第3章電氣發(fā)熱與計(jì)算

1、第3章 電氣發(fā)熱與計(jì)算,1,內(nèi)容提要： 主要從理論上講述發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體產(chǎn)生的不良影響，以及防止電氣發(fā)熱的方法與措施。 載流導(dǎo)體長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)的發(fā)熱與散熱工程。 本章重點(diǎn)： 重點(diǎn)掌握電氣發(fā)熱的原因與危害，掌握防止電氣發(fā)熱的方法與措施。 熟悉電氣發(fā)熱的各種計(jì)算和提高導(dǎo)體長(zhǎng)期允許通過載流量計(jì)算方法與措施。,2,焦作市天堂錄像廳特大火災(zāi),2000年3月29日凌晨3時(shí)許，位于焦作市中心鬧市區(qū)的天堂錄像廳發(fā)生特大火災(zāi)，造成當(dāng)時(shí)在此觀看錄像的74名觀眾在大火中喪生。 火災(zāi)原因，系當(dāng)日天堂錄像廳15號(hào)包間內(nèi)使用石英電熱器長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱、輻射，引燃周圍易燒物所致。,3,哈爾濱市道外區(qū)天潭酒店火災(zāi),2003年2月2日18

2、時(shí)左右，哈爾濱市道外區(qū)天潭酒店發(fā)生火災(zāi)。死亡33人，受傷10人。 事故原因：電器設(shè)備過載發(fā)熱引起導(dǎo)線短路,4,2006年14日4時(shí)許，浙江省湖州市吳興區(qū)織里鎮(zhèn)個(gè)體商廈“福音大廈”發(fā)生火災(zāi)?；馂?zāi)造成15人死亡，1人失蹤。,浙江省湖州市吳興區(qū)“福音大廈”火災(zāi),5,（1）正常工作狀態(tài) 當(dāng)電壓和電流都不超過額定值時(shí)，導(dǎo)體能夠長(zhǎng)期、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。 （2）短路工作狀態(tài) 當(dāng)系統(tǒng)因絕緣故障發(fā)生短路時(shí)，流經(jīng)導(dǎo)體的短路電流比額定值要高出幾倍甚至幾十倍。保護(hù)裝置動(dòng)作、將故障切除的短期內(nèi)，導(dǎo)體將承受短時(shí)發(fā)熱和電動(dòng)力的作用。,3.1.1 載流導(dǎo)體運(yùn)行中的工作狀態(tài),3.1 電氣發(fā)熱的危害,6,3.1 電氣發(fā)熱的危害,

3、3.1.2 發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的不良影響 1、絕緣材料的絕緣性能降低 2、導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度下降 3、導(dǎo)體接觸部分性能降低,7,3.1 電氣發(fā)熱的危害,3.1.2 發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的不良影響 1、絕緣材料的絕緣性能降低 電工產(chǎn)品絕緣材料的使用壽命受到多種因素(如溫度、電和機(jī)械的應(yīng)力、振動(dòng)、有害氣體、化學(xué)物質(zhì)、潮濕、灰塵和輻照等)的影響。而溫度通常是對(duì)絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)老化起支配作用的因素。,8,（1）絕緣材料的耐熱溫度 耐熱溫度：絕緣材料的絕緣性能開始顯著降低以前的溫度。 導(dǎo)體的絕緣材料在溫度的長(zhǎng)期作用下會(huì)逐漸老化，并逐漸喪失原有的機(jī)械性能和絕緣性能。 絕緣材料在其耐熱溫度下能工作20000h而不致?lián)p壞

4、。 危害：絕緣材料的老化，使絕緣材料變脆弱，絕緣性能顯著下降，就可能造成絕緣材料的擊穿。 按國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，電氣絕緣材料的耐熱溫度分為七級(jí)。,9,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,10,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,11,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,12,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,13,14,（2）絕緣材料的使用壽命與溫度的關(guān)系,當(dāng)導(dǎo)體的溫度超過它的耐熱溫度值后，絕緣材料的老化加劇。隨著溫度的增加，絕緣材料的使用壽命明顯縮短。 在防火檢查實(shí)踐中可以根據(jù)絕緣材料的老化特征，對(duì)其使用壽命做出判斷。,103.6,104,105,15,用“八度規(guī)則”經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來(lái)大致估算絕緣材料的使用壽命： 溫度每上升8，其壽命降低一半。,16,1

5、7,（3）絕緣材料的允許溫度,為了防止過高的發(fā)熱對(duì)電器及載流導(dǎo)體帶來(lái)的危害，人們對(duì)電器及載流導(dǎo)體在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，制定了一個(gè)允許溫度。在此溫度下，保證電器及載流導(dǎo)體能夠保持連續(xù)、正常地工作。 允許溫度：是用一定方法測(cè)定的電器元件允許達(dá)到的最高溫度。 設(shè)備和導(dǎo)體上的任一部分都不能超過允許溫度。,17,絕緣材料的允許溫度的規(guī)定： 1)允許溫度規(guī)定必須小于材料損壞的極限允許溫度(耐熱溫度)。 2)電氣設(shè)備是由各種導(dǎo)體組合而成，允許溫度要考慮到它的最薄弱環(huán)節(jié)。 3)設(shè)備絕緣材料的老化和金屬機(jī)械強(qiáng)度的變壞，除了溫度的高低外，還取決于發(fā)熱持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，因此短時(shí)發(fā)熱允許溫度比長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱允許溫度規(guī)定的要高。 短

6、時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)體發(fā)熱持續(xù)的時(shí)間極其短暫（短路電流引起的發(fā)熱）。 長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)體長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)發(fā)熱。,18,2、機(jī)械強(qiáng)度下降 當(dāng)導(dǎo)體的溫度超過一定允許值后，過高的溫度會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體材料退火，使其機(jī)械強(qiáng)度顯著下降。,鋁和銅導(dǎo)體在溫度分別超過100和150后，其抗拉強(qiáng)度急劇下降。當(dāng)短路時(shí)，在電動(dòng)力的作用下，就可能使導(dǎo)體變形，甚至使導(dǎo)體結(jié)構(gòu)損壞。,19,1-連續(xù)發(fā)熱 2-短時(shí)發(fā)熱,20,當(dāng)接觸連接處溫度過高時(shí)，接觸連接表面會(huì)強(qiáng)烈氧化、硫化，并產(chǎn)生一層電阻率很高的氧(硫)化層薄膜，從而使接觸電阻增大，接觸連接處的溫度更加升高。 當(dāng)溫度超過一定允許值后，就會(huì)形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致接觸連接處燒紅，松動(dòng)甚至熔化。,3、導(dǎo)體接

7、觸部分性能變壞,21,3.1.3 載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,1、電阻損耗 輸電線或電磁線的導(dǎo)體本身和機(jī)械連接處都有電阻存在。當(dāng)直流電流通過時(shí)，即產(chǎn)生電阻損耗。 電阻損耗的功率：,電器中的熱源主要來(lái)自三個(gè)方面： 交流電器的導(dǎo)體中產(chǎn)生的電阻損耗； 交流電器的鐵磁物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗； 交流電器絕緣體內(nèi)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗。,22,（1）趨（集）膚效應(yīng)： 當(dāng)導(dǎo)體中通過交流電流時(shí)，產(chǎn)生使電流趨于表面的現(xiàn)象。 交流電流的頻率越高，趨膚效應(yīng)越強(qiáng)。,2、附加損耗 由導(dǎo)體內(nèi)的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)所產(chǎn)生。 當(dāng)直流電流流過導(dǎo)體時(shí)，電流線在導(dǎo)體中的任一橫截面處的分布都是均勻的，故金屬導(dǎo)體能得到充分地利用。,3.1.3 載

8、流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,23,（2）鄰近效應(yīng)： 由于兩個(gè)相鄰的載流導(dǎo)體之間磁場(chǎng)的相互作用，而使導(dǎo)體截面中電流線分布改變。 如果兩導(dǎo)體中電流方向相同，則在兩導(dǎo)體相鄰近的一側(cè)電流密度的較小，而相反的一側(cè)，電流密度則較大。,24,如果兩導(dǎo)體中電流方向相反，則在兩導(dǎo)體相鄰近的一側(cè)電流密度的較大，而相反的一側(cè)，電流密度則較小。,鄰近效應(yīng)與導(dǎo)體之間的分布、導(dǎo)體間的距離有關(guān)。,25,（3）附加損耗 趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都使得電流在導(dǎo)體的橫截面上的分布不均勻，結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增大，它的損耗功率也增大。,趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的損耗總稱附加損耗（焦耳損耗）。 附加損耗功率為：,Kfj：附加損耗系數(shù)。 Kfj = Kj

9、Kl。 Kj：趨膚效應(yīng)系數(shù)。 Kl：鄰近效應(yīng)系數(shù)。,交流電阻：,（P75）,26,3.1.3 載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,3、鐵磁損耗（鐵損） 載流導(dǎo)體周圍的鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)反復(fù)磁化作用下，將產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗。 磁滯損耗和渦流損耗合稱鐵磁損耗。它把從電源吸收的電能轉(zhuǎn)化為熱能，使鐵磁物質(zhì)發(fā)熱。,27,3、鐵磁損耗（鐵損） （1）磁滯損耗 鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)的反復(fù)磁化作用下，由于內(nèi)部的不可逆過程而使鐵磁物質(zhì)發(fā)熱所造成的損耗，稱為磁滯損耗。 磁滯損耗經(jīng)驗(yàn)公式：,磁滯損耗與頻率 f 的一次方成正比，與最大磁感強(qiáng)度Bm的n次方成正比。,3.1.3載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,28,Hc,磁滯回線,Hc：矯頑力

10、,Br：剩磁,Br,磁感強(qiáng)度B的變化總是滯后于磁場(chǎng)強(qiáng)度H的變化，叫做磁滯現(xiàn)象。,O,Hc,Hm,Hm,Bm,29,（2）渦流損耗 當(dāng)鐵磁物質(zhì)放置在變化著的磁場(chǎng)中，或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在鐵磁物質(zhì)內(nèi)部呈渦旋狀，稱為渦流。 由于鐵磁材料也具有電阻，所以產(chǎn)生功率損耗。 渦流損耗與電源頻率f的二次方成正比，與磁感強(qiáng)度最大值Bm的二次方成正比。,3.1.3載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,30,渦流,31,4、介質(zhì)損耗 電氣絕緣材料稱電介質(zhì)。 電介質(zhì)能建立電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，也能消耗電場(chǎng)能量。短期較高的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)引起電介質(zhì)擊穿破壞，長(zhǎng)期較低的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)老化破壞。 交變電場(chǎng)

11、的電導(dǎo)損耗和電介質(zhì)被周期性反復(fù)極化產(chǎn)生的損耗稱為介質(zhì)損耗。 在電場(chǎng)的作用下，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化、電導(dǎo)、介質(zhì)損耗和擊穿四種基本物理過程。 電介質(zhì)的功率損耗：,3.1.3載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗,32,3.2 接觸電阻 當(dāng)兩個(gè)金屬導(dǎo)體互相接觸時(shí)，在接觸區(qū)域內(nèi)存在著一個(gè)附加電阻，稱為接觸電阻。 3.2.1 接觸的類型 (1)固定接觸 用緊固件(如螺釘或鉚釘?shù)?壓緊的電接觸稱固定接觸。這種接觸工作時(shí)沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。,33,34,(2)可分接觸 工作中可以接通或分?jǐn)嗟碾娊佑|稱可分接觸。 接觸的雙方是一對(duì)電觸頭，一個(gè)稱靜觸頭，另一個(gè)稱動(dòng)觸頭。 觸頭的性能，對(duì)開關(guān)電器的分?jǐn)嗄芰?、控制電器的電氣壽命、繼電器的可靠性等

12、起重要的作用。,觸頭是電器的最薄弱環(huán)節(jié)，容易發(fā)生故障。,靜觸頭,動(dòng)觸頭,35,(3)滑動(dòng)及滾動(dòng)接觸 在工作過程中觸頭可以互相滑動(dòng)（或滾動(dòng)）的接觸方式稱為滑動(dòng)(或滾動(dòng))接觸。 高壓斷路器的中間觸頭、公共電車及電氣火車的電源引進(jìn)部分。,高壓斷路器?,36,37,38,無(wú)論用什么工藝切開導(dǎo)體，或切開后對(duì)切面無(wú)論用什么工藝實(shí)行精加工，切面表面總是凸凹不平的，總是有宏觀和微觀上的波紋,表面粗糙等。 當(dāng)兩個(gè)接觸面接觸時(shí)，實(shí)際上只有若干個(gè)小塊面積相接觸，而在每塊小面積內(nèi)，又只有若干小的突起部分相接觸，稱為接觸點(diǎn)。,3.2.2 接觸電阻的組成 接觸電阻Rj由收縮電阻Rs和表面膜電阻Rb兩部分組成 1、收縮電阻

13、,39,在接觸處，金屬的實(shí)際截面積減小了。 電流在流經(jīng)電接觸區(qū)域時(shí)，從原來(lái)截面較大的導(dǎo)體突然轉(zhuǎn)入截面很小的接觸點(diǎn)，電流線發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象。 該現(xiàn)象所呈現(xiàn)的附加電阻稱為收縮電阻。,40,因?yàn)榻佑|點(diǎn)由多個(gè)組成，所以整個(gè)接觸面的收縮電阻Rs，為各個(gè)接觸點(diǎn)收縮電阻的并聯(lián)值。 整個(gè)接觸面的收縮電阻Rs與材料的電阻率成正比，與材料硬度（HB值）的平方根成正比，與壓力F和接觸點(diǎn)的數(shù)目n的二次方根的乘積成反比。,41,2、表面膜電阻 在電接觸的接觸面上，由于污染而覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的物質(zhì)，這就是接觸電阻的另一部分表面膜電阻。 表面膜電阻的類型； （1）塵埃膜 （2）吸附膜 （3）無(wú)機(jī)膜 （4）有機(jī)膜,42,

14、（1）塵埃膜：飄揚(yáng)于空氣中的團(tuán)狀微粒，由于靜電的吸力而覆蓋于接觸表面形成膜電阻。 被吸附的微粒在外力作用下極易脫落，使接觸重新恢復(fù)，因此其電阻值的變化是不穩(wěn)定的，具有隨機(jī)的和統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn)。 （2）吸附膜：水分子和氣體分子在接觸表面的吸附層。 其厚度僅有幾個(gè)分子層。當(dāng)觸頭間的壓力在接觸面上形成很高的壓強(qiáng)時(shí)，其厚度可以減到12個(gè)分子層(510)，但無(wú)法用機(jī)械的辦法把它完全排除。因此，無(wú)論采用何種觸頭材料，吸附膜都是不可避免的。,43,（3）無(wú)機(jī)膜：電接觸材料暴露于空氣中時(shí)，由于化學(xué)腐蝕作用在金屬表面形成各種金屬化合物的薄膜稱為無(wú)機(jī)膜。 金屬和氧生成氧化膜，和H2S反應(yīng)生成硫化膜； 金屬表面一旦暴露在

15、大氣中，便會(huì)很快生成幾微米的初期氧化膜層。 銅：2-3min，鎳：約30min，鋁：2-3s，其表面便可形成厚度約2m的氧化膜層。 即使特別穩(wěn)定的貴金屬金，其表面也會(huì)形成一層有機(jī)氣體吸附膜。,44,在潮濕的空氣中，在電介質(zhì)作用下，使不同的金屬間發(fā)生電化學(xué)腐蝕，也在金屬表面積存銹蝕物。 無(wú)機(jī)膜的形成取決于金屬材料的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。 無(wú)機(jī)膜對(duì)電接觸的破壞作用與其厚度有關(guān)，也和膜的性質(zhì)有關(guān)。在接觸壓力較大，電路參數(shù)較高時(shí)，有些無(wú)機(jī)膜對(duì)電接觸的危害并不嚴(yán)重。,45,（4）有機(jī)膜：從絕緣材料中析出的有機(jī)蒸汽，在電接觸金屬材料表面形成一種粉狀有機(jī)聚合物，稱為有機(jī)膜。 有機(jī)膜對(duì)電接觸的危害是很嚴(yán)重的，其阻

16、值可達(dá)幾兆歐（M），其絕緣性能與一些無(wú)機(jī)膜相似，但它們的擊穿電壓卻是無(wú)機(jī)膜的十倍左右。,因接觸的導(dǎo)電性能取決于膜的厚度和性質(zhì)。尤其存在著較厚的有機(jī)膜時(shí)，觸頭間的導(dǎo)電性能幾乎完全遭到破壞。為了恢復(fù)良好的導(dǎo)電性，可以利用機(jī)械力的作用(如增加接觸壓力)把膜壓碎。切換大電流的觸頭，可以利用因開斷或閉合時(shí)伴隨而產(chǎn)生的電流熱效應(yīng)和電弧的燒損，使膜被破壞，不致影響接觸的良好導(dǎo)電性能。,46,3.2.3 影響接觸電阻的因素 電氣設(shè)備的接觸電阻過大時(shí)的危害： （1）使設(shè)備的接觸點(diǎn)發(fā)熱。 （2）發(fā)熱時(shí)間過長(zhǎng)縮短設(shè)備的使用壽命。 （3）嚴(yán)重時(shí)可引起火災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。,47,影響接觸電阻的因素 1、 觸頭材料（包括

17、表面鍍層材料） 為了防止觸頭冷焊，需要用硬度較高的觸頭材料，如金、銀、銅、銅鍍銀等。為要改善接觸性能，材料硬度又不宜太高。要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。 材料的化學(xué)穩(wěn)定性要好，抗污染、抗腐蝕、抗氧化能力要強(qiáng)，導(dǎo)電性能要好，電阻率要低，以滿足接觸電阻小而穩(wěn)定的要求。 2、觸頭接觸壓力 觸頭接觸壓力越大，接觸面積越大，接觸電阻越小。但觸頭壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)使觸頭的機(jī)械磨損和電磨損增大。因此，觸頭壓力應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。,48,3、 觸頭形狀和接觸形式 接觸形式與觸頭形狀關(guān)系密切。點(diǎn)接觸時(shí)接觸電阻大；線接觸時(shí)接觸電阻要小些；面接觸時(shí)接觸電阻更小些。 中小功率的繼電器多采用線、面接觸，以提高抗熔接、抗

18、腐蝕能力。在小型繼電器中往往還采用橋式接觸形式和分叉的雙觸頭接觸形式，以適應(yīng)頻繁動(dòng)作，提高接觸可靠性。 另一方面，大尺寸的觸頭雖然接觸電阻可以減小，但尺寸太大既浪費(fèi)材料又增大了體積和重量，而且會(huì)使回跳增多和回跳時(shí)間延長(zhǎng)，增大觸頭磨損，也降低了抗振動(dòng)、抗沖擊的能力。,51,52,50,49,線接觸,點(diǎn)接觸,面接觸,49,50,橋式接觸形式,分叉的雙觸頭接觸形式,49,51,4、表面粗糙度 觸頭表面加工的粗糙度越小，實(shí)際接觸點(diǎn)就越多，而且更不易粘附塵埃、吸附有害氣體和潮氣，增強(qiáng)了抗腐蝕的能力，同時(shí)減小了接觸電阻。 一般觸頭的表面粗糙度為（輪廓算術(shù)平均偏差）Ra1.6mRa0.4m。粗糙度太小了就需

19、要拋光和研磨，拋光時(shí)使用的拋光膏的存在會(huì)增大觸頭有機(jī)污染的機(jī)會(huì)，是極為不利的。粗糙度過小也會(huì)增大冷焊的機(jī)會(huì)。,52,5、 觸頭污染 觸頭的污染物有塵埃、潮氣、纖維、有機(jī)氣體的液體等，來(lái)自周圍環(huán)境和加工工藝過程及繼電器本身的結(jié)構(gòu)材料（如絕緣材料)。 污染是影響接觸電阻的重要因素，會(huì)產(chǎn)生較大的膜電阻和化學(xué)腐蝕，增大接觸電阻，降低觸頭的壽命。因此要求整潔生產(chǎn)和超凈生產(chǎn)以減少污染。采用全密封技術(shù)或接觸系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)單獨(dú)密封技術(shù)都是抗污染的措施之一。,53,6、觸頭溫度 觸頭表面溫度的增加（包括環(huán)境溫度和觸頭本身溫度的增加），會(huì)使其表面狀況、接觸面積都發(fā)生變化。 在觸頭壓力不變的情況下，溫度升高會(huì)使金屬

20、的電阻率增大，因此接觸電阻增大。溫度升高到一定程度時(shí)，會(huì)使觸頭軟化，接觸面積增大，接觸電阻下降。 溫度升高會(huì)加劇觸頭金屬氧化和化學(xué)腐蝕，不利于工作的穩(wěn)定和可靠。 改善散熱條件的措施有：充入高壓氣體或罩殼涂黑。,54,3.3.1 電器的溫升 電器在運(yùn)行的過程中，如果產(chǎn)生過高的熱量，將嚴(yán)重地影響電器的安全使用和使用壽命，嚴(yán)重的還會(huì)引起火災(zāi)。 溫升：是指電器運(yùn)行中自身溫度與工作環(huán)境溫度之差。 極限允許溫升：是指電器在正常工作條件下的極限允許溫度與工作環(huán)境溫度之差。,3.3 電器的允許溫升及散熱,55,3.3.2 電器的發(fā)熱與散熱平衡規(guī)律,1、發(fā)熱 電器中的熱源主要來(lái)自三個(gè)方面： 交流電器的導(dǎo)體中產(chǎn)生

21、的電阻損耗： 交流電器的鐵磁物質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗： 交流電器絕緣體內(nèi)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗：,56,熱傳導(dǎo),熱輻射,熱對(duì)流,2、散熱,如果散熱條件被破壞，將導(dǎo)致電器自身的溫度過高，輕則損壞絕緣，重則可能燒毀電器，甚至引起火災(zāi)。,57,3、穩(wěn)態(tài)溫升 正常工作的電器，經(jīng)過一段時(shí)間后，發(fā)熱與散熱總會(huì)趨于平衡，此時(shí)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。,（牛頓公式）,一般指發(fā)熱體表面的平均溫升，也是電器發(fā)熱、散熱平衡以后的穩(wěn)態(tài)溫升。,KT：綜合表面散熱系數(shù)。 S：有效散熱面積。,58,（1）導(dǎo)體的發(fā)熱與直徑的平方成正比，而散熱卻與直徑一次方成正比。 在相同電流密度下，導(dǎo)體直徑越大，則溫升越高。為了保證導(dǎo)體溫度不超過允許值

22、，導(dǎo)體直徑越大，則允許通過的電流密度就必須越小。,載流導(dǎo)線的穩(wěn)態(tài)溫升：,59,（2）溫升與導(dǎo)體的有效散熱面積成反比，故在大電流時(shí)常采用扁平的矩形導(dǎo)體或采用多根導(dǎo)體絞合并聯(lián)，以增加導(dǎo)體的散熱面積。,載流導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫升：,60,3.3.3 絕緣損傷 有絕緣層保護(hù)的導(dǎo)線或?qū)щ姴考?，如果絕緣層遭到破壞或絕緣性能降低，就會(huì)有不同程度的漏電，甚至發(fā)生短路，造成嚴(yán)重的損失。 對(duì)導(dǎo)體絕緣的要求，除了增進(jìn)絕緣本身性能外，還應(yīng)針對(duì)絕緣層損壞的各種因素和形式，采取相應(yīng)的防范措施，使其安全可靠的運(yùn)行。 絕緣損壞的形式：老化、擊穿和機(jī)械損傷。,61,1、老化 絕緣材料在應(yīng)用過程中，受各種因素的長(zhǎng)期作用，會(huì)產(chǎn)生一系列緩慢

23、的物理、化學(xué)變化，從而導(dǎo)致其電性能和機(jī)械性能的惡化，稱為老化。 影響絕緣材料老化的因素有：光、電、熱、氧化、輻射、微生物等等。 電老化、熱老化、氧化老化、濕度老化、光老化、微生物老化 老化過程非常復(fù)雜，其機(jī)理也隨使用條件的不同而不同。,62,化學(xué)名詞： 裂解 (降解) ：通常泛指高分子化合物在物理因素(如熱紫外線高能輻射機(jī)械力)和化學(xué)因素(如氧臭氧腐蝕性介質(zhì)和化學(xué)藥物)作用下轉(zhuǎn)變成低分子化合物的過程，其中包括分子鏈的斷裂。 高分子裂解的形式是多種多樣的，如熱裂解、力裂解光裂解高能輻射裂解氧化裂解、生物裂解化學(xué)藥物裂解等。 解聚：指采用化學(xué)方法(如酸解或堿解)或酶學(xué)方法使由共價(jià)鍵結(jié)合的高聚物(如

24、核酸、蛋白質(zhì)、多糖等)降解成低聚物和/或單體的反應(yīng)。,63,（1）電老化 絕緣材料在高壓電器設(shè)備中，因高電場(chǎng)強(qiáng)度造成電離而產(chǎn)生的老化屬于電老化。 典型的電老化機(jī)理： 1)局部放電時(shí)產(chǎn)生臭氧，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，最易與大分子鏈的雙鍵起加成反應(yīng)，在加成反應(yīng)過程中使碳碳鍵斷裂。因此很容易使材料發(fā)生臭氧裂解。 2)局部放電產(chǎn)生氯的氧化物，它與潮氣結(jié)合生產(chǎn)硝酸，發(fā)生腐蝕作用。 3)局部放電產(chǎn)生高速粒子，對(duì)絕緣材料轟擊，發(fā)生破壞作用。 4)局部放電使介質(zhì)損耗增大，材料局部發(fā)熱促使材料性能的惡化。,64,（2）熱老化 絕緣材料經(jīng)常會(huì)受到外界環(huán)境或來(lái)自本身內(nèi)部的(如介質(zhì)損耗引起的)熱作用，在低壓高頻電場(chǎng)條件下

25、，這種熱作用引起的老化更為明顯。 熱老化的機(jī)理： 1)存在于絕緣材料中或老化過程形成的低分子揮發(fā)成分或產(chǎn)物的逸出。 2)熱解。在熱作用下，有些材料(如聚氯乙烯)會(huì)裂解產(chǎn)生有害物質(zhì)(如氯化氫)，可能引起催化作用。 3)解聚和氧化裂解。在熱和氧作用下，引發(fā)生成游離基并參與鏈反應(yīng)，結(jié)果使大分子鏈斷裂，生成單基物或低分子物，使材料的介電、機(jī)械性能下降。,65,4)分子繼續(xù)聚合 開始可能會(huì)提高物理和電氣性能，但隨后即導(dǎo)致柔軟性下降、變脆，并在機(jī)械應(yīng)力作用下?lián)p壞。 熱老化規(guī)律的近似公式：,使絕緣壽命降低一半所需增加的工作溫度，A級(jí)絕緣為8， B級(jí)絕緣為10， H級(jí)絕緣為12，稱為熱老化8原則。,66,（3

26、）氧化老化 各種材料都有不同的氧化形式，多數(shù)塑料由于熱裂解成游離基，再和氧結(jié)合生成ROOH(一元羧酸的通式)的連鎖反應(yīng)。 在低溫下熱氧化老化較慢，有氧存在使熱聚溫度下降，如聚乙烯在真空中熱解聚的活化能是4870kcalmol。在空氣中為1635kcalmol。對(duì)有機(jī)大分子的氧化反應(yīng)，常使極性基增加，引起介質(zhì)損耗和電導(dǎo)的增加。液體介質(zhì)的氧化結(jié)果使介質(zhì)酸值變大，粘度上升，并有沉淀生成。,67,（4）濕度老化 水分的存在對(duì)絕緣材料的影響： 使材料介電常數(shù)變大，絕緣電阻降低； 使電暈產(chǎn)生的幾種氧化物變?yōu)橄跛?，亞硝酸而腐蝕金屬，使纖維及其它絕緣材料發(fā)脆； 為微生物的生成提供了有利條件。 濕度使許多物質(zhì)離

27、解為離子，加速老化發(fā)展，濕度對(duì)熱老化、氧化老化起加速作用，故干熱和濕熱絕緣材料的壽命相差40。 如油浸紙絕緣水分含量超過允許值一倍時(shí)，其使用壽命就縮短一半；對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜的樹脂老化特性，全干式交聯(lián)優(yōu)于半干式交聯(lián)，而半干式交聯(lián)又優(yōu)于水蒸汽濕法交聯(lián)。,68,（5）光老化 光和射線供給分子、電子以一定能量，波長(zhǎng)在400nm以下的紫外線、X射線、射線，能對(duì)高聚物起能覺察到的老化作用。光的作用是切斷分子鏈及交聯(lián)作用，使絕緣發(fā)粘，變脆、開裂、失去絕緣性能。,（6）微生物老化 微生物以有機(jī)絕緣材料為食物，或破壞絕緣引起介質(zhì)老化，微生物繁殖因其生物體的影響會(huì)使絕緣表面電阻下降，其分泌物成為高分子分解的因素

28、，還會(huì)使機(jī)械性能下降。,69,2.絕緣擊穿 擊穿：絕緣材料上所加電壓超過某一臨界值時(shí)，絕緣材料被破壞，絕緣能力喪失。 擊穿電壓：這一臨界值電壓。 擊穿電壓取決于絕緣材料的性質(zhì)、厚度以及環(huán)境情況。 絕緣材料發(fā)生擊穿后，其絕緣能力喪失，通過絕緣材料的電流劇增，造成短路甚至引起火災(zāi)。,70,3 機(jī)械損傷 在制造、安裝和維修時(shí)，由于嵌線不慎、意外碰撞、摩擦等原因造成的絕緣材料損傷。 損傷的部分或徹底穿透或厚度減少。在通電運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)立即發(fā)生短路。也可能在損傷部位發(fā)生擊穿或提前老化損壞，經(jīng)過一段時(shí)間后發(fā)生短路事故。,71,72,3.4 導(dǎo)體的長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱與短時(shí)發(fā)熱,導(dǎo)體的兩種發(fā)熱狀態(tài)： 長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)體長(zhǎng)期

29、流過工作電流的發(fā)熱。 短時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)體短時(shí)間流過短路電流引起的發(fā)熱。 研究導(dǎo)體尤其是電線電纜的長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱與短時(shí)發(fā)熱的規(guī)律，是為了找出提高導(dǎo)體長(zhǎng)期允許發(fā)熱的方法，使導(dǎo)體發(fā)熱溫度不超過最高允許溫度，以保證導(dǎo)體的安全運(yùn)行。,72,3.4.1 導(dǎo)體發(fā)熱,導(dǎo)體的電阻損耗產(chǎn)生的熱功率 ：,73,3.4.2 導(dǎo)體的溫升過程 當(dāng)導(dǎo)體未通電流時(shí)，其溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等；導(dǎo)體通有電流后，便產(chǎn)生熱量，使導(dǎo)體溫度升高，同時(shí)又以對(duì)流和輻射的方式向周圍介質(zhì)散發(fā)熱量。當(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)，導(dǎo)體的溫度保持不變。 導(dǎo)體的溫升規(guī)律：,均質(zhì)導(dǎo)體的溫升按時(shí)間指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)。 當(dāng)t =(34)T 時(shí)，導(dǎo)體溫升即趨于穩(wěn)定溫升 。,發(fā)熱時(shí)

30、間常數(shù)：,穩(wěn)態(tài)溫升,74,75,在穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)下，導(dǎo)體中產(chǎn)生的全部熱量都散失到周圍環(huán)境中。 與電流I平方成正比，與導(dǎo)體放熱能力KzhF成反比，而與導(dǎo)體的起始溫度0無(wú)關(guān)。 導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流（導(dǎo)體最大允許載流量）：,3.4.3 導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流,（牛頓公式）,穩(wěn)態(tài)溫升：,75,76,3.4.5 提高導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流的方法,導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許電流取決于導(dǎo)體材料的長(zhǎng)期發(fā)熱允許溫度，表面散熱能力和導(dǎo)體電阻。 1、采用電阻率小的導(dǎo)體材料，提高導(dǎo)體的載流能力。 如鋁，鋁合金，銅等導(dǎo)體材料的電阻率較小。 2、減小導(dǎo)體接頭的接觸電阻，提高其長(zhǎng)期發(fā)熱允許溫度y。 如采用在接觸面鍍銀、搪錫等方法，可提高導(dǎo)體允許溫度。,

31、76,3、提高導(dǎo)體表面散熱能力 （1）導(dǎo)體的布置應(yīng)采用散熱效果最佳的布置方式。 （2）增大導(dǎo)體表面的散熱面積 導(dǎo)體表面的散熱面積與導(dǎo)體的幾何形狀有關(guān)。在截面積相同的條件下，圓柱形外表面最小，矩形、槽形外表面較大，所以工程上很少使用圓柱形母線。 （3）強(qiáng)迫冷卻 采用強(qiáng)迫水冷或風(fēng)冷來(lái)提高母線的對(duì)流放熱量。 導(dǎo)體表面涂漆，可以提高輻射散熱能力，能增加載流量。并用以識(shí)別相序，便于操作巡視。,77,對(duì)于室外配電裝置母線，為減少對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，應(yīng)采用吸收率較小的表面，故室外配電裝置母線不應(yīng)涂漆，而保留其光亮表面。 加強(qiáng)自然通風(fēng)：導(dǎo)線明敷應(yīng)選自然通風(fēng)良好的環(huán)境，不應(yīng)覆蓋；穿管時(shí)導(dǎo)線占積率不應(yīng)超過60；對(duì)于溝道電纜，通風(fēng)條件在設(shè)計(jì)時(shí)也要給于考慮。否則將使導(dǎo)體升溫甚