第一章___電器導體發(fā)熱計算

1、電器學中南大學信息學院電氣工程系中南大學信息學院電氣工程系第一講 電器發(fā)熱計算 第二講 電器的電動力計算 第三講 電弧的基本特性 第四講 交流電弧的熄滅原理 第五講 開關電器典型滅弧裝置的工作原理 第六講 電接觸理論 第七講 電磁鐵的磁路計算 第八講 氣隙磁導的計算 第九講 磁路計算 第十講 電磁系統(tǒng)的吸力計算與靜特性l電器的允許溫升l電器中的熱源l電器中的熱傳遞形式l電器表面的溫升計算公式l各種工作制形式下的電器熱計算l短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性l電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布教學目的與要求：教學目的與要求： 掌握電器的溫升及電器中熱源的主要來源，熟悉電器的熱傳遞形式。 教學重點與難點：教

2、學重點與難點： 電器溫升與溫度的不同，電器中的熱源主要來自三個方面：電阻損耗；渦流與磁滯損耗；介質(zhì)損耗。教學基本內(nèi)容：教學基本內(nèi)容： 1、電器的允許溫升； 2、電器中的熱源； 3、電器中的熱傳遞形式。 據(jù)統(tǒng)計，2006年12月21日至2007年11月30日，武漢市共發(fā)生火災5111起，其中電器引發(fā)的火災2310起，占總數(shù)的45.20。一、三種損耗及其影響 二、電器各部件的極限允許溫升 三、電器極限允許溫升 四、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升 1、三種損耗：導體（銅）的阻抗損耗、交變電磁場在導磁體（鐵）中產(chǎn)生的磁滯與渦流損耗和絕緣材料的介質(zhì)損耗。 結(jié)果： 散失到周圍介質(zhì)； 其余用來加熱電器

3、。 2、嚴重后果：溫升超過極限允許溫升時降低了電器的機械強度和絕緣強度，導致材料老化、壽命降低。 結(jié)論：研究意義重大。二、電器各部件的極限允許溫升： 1、“電器各部件極限允許溫升”的定義： 電器各部件極限允許溫升=極限允許溫度-工作環(huán)境溫度 2、電器各部件的極限允許溫升制定依據(jù)： 絕緣不損壞；工作壽命不過分降低；機械壽命不降低（材料軟化）。 三、電器極限允許溫升 （按相關國家溫升試驗標準進行測量）： 1、電器中裸導體的極限允許溫升應小于材料軟化點 （機械性能顯著下降即軟化）； 2、對絕緣材料和外包絕緣的導體：其極限允許溫升的 大小由絕緣材料的老化和擊穿特性決定。四、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的

4、極限溫度： 產(chǎn)生熱源的三個主要方面：電阻（含接觸電阻）損耗、交流電器導磁材料的渦流和磁滯損耗，以及交流電器絕緣材料的介質(zhì)損耗。 一、電阻損耗 二、鐵磁損耗 三、介質(zhì)損耗 一、電阻損耗：也稱焦耳損耗。 1、計算公式： P=KfI2RKf:考慮集膚效應和鄰近效應的附加損耗系數(shù)，數(shù)值大 小為Kf=Kl*Kj (Kl為鄰近系數(shù)，Kj為集膚系數(shù))； R :電阻，100以內(nèi)時，R=0(1+)*l/ A 。2、集膚效應： 交變磁通在導體內(nèi)產(chǎn)生反電勢，中心部分的反電勢值比外表部分的大，導致導體中心的電流密度比外表部分小。 集膚效應的大小用電磁波在導體中的滲入深度b表示滲入深度b的大小為：b b 式中，：電阻率

5、；f：頻率；：磁導率。 由于b越小，集膚效應就越強。 由上式可知，當頻率f越高時，滲入系數(shù) b越小，則集膚效應越強。 3、集膚系數(shù)Kj： 式中，A：導體截面積；P：導體周長。 由此式知，f越高，集膚效應越強。（2 2） 矩形截面導體的矩形截面導體的KjKj值查表值查表1-21-2得。其中得。其中, , k ke e5、鄰近效應： 由于相鄰載流導體間磁場的相互作用，使兩導體內(nèi)產(chǎn)生電流發(fā)布不均勻的現(xiàn)象。鄰近效應與相鄰載流導體內(nèi)電流流向有關。 （1）電流同向：相鄰側(cè)感應的反電勢大些，故電流密度小些； （2）電流反向：相鄰側(cè)感應的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5。 100fR1-2 1-2 電器中

6、的熱源電器中的熱源 二、鐵磁損耗： 電器中的載流導體在附近的鐵磁零件中產(chǎn)生交變磁通，從而在鐵磁體中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。 1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源 2 估算實心鋼導體損耗曲線。 圖中，I：流過鋼導體的電流，P：導體截面周長，A：外表面積，f：電流頻率，Pm：鋼導體損耗。 1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源22tanpf C U三、介質(zhì)損耗： 絕緣材料在交變電場中的損耗與電場強度E和頻率f成比例，高壓電器一般要考慮此損耗。其大小為： 式中 p：介質(zhì)損耗功率； f：電場交變頻率； C：介質(zhì)的電容；U：外加電壓； tan：絕緣材料重要特征之一，與溫度、材料、工藝等有關。：介質(zhì)損耗

7、角； tan大時，介質(zhì)損耗也大。1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源電器散熱有三種形式，即 熱傳導、熱對流 和 熱輻射。 電器的熱損耗由它們散失到周圍。 一、熱傳導： 由質(zhì)點之間直接作用產(chǎn)生，存在于絕緣的液體、固體、氣體中。 1、熱流量cd： a、定義：熱流量cd是指單位時間內(nèi)通過給定面積的熱量，它與該處的溫度梯度grad（=d/dl）有關。 1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式=-gradcdSddlS ()cdPdivgrad 0(1)b b、計算公式為： 式中 ：材料熱導率，單位w/(mk)，是0度時的熱導率。 越大，物體的熱傳導能量越強，且有“金屬非金屬液氣”。 2、熱

8、傳導功率： 式中 div：向量，矢量； ：熱導率， = ，見圖1-8 “金屬和液體的熱導率與溫度的關系”。圖b）變壓器油的極低。1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式二、熱對流：只存在于流體中。通過粒子互相移動使熱能轉(zhuǎn)移，有自然對流和強迫對流兩種方式。 1、定義：自然對流：流體質(zhì)點因溫度升高而上升形成的對流； 強迫對流：質(zhì)點在外力作用下被迫流動形成的對流； 2、熱對流時，熱流量dl的計算： 式中 ： 對流時，發(fā)熱體與流體介質(zhì)的溫差； ：稱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或?qū)α魃嵯禂?shù)，W/(m2 K)； n： 與對流有關的非線性系數(shù)?？刹楸砬蟪?。1-3 1

9、-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式1rndlRS()dlPdiv c1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式三、熱輻射： 由電磁波傳播能量，不需直接接觸的傳熱方式。 1、熱輻射的方式： 熱能（發(fā)熱）（轉(zhuǎn)變?yōu)椋┹椛淠埽▽嵸|(zhì)是一種電磁波）（轉(zhuǎn)變?yōu)椋崮埽ū晃眨?2、熱輻射時，單位面積上的熱發(fā)射功率fs計算： 式中 ：發(fā)射率；：發(fā)熱體表面熱力學溫度，K； 0：受熱體的絕對溫度，K。 84405.67 10()fsff1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式3、絕對黑體絕對黑體、絕對白體絕對白體與灰色體灰色體： “絕對黑體絕對黑體”：對輻射波全吸收、不反射的物體。因其缺乏大量熱能

10、，故其發(fā)射（即本身熱輻射）沒有,吸收能力最強， =1； “絕對白體絕對白體”：對輻射波全反射、不吸收的物體，因其本身含有大量熱能，故其發(fā)射能力最強，吸收能力沒有， “灰色體灰色體”：相對處于中間狀態(tài)的物體。 ff1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式 4、由熱輻射散失的功率： 式中，T1、T2：受熱體、發(fā)熱體的表面溫度。 結(jié)論：由于電器輻射功率較小，電器散熱通常考慮的方式是：熱傳導和熱對流。 4421()fsfPTT1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器的熱傳遞形式 牛頓公式 電器表面穩(wěn)定溫升與工作制有關。計算電器表面穩(wěn)定溫升時，一般是將三種散熱方式合在一起，用牛頓熱計算公式求電器表面

11、的穩(wěn)定溫升值，即： 式中， Ps： 總散熱功率； A：有效散熱面積； ： 發(fā)熱體溫升， -0，0是周圍環(huán)境溫度。 KT ：導體表面綜合散熱系數(shù)，單位w/m2K。sTPK A1-4 1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計算方法電器表面穩(wěn)定溫升計算方法1-4 1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計算方法電器表面穩(wěn)定溫升計算方法 對于電器中的線圈，綜合散熱系數(shù)公式為： 當散熱面積為A=(1100)10-4m2時， 當散熱面積為A=(0.010.05)m2時，KT=231+0.05(- 0)/34046/10TKA1+0.005（）式中 、0的單位為；A 的單位為m2。 1-4 1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計算方法電器表面穩(wěn)定溫

12、升計算方法3410A 國標規(guī)定電器有四種工作制 長期工作制 間斷長期工作制 反復短時工作制 短時工作制 1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布一、長期工作制： 當t=0 ，=0；t=，=w= P/KTA時，溫升發(fā)熱計算公式為： (下圖曲線1) 式中，T：電器發(fā)熱時間常數(shù)；0：起始溫升；w：穩(wěn)定溫升。 特別地，當t=0，0時，有： (通式，下圖曲線2)。 0(1)ttTTWee(1)tTWe1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布圖1-10 電器發(fā)熱和 冷 卻 過 程 曲 線（三條發(fā)熱1.2.4、一

13、條冷卻3）。1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布 二、短時工作制： 1、一次通電時間短于4T(熱時間常數(shù))； 2、因電器溫升達不到穩(wěn)定溫升w，為充分利用電器耐熱性能，可將電流值增大，前提是電器（工作、實際）溫升值與長期工作制下的穩(wěn)定溫升相等。 1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布 3、圖1-11 短時工作熱計算曲線圖，t是通電總時間。1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布 三、反復短時工作制： 1、電器通電和斷電交替進行，其時間短于4T； 2

14、、圖1-12 反復短時工作下的溫升曲線。 圖中，t1：通電時間；t2：斷電時間，t1+t2t，稱為工作周期。 1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布 反復短時工作制升溫過程21-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布12,11TD%1fwfwfPcwckPtttPPtt12,11TD%1wfwfiwcktttPtt1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布1tTD%=t5、通電持續(xù)率TD%: 在電器標準中常用通電持續(xù)率TD%反映反復工作制的繁重程度。值越大，工作時間越長，任務越繁重。計算公式為 式中 t1：通電時間；t：工作周期，t1+t2。1-5 1-5 不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布不同工作制下的熱計算與零部件穩(wěn)升分布1-6 1-6 短路電流下的熱計算和電器的熱穩(wěn)定性短路電流下的熱計算和電器的熱穩(wěn)定性 一、熱穩(wěn)定電流： 1.“熱穩(wěn)定電流”定義：在規(guī)定的使用和性能條件下，開關電器在指定短時間內(nèi)、于閉合位置上所能承受的電流。 2. 表示方式：熱穩(wěn)定電流一般有：1s、5s和10s熱穩(wěn)定電流，記為I1、I5和I10。根據(jù)熱效應相等的原則，可將不同時間的熱穩(wěn)定電流加以換算。 電器中典型的發(fā)熱部件