Teorie výpočtu
Průchodem proudu se vodic otepluje. Při odvozování vzorce pro kontrolu
minimálního průřezu při teplení zkratovým proudem, sepíšeme rovnici pro jeden
element vodice.
1. Teplo vznikající v elementu Jouleovými ztrátami dQ1
2. Do elementu se přivádí teplo z vedlejšího elementu dQ2
3. Do vedlejšího elementu odvádíme teplo dQ3 - vedením
4. Do okolí se odvádí z elementu teplo dQ4 – sálání, přestup
Celkové teplo dQ v elementu můžeme vyjádřit rovnicí:
Jelikož teplo z hlavního elementu odvádíme dosazujeme do rovnice dQ4 a dQ3 se
zápornými znaménky. Jednotlivé elementy můžeme dále rozepsat.
1. Teplo vzniklé činným odporem vodiče – Jouleovy ztráty - dQ1
3. Teplo odvedené vedením do vedlejšího elementu – dQ3
4. Množství tepla, odvedené sáláním a prouděním z plochy elementu do okolí
µ - je ochlazovací konstanta značící množství tepla, které je odvedené sáláním
a prouděním z plochy 1m2 za 1 sec. Když rozdíl teplot tělesa a okolního
media je 1°C
S – je povrch ochlazovaného tělesa v m2, tedy pro element o délce dx je
S=o.dx, kde o je obvod vodiče
Dosazením do první rovnice získáme celkové oteplení elementu vodiče
Jestliže je specifické teplo c ke zvýšení teploty o je zapotřebí tepla
Porovnáním obou rovnic a vydělením dxdt dostaneme základní rovnici pro oteplování
Pro dlouhý, homogenní vodič ve stejném prostředí, protékaný po celé délce stejným proudem můžeme předpokládat konstantní rozložení teploty, takže
Po dosazení se nám rovnice takto zjednoduší
Při řešení této rovnice při počáteční podmínce t = 0 je
Jelikož tk (zkratová doba) je krátká, neuvažujeme, že teplo vyvinuté zkratovým proudem se odvede sáláním a prouděním z vodiče do okolí, takže μ = 0. Pak má rovnice tento tvar
Z rovnic vyjádříme S – To je minimální průřez vodiče pro zadané parametry. Tento vztah je také uveden v normě ČSN 38 1754
Ve vztahu jsou parametry c a ρ obecné provozní teploty, které je nutné přepočítat na určitou základní teplotu, pro kterou je možné tyto hodnoty nalézt v tabulkách. Po přepočtení je vzorec pro k v takovémto tvaru. Tento tvar je rovněž uveden v normě ČSN 38 1754.
S – minimální průřez vodiče
Ike – ekvivalentní zkratový proud určený pro dobu trvání zkratu tk
tk – doba trvání zkratu
k - koeficient respektující teplotu před zkratem, po zkratu a fyzikální vlastnosti vodiče
Materiál | θ1 | θk |
Polyvinylchlorid Měkčený | 70 | 180 |
Napušťený papír normální | 80 | 200 |
Napušťený papír nemigrující | 30 | 300 |
Skleňené vlákno | 130 | 300 |
Polyetylén | 70 | 130 |
Polypropylén | 200 | 250 |
Materiál | θf | ρ20 | c0 |
Cu | 234.5 | 0.01786 | 3.5 |
Al | 230 | 0.0294 | 2.417 |
Fe | 222 | 0.143 | 3.77 |