02電器發(fā)熱計算1課件

1、 1234電器表面的溫升計算公式電器表面的溫升計算公式電器中的熱源電器中的熱源第第2 765 各種工作制形式下的電器熱計算各種工作制形式下的電器熱計算電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性本本章章 內內 容容電器的允許溫升電器的允許溫升 電器中的熱傳遞形式電器中的熱傳遞形式 電器導體的發(fā)熱電器導體的發(fā)熱 1. 何為何為電器發(fā)熱的允許溫升電器發(fā)熱的允許溫升？ 2. 電器發(fā)熱的允許溫升電器發(fā)熱的允許溫升和穩(wěn)定溫升在概念上是否相同和穩(wěn)定溫升在概念上是否相同? 3. 電器的溫升與哪些因素有關？在何種條件下，電器電器的溫升與哪

2、些因素有關？在何種條件下，電器將達到其穩(wěn)態(tài)溫升？將達到其穩(wěn)態(tài)溫升？ 4. 舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。 5. 集膚效應與鄰近效應的實質是什么集膚效應與鄰近效應的實質是什么?交流電阻為什交流電阻為什么比直流電阻要大么比直流電阻要大? 6. 在中高頻應用領域中，如果電流較大，通常采用多在中高頻應用領域中，如果電流較大，通常采用多股導線，而不是單股同截面導線。請解釋其原因。股導線，而不是單股同截面導線。請解釋其原因。 7. 扁平扁平的母線和同樣截面的圓導線，哪種載流量大？的母線和同樣截面的圓導線，哪種載流量大？為什么？為什么？思考題思考題HOME 據(jù)統(tǒng)計，

3、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。1. 電器工作時發(fā)熱的原因電器工作時發(fā)熱的原因1) 電阻損耗電阻損耗 電流通過導體并在導體中產生能量損耗；電流通過導體并在導體中產生能量損耗；2) 鐵磁損耗鐵磁損耗 對于交流線路，在交變磁場作用下，鐵磁體內產生渦對于交流線路，在交變磁場作用下，鐵磁體內產生渦流和磁滯損耗；流和磁滯損耗；3) 介質損耗介質損耗 對于交流線路，在交變電場作用下，絕緣體內產生介對于交流線路，在交變電場作用下，絕緣體內產生介質損耗。質損耗。 2-1 2-1 電器的允許溫升電器的允許溫升加熱電器加

4、熱電器散失到周圍介質中散失到周圍介質中損耗損耗HOME2. 電器發(fā)熱的危害電器發(fā)熱的危害 電器的各種損耗電器的各種損耗 電器的零部件溫度升高電器的零部件溫度升高 電器中的金屬材料和絕緣材料的溫度超過一定極電器中的金屬材料和絕緣材料的溫度超過一定極限值時，其機械強度和絕緣強度將明顯降低。限值時，其機械強度和絕緣強度將明顯降低。 電器的性能指標降低；電器的性能指標降低； 電器的使用壽命降低；電器的使用壽命降低； 嚴重時，燒毀電器。嚴重時，燒毀電器。 電器的零部件材料老化；電器的零部件材料老化；2-1 電器的允許溫升HOME2-1 電器的允許溫升1) 金屬材料金屬材料當金屬材料的溫度當金屬材料的溫度

5、高達一定數(shù)值以后，其機械強度高達一定數(shù)值以后，其機械強度會會顯著降低。顯著降低。C/001002003004005006001000608010012040金屬材料機械強度與溫度的關系金屬材料機械強度與溫度的關系長期加熱長期加熱短時加熱短時加熱HOME2-1 電器的允許溫升不同金屬材料的機械特性不同金屬材料的機械特性隨溫度隨溫度變化不盡相同。變化不盡相同。C/0O1002003004005006001000608010012040圖圖2-1 金屬材料機械強度與溫度的關系金屬材料機械強度與溫度的關系硬拉鋁硬拉鋁青銅青銅鋼鋼電解銅電解銅銅銅HOME1-1 電器的允許溫升 2) 絕緣材料絕緣材料絕緣

6、材料的絕緣特性（例如擊穿電壓絕緣材料的絕緣特性（例如擊穿電壓、材料老化等）易受溫材料老化等）易受溫度影響，當絕緣材料的溫度超過一定極限后，其擊穿電壓明顯度影響，當絕緣材料的溫度超過一定極限后，其擊穿電壓明顯下降。因此，絕緣材料的極限允許溫度將取決于絕緣材料的老下降。因此，絕緣材料的極限允許溫度將取決于絕緣材料的老化和擊穿特性。化和擊穿特性。1000jjUUC/0圖圖1-2 瓷的擊穿電壓與溫度的關系瓷的擊穿電壓與溫度的關系O20406080100120140160255075100125HOME1-1 電器的允許溫升3) 3) 觸頭材料觸頭材料除考慮機械強度外，還要考慮氧化和其他問題除考慮機械強

7、度外，還要考慮氧化和其他問題 電接觸。電接觸。3.3.發(fā)熱計算的目的發(fā)熱計算的目的 1) 1) 研究各種工作狀態(tài)下的發(fā)熱，保證這些部分最高溫度不超過規(guī)定研究各種工作狀態(tài)下的發(fā)熱，保證這些部分最高溫度不超過規(guī)定的極限允許溫度，以保證電器工作的可靠性；的極限允許溫度，以保證電器工作的可靠性； 2) 2) 縮小體積、減輕重量、節(jié)約原材料等?？s小體積、減輕重量、節(jié)約原材料等。HOME1-1 電器的允許溫升4. 電器的極限允許溫升電器的極限允許溫升 為了保證電器工作的可靠性及一定的使用壽命，為了保證電器工作的可靠性及一定的使用壽命，IEC和和GB對電對電器各部分的極限允許溫升都有明確的規(guī)定。器各部分的極

8、限允許溫升都有明確的規(guī)定。 電器各部分的電器各部分的極限允許溫升極限允許溫升為其為其極限允許溫度與工作環(huán)境溫度之極限允許溫度與工作環(huán)境溫度之差差。 周圍環(huán)境溫度的高低直接影響到電器的散熱情況。我國標準規(guī)定周圍環(huán)境溫度的高低直接影響到電器的散熱情況。我國標準規(guī)定周圍空氣的溫度范圍為周圍空氣的溫度范圍為40。HOME1-1 電器的允許溫升5. 制定電器各部分極限允許溫升的依據(jù)制定電器各部分極限允許溫升的依據(jù)1) 保證電器的絕緣不致因保證電器的絕緣不致因 T 過高而損壞，或使工作壽命過分降低；過高而損壞，或使工作壽命過分降低；2) 導體和結構部分不致因導體和結構部分不致因T過高而降低其過高而降低其。

9、3) 對于短路電流下電器各部分的短時發(fā)熱允許溫升，我國標準尚未作對于短路電流下電器各部分的短時發(fā)熱允許溫升，我國標準尚未作統(tǒng)一規(guī)定。統(tǒng)一規(guī)定。 一般要求：一般要求：1) 油中的裸導體油中的裸導體 250；2) 不和有機絕緣材料或油接觸的不和有機絕緣材料或油接觸的Cu或黃或黃Cu部件部件 300；3) 鋁在任何情況下都不應超過鋁在任何情況下都不應超過 200；4) 固定接觸連接部分的發(fā)熱固定接觸連接部分的發(fā)熱其他部分載流導體的發(fā)熱；其他部分載流導體的發(fā)熱；5) 電器主觸頭的溫度電器主觸頭的溫度 200，弧觸頭不熔焊。，弧觸頭不熔焊。HOME1-1 電器的允許溫升我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫

10、度我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫度HOME相對耐熱指數(shù)相對耐熱指數(shù)( (RTE) )極限溫度極限溫度/以前表示方法以前表示方法9010590Y105120105A120130120E130155130B155180155F180200180H2002202002202502202502501-2 電器中的熱源電器中的熱源主要來自三個方面：電器中的熱源主要來自三個方面：(1)電流通過導體產生的電阻損耗；電流通過導體產生的電阻損耗；(2) 交流電器鐵磁體內產生的渦流、磁滯損耗；交流電器鐵磁體內產生的渦流、磁滯損耗；(3) 交流電器絕緣體內產生的介質損耗。交流電器絕緣體內產生的介質損耗。1. 電

11、阻損耗電阻損耗1) 電流通過導體所產生的能量損耗電流通過導體所產生的能量損耗: 式中：式中：Kf 附加損耗系數(shù)附加損耗系數(shù) 。 考慮交變電流集膚效應和鄰近效應對電阻影響的系數(shù)?？紤]交變電流集膚效應和鄰近效應對電阻影響的系數(shù)。RIKPf2HOME1-2 電器中的熱源2) 附加損耗附加損耗當導體中通過交變電流時，因集膚效應和鄰近效應而產生的電阻附當導體中通過交變電流時，因集膚效應和鄰近效應而產生的電阻附加損耗。加損耗。附加損耗系數(shù)附加損耗系數(shù) Kf 為集膚系數(shù)為集膚系數(shù) Kj 和鄰近系數(shù)和鄰近系數(shù) Kl 之積之積 Kf = Kj Kl (1) 集膚效應集膚效應 現(xiàn)象及產生原因：現(xiàn)象及產生原因： 交

12、變電流通過導體產生集膚效應使導體內部電流分布不均勻交變電流通過導體產生集膚效應使導體內部電流分布不均勻 的情形。的情形。 HOME1-2 電器中的熱源HOME集膚效應影響下導體內部電流密度分布集膚效應影響下導體內部電流密度分布1-2 電器中的熱源)2(fb 式中：式中： 導體的電阻率；導體的電阻率；導體材料的磁導率；導體材料的磁導率；f電源頻率。電源頻率。集膚系數(shù)集膚系數(shù)Kj可用下式計算：可用下式計算：集膚效應的大小可用電磁波在導體內滲入的深度集膚效應的大小可用電磁波在導體內滲入的深度b表示表示fpAKj2式中：式中：A 導體的截面積；導體的截面積； p導體的周長。導體的周長。 HOMEpbA

13、Kj1-2 電器中的熱源集膚系數(shù)集膚系數(shù) Kj的查表求解：的查表求解： 圓截面導體：先求圓截面導體：先求100m100m長導長導體的直流電阻體的直流電阻R R100-100-， 再求再求 最后查圖，求得最后查圖，求得Kj 。1 0 0fRHOME圓截面導體集膚系數(shù)圓截面導體集膚系數(shù)Kj與參數(shù)與參數(shù)的關系的關系100_/Rf21100_)Hz/(/Rf01003002001.01.21.41.61.82.0Kj1-2 電器中的熱源(2) 鄰近效應鄰近效應定義：兩相鄰載流導體間磁場的相互作用定義：兩相鄰載流導體間磁場的相互作用使兩導體內產生電流分布不均勻的現(xiàn)象。使兩導體內產生電流分布不均勻的現(xiàn)象。

14、產生原因：如兩相鄰導體中的電流方向相產生原因：如兩相鄰導體中的電流方向相反，則一導體在另一導體相鄰側產生的磁場反，則一導體在另一導體相鄰側產生的磁場比非相鄰側的大，相鄰側感應的反電勢也比比非相鄰側的大，相鄰側感應的反電勢也比非相鄰側的大，故相鄰側的電流密度比非相非相鄰側的大，故相鄰側的電流密度比非相鄰測的?。蝗魞蓪w電流方向相同，相鄰側鄰測的?。蝗魞蓪w電流方向相同，相鄰側電流密度必比非相鄰側的大。電流密度必比非相鄰側的大。影響因素：鄰近效應系數(shù)影響因素：鄰近效應系數(shù)Kl與導體尺寸和與導體尺寸和相隔距離有關。相隔距離有關。 HOME1-2 電器中的熱源對圓截面導體：鄰近效應系數(shù)對圓截面導體：鄰

15、近效應系數(shù)Kl，查表，查表1-31-3。HOME式中：式中： l 是是導體中心線距離，導體中心線距離，d 是導體直徑。是導體直徑。 100RfKx其中系數(shù)其中系數(shù)1-2 電器中的熱源2. 鐵磁損耗鐵磁損耗 電器中的載流導體有時要從鐵磁電器中的載流導體有時要從鐵磁零件附近通過。由于鐵的磁導率高零件附近通過。由于鐵的磁導率高，磁通將通過鐵磁零件而成閉路。，磁通將通過鐵磁零件而成閉路。如果導體通過的電流為交流，則交如果導體通過的電流為交流，則交變磁通在鐵磁體內產生渦流和磁滯變磁通在鐵磁體內產生渦流和磁滯損耗。損耗。 HOMEBi1-2 電器中的熱源HOMEiiiBBB00.51.01.51234TB

16、/)kgW/(1mP硅鋼片單位質量鐵磁損耗與磁感應強度的關系硅鋼片單位質量鐵磁損耗與磁感應強度的關系D31D42實線實線: 厚厚0.5mm , 虛線虛線: 厚厚0.35mm1-2 電器中的熱源tan22UCfp 3. 介質損耗介質損耗 1) 絕緣材料中的介質損耗與電場強度及頻率有關。電場強度越絕緣材料中的介質損耗與電場強度及頻率有關。電場強度越大和頻率越高，則介質損耗也越大。大和頻率越高，則介質損耗也越大。 2) 交變電揚中的介質損耗為交變電揚中的介質損耗為式中：式中：f 電場交變頻率；電場交變頻率； C 介質的電容；介質的電容； U 外加電壓；外加電壓； 介質損耗角。介質損耗角。HOME1-2 電器中的熱源tan是絕緣材料的重要特性之一。是絕緣材料的重要特性之一。tan大的材料，介質損耗也大。大的材料，介質損耗也大。理論上理論上tan按下式計算：按下式計算： 式中：式中：Ri 絕緣電阻；絕緣電阻； XC 容抗，容抗，XC=1/C。tan與溫度、材料、工藝