電氣發(fā)熱及計(jì)算

1、電 氣 發(fā) 熱 與 計(jì) 算,主講人：陳磊,主要內(nèi)容,發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的影響； 導(dǎo)體的長時(shí)發(fā)熱與散熱； 導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱與散熱；,第一節(jié) 發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的影響,載流導(dǎo)體運(yùn)行中的工作狀態(tài)載流導(dǎo)體工作中的損耗 電阻損耗 磁滯、渦流損耗 介質(zhì)損耗,發(fā)熱對(duì)導(dǎo)體和電氣的不良影響機(jī)械強(qiáng)度下降絕緣性能降低導(dǎo)體接觸部分性能變壞,電阻損耗,輸電線或電磁線圈的導(dǎo)體本身及連接處都有電阻存在，當(dāng)電流流過時(shí)，就會(huì)電阻損耗，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?P

2、=KfjI2R,交流電阻：電阻系數(shù)與溫度的關(guān)系： —— 時(shí)的電阻系數(shù)；當(dāng),,,Kfj——附加損耗系數(shù)，考慮交變電流集膚效 應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響；集膚效應(yīng) 鄰近效應(yīng),,集 膚 效 應(yīng),當(dāng)交變電流流過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍變化的磁場也要在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使沿導(dǎo)線截

3、面的電流分布不均勻。尤其當(dāng)頻率較高時(shí)，此電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的一薄層中流動(dòng)，這就是所謂的集膚效應(yīng)現(xiàn)象。,鄰近效應(yīng),相鄰導(dǎo)線流過高頻電流時(shí),由于電磁作用使電流偏向?qū)Ь€一側(cè)分布的特性,稱為鄰近效應(yīng)。 若兩根導(dǎo)線流過的電流方向相反，則相鄰近的一側(cè)電流密度比較大； 若兩根導(dǎo)線流過的電流方向相同，則相鄰的一側(cè)電流密度較小，相反的一側(cè)電流密度較大。,,磁滯損耗,基本磁滯回線

4、 Br—— 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度； HC—— 矯頑力 這種B的變化滯 后于H變化的現(xiàn)象 稱為磁滯現(xiàn)象。,鐵磁質(zhì)物質(zhì)內(nèi)的磁感強(qiáng)度,外磁場強(qiáng)度,渦流損耗,減小渦流的方法,鐵 損,交變磁通在鐵心

5、中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗的和稱為鐵磁損耗，簡稱為鐵損。,,介質(zhì)損耗,電 介 質(zhì)—— 電氣絕緣材料； 介質(zhì)損耗—— 交流電場中的電介質(zhì)特性； 電導(dǎo)損耗+極化損耗； 電導(dǎo)損耗—— 由泄漏電流形成； 極化損耗—— 電介質(zhì)中的帶電粒子由于不 斷、反復(fù)的極化消耗的電能所 轉(zhuǎn)化成的熱能。,,金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系,,絕緣性能降低,絕緣材料的耐熱溫

6、度； 絕緣材料的壽命周期； 絕緣材料的允許溫度；,絕緣的耐熱溫度,絕緣材料的耐熱溫度： 該類材料所能承受而不致引起其機(jī)械特性、電氣特性和熱性能降低的最高工作溫度，也稱極限溫度。 按我國標(biāo)準(zhǔn)將絕緣材料按耐熱溫度分為七級(jí)，在該溫度下能工作20000h而不致?lián)p壞。,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,,最高允許溫度,最高允許溫度： 是用一定方法測定的電器元件的最熱溫度，在此溫度下，整個(gè)電器能保持連

7、續(xù)工作；允許溫度小于耐熱溫度；分為正常最高允許溫度和短路最高允許溫度，后者較高；電氣設(shè)備的允許溫度要考慮到它的最薄弱環(huán)節(jié)；短路最高允許溫度通常用來校驗(yàn)設(shè)備的熱穩(wěn)定性。,,導(dǎo)體接觸部分性能變壞,發(fā)熱使導(dǎo)體接觸面氧化，生成氧化層薄膜，接觸 電阻增大，增大的速度隨溫度的升高而成倍增長；使彈簧的彈力元件退火，壓力降低，接觸電阻增加；可能導(dǎo)致局部過熱火災(zāi)。,接觸電阻定義,當(dāng)兩個(gè)金屬導(dǎo)體以某種機(jī)械方式互相接觸時(shí)，在接觸區(qū)域所呈現(xiàn)的附

8、加電阻。,產(chǎn)生接觸電阻的原因： 1、 切面（接觸面）表面的凹凸不平，金屬實(shí)際接觸面積減小，使電流線在接觸面附近發(fā)生嚴(yán)重收縮現(xiàn)象； 2、 接觸面在空氣中可能迅速形成一層薄膜附著于表面，使電阻增大。,接觸電阻的組成,接觸電阻RJ由兩部分組成：（1）收 縮 電 阻——RS；（2）表面膜電阻 ——Rb；RJ= RS+Rb,收縮電阻,影響接觸電阻的因素,一、接觸形式 二、材料性質(zhì) 三、接觸壓力 四、接觸表面的光潔度 五

9、、觸頭密封結(jié)構(gòu) 六、腐蝕 七、溫度,第二節(jié) 導(dǎo)體的長時(shí)發(fā)熱與散熱,一、導(dǎo)體發(fā)熱單位長度導(dǎo)體，通過導(dǎo)體的電流為I 時(shí)，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量為：式中的 為交流電阻，可按下式計(jì)算：,二、導(dǎo)體散熱,熱傳導(dǎo)熱對(duì)流熱輻射,三、導(dǎo)體的正常溫升過程,導(dǎo)體溫度未達(dá)穩(wěn)定時(shí)，熱平衡方程： ——導(dǎo)體綜合散熱系數(shù) ，非常數(shù)； ——導(dǎo)體的有效散熱面積；

10、 ——導(dǎo)體對(duì)周圍環(huán)境的溫升， ；,上式可變?yōu)椋?解該常系數(shù)非齊次一階微分方程，可得： 其中： ——發(fā)熱時(shí)間常數(shù),用牛頓公式求導(dǎo)體發(fā)熱穩(wěn)定溫升牛頓公式： ——散熱功率；在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，線圈的發(fā)

11、熱應(yīng)等與其散熱，即:故可求得導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升：,均質(zhì)導(dǎo)體溫升曲線,四、導(dǎo)體長期允許電流,1、導(dǎo)體長期允許電流： ——導(dǎo)體長期允許電流； ——導(dǎo)體長期發(fā)熱允許溫度， ；,,,2、牛頓公式分析,根據(jù)牛頓公式變形 I2·R=Kzh·F· (?-?0),◆導(dǎo)體的載流量與導(dǎo)體運(yùn)行溫度有關(guān)，當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)行溫度確定，則導(dǎo)體載流量也

12、將確定。,◆同樣，當(dāng)環(huán)境溫度一定，在導(dǎo)體溫度給定條件下，對(duì)不同橫截面的導(dǎo)體，有一個(gè)最大載流量與之對(duì)應(yīng)。,3、提高導(dǎo)體載流量的方法,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,采用電阻率小的導(dǎo)體減小導(dǎo)體接觸電阻增加導(dǎo)體的橫截面積,3、提高導(dǎo)體載流量的方法,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,主要與導(dǎo)體幾何形狀有關(guān),3、提高導(dǎo)體載流量的方

13、法,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,合理布置導(dǎo)體加強(qiáng)自然通風(fēng)采取強(qiáng)迫冷卻導(dǎo)體表面涂漆,3、提高導(dǎo)體載流量的方法,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,采用耐熱絕緣材料,3、提高導(dǎo)體載流量的方法,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,采用耐熱絕緣材料,3、提高導(dǎo)體載流量的方法

14、,減小導(dǎo)體電阻R 增加導(dǎo)體散熱面積F 提高散熱系數(shù)Kzh 提高導(dǎo)體允許溫度?y,采用耐熱絕緣材料,我國導(dǎo)線電纜的額定電流，是按一定的環(huán)境溫度確定的（空氣中為25 ℃ ，地下15℃)，當(dāng)安裝地點(diǎn)的實(shí)際溫度與該環(huán)境溫度不一致時(shí)，必須對(duì)Iy給于修正,即：,?t：規(guī)定環(huán)境溫度（一般為25 ℃)?0：實(shí)際環(huán)境溫度,4、溫度的修正：,已知絕緣鋁導(dǎo)線橫截面S=25mm2，環(huán)境溫度?0 =25 ℃ ，其允許溫度?Y =65 ℃

15、，總放熱系數(shù) Kzh =18[w/m2·℃],電阻率?=0.028*10-6(?·m2/m),求 Iy=?,已知: Kzh、 ?y 、 ?0 ，S, ?,解：R= ?L/S F=2?rL r = （S/ ? ）1/2 F =2?（S/ ? ）1/2 L所以將各參數(shù)代入上式得：Iy=106.7A,如環(huán)境溫度?0=35 ℃ ，需修正：,(?

16、t=25℃),得修正值：Iyˊ=92.4A,例 題：,作業(yè)： 已知絕緣鋁導(dǎo)線橫截面S=25mm2，環(huán)境溫度?0 =25 ℃ ，其允許溫度?Y =65 ℃ ，總放熱系數(shù) Kzh =18[w/m2·℃],電阻率?=0.036(?·mm2/m),求 Iy=?,五、導(dǎo)體短路時(shí)發(fā)熱,（一）短路發(fā)熱時(shí)的特點(diǎn)（二）短路時(shí)導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性（三）短路及其危害,（一）短路發(fā)熱時(shí)的特點(diǎn),1、短路發(fā)熱是一個(gè)絕熱過程。

17、2、短路時(shí)導(dǎo)體溫度變化范圍大，導(dǎo)體的電阻和比熱（熱容）是溫度的函數(shù)。3、短路電流瞬時(shí)值id變化規(guī)律復(fù)雜。,短路時(shí)的熱平衡方程式,Id—短路電流有效值（A) R?--R?=?0（1+?? ） C?--C?= C0（1+?? ） m=?sl,（二）短路時(shí)導(dǎo)體熱穩(wěn)定性分析,1、熱穩(wěn)定性： 電器或?qū)w必須能承受短路電流的熱效應(yīng)而不致破壞的能力。2、當(dāng)?d≤ ?dy時(shí)，則認(rèn)為導(dǎo)體在短路時(shí)

18、是熱穩(wěn)定的，否則就應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如增加導(dǎo)體截面或限制短路電流等以保證?d≤ ?dy。一般未包絕緣的鋁導(dǎo)體?dy為2000C，銅導(dǎo)體為3000C。,3、工程應(yīng)用：熱穩(wěn)定性校驗(yàn)最小允許截面I∞ —— 短路電流C ——與導(dǎo)體有關(guān)的熱穩(wěn)定系數(shù)銅為175，鋁92Tj —— 短路電流的假想時(shí)間（s）,（三） 短路及其危害,概念 類型 原因 危害,概 念,短路故障： 電力網(wǎng)三相

19、導(dǎo)線中相與相或相與地之間的直接金屬性連接或經(jīng)小阻抗連接在一起。,,類 型,三相短路,兩相短路,單相短路接地,,原 因,絕緣因陳舊老化而損壞絕緣受機(jī)械損傷而損壞雷擊過電壓等自然災(zāi)害造成絕緣擊穿工作人員誤操作直接造成短路,主要是由于電氣裝置載流部分的絕緣遭到破壞,可能的因素有：,,危 害,,短路電流的熱效應(yīng),短路電流的電動(dòng)力效應(yīng),短路電流引起用戶電壓突然下降,短路電流的磁效應(yīng)(不對(duì)稱短路故障),破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,熱