην οποία λαμβάνεται υπόψη το μεταβατικό επιδερμικό φαινόμενο, είναι ελάχιστες. Η επίδραση του μεταβατικού επιδερμικού φαινομένου στην αύξηση της θερμοκρασίας των αγωγών κατά την καταπόνησή τους με κεραυνικό ρεύμα θεωρείται αμελητέα. Η αύξηση της θερμοκρασίας δύναται να εκφρασθεί, με ικανοποιητική ακρίβεια, από τη σχέση η οποία ισχύει υπό την παραδοχή ομογενούς κατανομής της πυκνότητας ρεύματος. Η επίδραση του μεταβατικού επιδερμικού φαινομένου παραμένει όμως να είναι σημαντική, ιδιαίτερα, για μεγάλες διατομές αγωγών στις οποίες η κατανομή της πυκνότητας ρεύματος καλύπτει μόνο στρώματα πλησίον της επιφάνειας. Με την αύξηση της διατομής του αγωγού το μεταβατικό επιδερμικό φαινόμενο γίνεται ισχυρότερο.