Кратко — какие процессы и как влияют, с формулами и инженерными мерами.
1) Физические процессы, приводящие к локальному перегреву и пробою
- Локальное увеличение сопротивления (дефект проводника, плохой контакт в соединении, пустота/включение в изоляции, механическое повреждение) → локальное увеличение джоулева тепла $P=I^{2}R$.
- Повышение температуры вызывает деградацию и/или термическое разложение изоляции, образование газов и углеродных каналов (карбонизация) — уменьшается диэлектрическая прочность и возможны частичные разряды (PD), образование электрической дуги и окончательный пробой.
- При сильном нагреве металл теряет механическую прочность и может деградировать контакт (повышается контактное сопротивление) — замыкающий положительная обратная связь (термический разгон).
- При пробое возможна локальная дуга, плавление и дальнейшее понижение сопротивления пути дуги, пожар.
2) Роль температурной зависимости сопротивления и теплового отвода
- Для металлов обычно $R(T)=R_0[1+\alpha (T-T_0)]$ ($\alpha >0$). Тогда при фиксированном токе $I$ тепловая генерация растёт с $T$: $P(T)=I^{2}R(T)$.
- Тепловой баланс (упрощённо, объёмный элемент): $\rho c\frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T)+q$, где $q=I^{2}R$ — удельная генерация, $k$ — теплопроводность, $\rho$ плотность, $c$ теплоёмкость.
- Устойчивость температурного состояния: генерация должна возрастать с $T$ медленнее, чем отвод тепла. Условие устойчивости (приближённо, при линейном теплоотводе $Q_{out}\approx hA(T-T_0)$):
$$\frac{d}{dT}(I^{2}R(T))<\frac{d}{dT}{Q}_{out}(T)\Rightarrow I^2{R}_0\alpha <hA.$$ Отсюда критический ток:
$$I_{\text{crit}}=\sqrt{\frac{hA}{R_0\alpha }}.$$ Если $I>I_{\text{crit}}$, малое повышение $T$ даёт больше генерации, чем отвода — возможен термический разгон (runaway).
- Временные масштабы задаются тепловой диффузией: тепловая диффузивность $a=\frac{k}{\rho c}$, характерное время для пятна размера $\ell$: $\tau \sim \frac{{\ell }^2}{a}$. Мелкий локальный дефект нагревается и остывает быстрее, но при большом токе может быстро перегреться до разрушения изоляции.
3) Инженерные меры предотвращения аварии
- Конструктивные меры:
- увеличивать сечение проводника (меньшее $R_0$), использовать материалы с низким $\rho$ (медь), снижать $\alpha$ при возможности;
- надёжные, правильно затянутые контакты и соединения, плазменная/вакуумная пропайка, прессованные/спрессованные концы, обработка поверхностей (удаление окислов) — минимизация контактного сопротивления;
- конструкция, исключающая пустоты и газовые включения в изоляции (вакуумная/масляная пропитка, герметизация);
- экранирование и выравнивание поля (семiconducting screens, градуирующие слои), использование изоляций с высокой термостойкостью и стойкостью к карбонизации.
- Теплоотвод:
- улучшение теплопроводности оболочек и термоконтактов, тепловые шунты, использование оболочек/заполнителей с высоким $k$;
- в тяжёлых установках — активное охлаждение (маслом, водой).
- Мониторинг и защита:
- датчики температуры и термографии, дистанционный мониторинг горячих точек;
- мониторинг частичных разрядов, вибрации, антикоррозионный контроль соединений;
- защитные реле по току/температуре, автоматическое отключение при перегрузке или при обнаружении роста локальной температуры/PD.
- Монтаж и эксплуатация:
- соблюдение моментов затяжки, контроль качества сварки/пайки, правильная укладка и радиусы изгиба, регулярная профилактика и инспекции.
- Противопожарные меры: противопожарные оболочки, ограничение токов короткого замыкания, быстрые защитные устройства.
Краткий итог: локальный перегрев — это результат положительной обратной связи: дефект → рост R → $I^{2}R$↑ → $T$↑ → ухудшение контакта/изоляции → ещё больше $R$ и деградация. Противодействуют этому снижение исходного сопротивления и $\alpha$, повышение теплоотвода, качественные соединения/изоляция, мониторинг и быстрые защитные отключения.