第一章___電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算

1、電器學(xué)中南大學(xué)信息學(xué)院電氣工程系中南大學(xué)信息學(xué)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(guān)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(dǎo)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 教學(xué)計劃教學(xué)計劃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 電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算 教學(xué)目的與要求：教學(xué)目的與要求： 掌握電器的溫升及電器中

2、熱源的主要來源，熟悉電器的熱傳遞形式。 教學(xué)重點與難點：教學(xué)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(xué)基本內(nèi)容：教學(xué)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。 電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算 電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算電器導(dǎo)體的發(fā)熱計算 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(zāi)5111起，其中電器引發(fā)的火災(zāi)2310起，占總數(shù)的45.20。1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升 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(biāo)

3、準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升 1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升 1、三種損耗：導(dǎo)體（銅）的阻抗損耗、交變電磁場在導(dǎo)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。 2、嚴(yán)重后果：溫升超過極限允許溫升時降低了電器的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度，導(dǎo)致材料老化、壽命降低。 結(jié)論：研究意義重大。1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升 材料的溫度超過一定極限后，其擊穿電壓明顯下降，圖l-2為瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系。1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許

4、溫升1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升二、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(jī)械壽命不降低（材料軟化）。 1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升三、電器極限允許溫升 （按相關(guān)國家溫升試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量）： 1、電器中裸導(dǎo)體的極限允許溫升應(yīng)小于材料軟化點 （機(jī)械性能顯著下降即軟化）； 2、對絕緣材料和外包絕緣的導(dǎo)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。1-1 1-1 電器的允許溫升電器的允許溫升四、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

5、定的電氣絕緣材料的極限溫度：1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源 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(dǎo)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 1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源 一、電阻損耗：也稱焦耳損耗。 1、計算公式： P=KfI2RKf:考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)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 。1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源2、集膚效應(yīng)： 交變磁通在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生反電勢，中心部分的反電勢值比

6、外表部分的大，導(dǎo)致導(dǎo)體中心的電流密度比外表部分小。 集膚效應(yīng)的大小用電磁波在導(dǎo)體中的滲入深度b表示1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源滲入深度b的大小為：b b 式中，：電阻率；f：頻率；：磁導(dǎo)率。 由于b越小，集膚效應(yīng)就越強(qiáng)。 由上式可知，當(dāng)頻率f越高時，滲入系數(shù) b越小，則集膚效應(yīng)越強(qiáng)。1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源 3、集膚系數(shù)Kj： 式中，A：導(dǎo)體截面積；P：導(dǎo)體周長。 由此式知，f越高，集膚效應(yīng)越強(qiáng)。1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源4、集膚系數(shù)集膚系數(shù)K Kj j的查表求解：的查表求解： （1 1）圓截面導(dǎo)體：先求）圓截面導(dǎo)體：先求100m100m長導(dǎo)體的直流電

7、阻長導(dǎo)體的直流電阻R R100-100-，再求，再求 ，查圖，查圖1-41-4，得，得K Kj j 。1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源（2 2） 矩形截面導(dǎo)體的矩形截面導(dǎo)體的KjKj值查表值查表1-21-2得。其中得。其中, , k ke e1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源5、鄰近效應(yīng)： 由于相鄰載流導(dǎo)體間磁場的相互作用，使兩導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流發(fā)布不均勻的現(xiàn)象。鄰近效應(yīng)與相鄰載流導(dǎo)體內(nèi)電流流向有關(guān)。 （1）電流同向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢大些，故電流密度小些； （2）電流反向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5。 100fR1-2 1-2 電器中的熱源電器中的熱源 二、鐵

8、磁損耗： 電器中的載流導(dǎo)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(dǎo)體損耗曲線。 圖中，I：流過鋼導(dǎo)體的電流，P：導(dǎo)體截面周長，A：外表面積，f：電流頻率，Pm：鋼導(dǎo)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(qiáng)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(guān)。：介質(zhì)損耗角； tan大時，介質(zhì)損耗

9、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(dǎo)、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(dǎo)： 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(guān)。 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(dǎo)率，單位w/(mk)，是0度時的熱導(dǎo)率。 越大，物體的熱傳導(dǎo)能量越強(qiáng)，且有“金屬非金屬液氣”。 2、熱傳導(dǎo)功率： 式中 div：

10、向量，矢量； ：熱導(dǎo)率， = ，見圖1-8 “金屬和液體的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)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(qiáng)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(qiáng)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(guān)的非線性系數(shù)?？刹楸砬蟪?。1-3 1-3 電器的熱傳遞形式電器

11、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(xué)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，故其發(fā)射（即本身熱輻射）

12、沒有,吸收能力最強(qiáng)， =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(qiáng)，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?？紤]的方式是：熱傳導(dǎo)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(guān)。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的穩(wěn)定溫升值，即： 式中，

13、 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(dǎo)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(dāng)散熱面積為A=(1100)10-4m2時， 當(dāng)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)定溫升計算方法3410A 國標(biāo)

14、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(fù)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(dāng)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(dāng)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、一條冷卻3）。1-5 1-5

15、 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(dá)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(fù)短時工作制： 1、電器通電和斷電交替進(jìn)行，其時間短于4T； 2、圖1-12 反復(fù)短時工作

16、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(fù)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(biāo)準(zhǔn)中常用通電持續(xù)率TD%反映反復(fù)工作制的繁重程度。值越大，工作時間越長，任務(wù)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(guān)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(yīng)相等的原則