电气发热与计算.ppt

1,第3章电气发热与计算,2,内容提要：主要从理论上讲述发热对载流导体产生的不良影响，以及防止电气发热的方法与措施。载流导体长时和短时的发热与散热工程。本章重点：重点掌握电气发热的原因与危害，掌握防止电气发热的方法与措施。熟悉电气发热的各种计算和提高导体长期允许通过载流量计算方法与措施。,3,焦作市天堂录像厅特大火灾,2000年3月29日凌晨3时许，位于焦作市中心闹市区的天堂录像厅发生特大火灾，造成当时在此观看录像的74名观众在大火中丧生。火灾原因，系当日天堂录像厅15号包间内使用石英电热器长时间发热、辐射，引燃周围易烧物所致。,4,哈尔滨市道外区天潭酒店火灾,2003年2月2日18时左右，哈尔滨市道外区天潭酒店发生火灾。死亡33人，受伤10人。事故原因：电器设备过载发热引起导线短路,5,2006年14日4时许，浙江省湖州市吴兴区织里镇个体商厦“福音大厦”发生火灾。火灾造成15人死亡，1人失踪。,浙江省湖州市吴兴区“福音大厦”火灾,6,（1）正常工作状态当电压和电流都不超过额定值时，导体能够长期、安全、经济地运行。（2）短路工作状态当系统因绝缘故障发生短路时，流经导体的短路电流比额定值要高出几倍甚至几十倍。保护装置动作、将故障切除的短期内，导体将承受短时发热和电动力的作用。,3.1.1载流导体运行中的工作状态,3.1电气发热的危害,7,3.1电气发热的危害,3.1.2发热对载流导体的不良影响1、绝缘材料的绝缘性能降低2、导体的机械强度下降3、导体接触部分性能降低,8,3.1电气发热的危害,3.1.2发热对载流导体的不良影响1、绝缘材料的绝缘性能降低电工产品绝缘材料的使用寿命受到多种因素(如温度、电和机械的应力、振动、有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等)的影响。而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。,9,（1）绝缘材料的耐热温度耐热温度：绝缘材料的绝缘性能开始显著降低以前的温度。导体的绝缘材料在温度的长期作用下会逐渐老化，并逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能。绝缘材料在其耐热温度下能工作20000h而不致损坏。危害：绝缘材料的老化，使绝缘材料变脆弱，绝缘性能显著下降，就可能造成绝缘材料的击穿。按国内标准，电气绝缘材料的耐热温度分为七级。,10,各级绝缘材料的耐热温度,11,各级绝缘材料的耐热温度,12,各级绝缘材料的耐热温度,13,各级绝缘材料的耐热温度,14,15,（2）绝缘材料的使用寿命与温度的关系,当导体的温度超过它的耐热温度值后，绝缘材料的老化加剧。随着温度的增加，绝缘材料的使用寿命明显缩短。在防火检查实践中可以根据绝缘材料的老化特征，对其使用寿命做出判断。,103.6,104,16,用“八度规则”经验规律来大致估算绝缘材料的使用寿命：温度每上升8，其寿命降低一半。,17,17,（3）绝缘材料的允许温度,为了防止过高的发热对电器及载流导体带来的危害，人们对电器及载流导体在设计和运行时，制定了一个允许温度。在此温度下，保证电器及载流导体能够保持连续、正常地工作。允许温度：是用一定方法测定的电器元件允许达到的最高温度。设备和导体上的任一部分都不能超过允许温度。,18,绝缘材料的允许温度的规定：1)允许温度规定必须小于材料损坏的极限允许温度(耐热温度)。2)电气设备是由各种导体组合而成，允许温度要考虑到它的最薄弱环节。3)设备绝缘材料的老化和金属机械强度的变坏，除了温度的高低外，还取决于发热持续时间的长短，因此短时发热允许温度比长时发热允许温度规定的要高。短时发热：导体发热持续的时间极其短暂（短路电流引起的发热）。长时发热：导体长时间连续发热。,19,2、机械强度下降当导体的温度超过一定允许值后，过高的温度会导致导体材料退火，使其机械强度显著下降。,铝和铜导体在温度分别超过100和150后，其抗拉强度急剧下降。当短路时，在电动力的作用下，就可能使导体变形，甚至使导体结构损坏。,20,1-连续发热2-短时发热,21,当接触连接处温度过高时，接触连接表面会强烈氧化、硫化，并产生一层电阻率很高的氧(硫)化层薄膜，从而使接触电阻增大，接触连接处的温度更加升高。当温度超过一定允许值后，就会形成恶性循环，导致接触连接处烧红，松动甚至熔化。,3、导体接触部分性能变坏,22,3.1.3载流导体运行中的损耗,1、电阻损耗输电线或电磁线的导体本身和机械连接处都有电阻存在。当直流电流通过时，即产生电阻损耗。电阻损耗的功率：,电器中的热源主要来自三个方面：交流电器的导体中产生的电阻损耗；交流电器的铁磁物质内产生的涡流和磁滞损耗；交流电器绝缘体内产生的介质损耗。,23,（1）趋（集）肤效应：当导体中通过交流电流时，产生使电流趋于表面的现象。交流电流的频率越高，趋肤效应越强。,2、附加损耗由导体内的趋肤效应和邻近效应所产生。当直流电流流过导体时，电流线在导体中的任一横截面处的分布都是均匀的，故金属导体能得到充分地利用。,3.1.3载流导体运行中的损耗,24,（2）邻近效应：由于两个相邻的载流导体之间磁场的相互作用，而使导体截面中电流线分布改变。如果两导体中电流方向相同，则在两导体相邻近的一侧电流密度的较小，而相反的一侧，电流密度则较大。,25,如果两导体中电流方向相反，则在两导体相邻近的一侧电流密度的较大，而相反的一侧，电流密度则较小。,邻近效应与导体之间的分布、导体间的距离有关。,26,（3）附加损耗趋肤效应和邻近效应都使得电流在导体的横截面上的分布不均匀，结果使导体的电阻增大，它的损耗功率也增大。,趋肤效应和邻近效应产生的损耗总称附加损耗（焦耳损耗）。附加损耗功率为：,Kfj：附加损耗系数。Kfj=KjKl。Kj：趋肤效应系数。Kl：邻近效应系数。,交流电阻：,（P75）,27,3.1.3载流导体运行中的损耗,3、铁磁损耗（铁损）载流导体周围的铁磁物质在交变磁场反复磁化作用下，将产生磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗和涡流损耗合称铁磁损耗。它把从电源吸收的电能转化为热能，使铁磁物质发热。,28,3、铁磁损耗（铁损）（1）磁滞损耗铁磁物质在交变磁场的反复磁化作用下，由于内部的不可逆过程而使铁磁物质发热所造成的损耗，称为磁滞损耗。磁滞损耗经验公式：,磁滞损耗与频率f的一次方成正比，与最大磁感强度Bm的n次方成正比。,3.1.3载流导体运行中的损耗,29,Hc,磁滞回线,Hc：矫顽力,Br：剩磁,Br,磁感强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，叫做磁滞现象。,O,Hc,Hm,Hm,Bm,30,（2）涡流损耗当铁磁物质放置在变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，铁磁物质内部会产生感应电流。感应电流在铁磁物质内部呈涡旋状，称为涡流。由于铁磁材料也具有电阻，所以产生功率损耗。涡流损耗与电源频率f的二次方成正比，与磁感强度最大值Bm的二次方成正比。,3.1.3载流导体运行中的损耗,31,涡流,32,4、介质损耗电气绝缘材料称电介质。电介质能建立电场，储存电场能量，也能消耗电场能量。短期较高的电场强度会引起电介质击穿破坏，长期较低的电场强度会导致电介质老化破坏。交变电场的电导损耗和电介质被周期性反复极化产生的损耗称为介质损耗。在电场的作用下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿四种基本物理过程。电介质的功率损耗：,3.1.3载流导体运行中的损耗,33,3.2接触电阻当两个金属导体互相接触时，在接触区域内存在着一个附加电阻，称为接触电阻。3.2.1接触的类型(1)固定接触用紧固件(如螺钉或铆钉等)压紧的电接触称固定接触。这种接触工作时没有相对运动。,34,35,(2)可分接触工作中可以接通或分断的电接触称可分接触。接触的双方是一对电触头，一个称静触头，另一个称动触头。触头的性能，对开关电器的分断能力、控制电器的电气寿命、继电器的可靠性等起重要的作用。,触头是电器的最薄弱环节，容易发生故障。,静触头,动触头,36,(3)滑动及滚动接触在工作过程中触头可以互相滑动（或滚动）的接触方式称为滑动(或滚动)接触。高压断路器的中间触头、公共电车及电气火车的电源引进部分。,高压断路器?,37,38,39,无论用什么工艺切开导体，或切开后对切面无论用什么工艺实行精加工，切面表面总是凸凹不平的，总是有宏观和微观上的波纹,表面粗糙等。当两个接触面接触时，实际上只有若干个小块面积相接触，而在每块小面积内，又只有若干小的突起部分相接触，称为接触点。,3.2.2接触电阻的组成接触电阻Rj由收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb两部分组成1、收缩电阻,40,在接触处，金属的实际截面积减小了。电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流线发生剧烈收缩现象。该现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。,41,因为接触点由多个组成，所以整个接触面的收缩电阻Rs，为各个接触点收缩电阻的并联值。整个接触面的收缩电阻Rs与材料的电阻率成正比，与材料硬度（HB值）的平方根成正比，与压力F和接触点的数目n的二次方根的乘积成反比。,42,2、表面膜电阻在电接触的接触面上，由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部分表面膜电阻。表面膜电阻的类型；（1）尘埃膜（2）吸附膜（3）无机膜（4）有机膜,43,（1）尘埃膜：飘扬于空气中的团状微粒，由于静电的吸力而覆盖于接触表面形成膜电阻。被吸附的微粒在外力作用下极易脱落，使接触重新恢复，因此其电阻值的变化是不稳定的，具有随机的和统计的特点。（2）吸附膜：水分子和气体分子在接触表面的吸附层。其厚度仅有几个分子层。当触头间的压力在接触面上形成很高的压强时，其厚度可以减到12个分子层(510)，但无法用机械的办法把它完全排除。因此，无论采用何种触头材料，吸附膜都是不可避免的。,44,（3）无机膜：电接触材料暴露于空气中时，由于化学腐蚀作用在金属表面形成各种金属化合物的薄膜称为无机膜。金属和氧生成氧化膜，和H2S反应生成硫化膜；金属表面一旦暴露在大气中，便会很快生成几微米的初期氧化膜层。铜：2-3min，镍：约30min，铝：2-3s，其表面便可形成厚度约2m的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。,45,在潮湿的空气中，在电介质作用下，使不同的金属间发生电化学腐蚀，也在金属表面积存锈蚀物。无机膜的形成取决于金属材料的化学和电化学性质。无机膜对电接触的破坏作用与其厚度有关，也和膜的性质有关。在接触压力较大，电路参数较高时，有些无机膜对电接触的危害并不严重。,46,（4）有机膜：从绝缘材料中析出的有机蒸汽，在电接触金属材料表面形成一种粉状有机聚合物，称为有机膜。有机膜对电接触的危害是很严重的，其阻值可达几兆欧（M），其绝缘性能与一些无机膜相似，但它们的击穿电压却是无机膜的十倍左右。,因接触的导电性能取决于膜的厚度和性质。尤其存在着较厚的有机膜时，触头间的导电性能几乎完全遭到破坏。为了恢复良好的导电性，可以利用机械力的作用(如增加接触压力)把膜压碎。切换大电流的触头，可以利用因开断或闭合时伴随而产生的电流热效应和电弧的烧损，使膜被破坏，不致影响接触的良好导电性能。,47,3.2.3影响接触电阻的因素电气设备的接触电阻过大时的危害：（1）使设备的接触点发热。（2）发热时间过长缩短设备的使用寿命。（3）严重时可引起火灾，造成经济损失。,48,影响接触电阻的因素1、触头材料（包括表面镀层材料）为了防止触头冷焊，需要用硬度较高的触头材料，如金、银、铜、铜镀银等。为要改善接触性能，材料硬度又不宜太高。要根据实际需要来选择。材料的化学稳定性要好，抗污染、抗腐蚀、抗氧化能力要强，导电性能要好，电阻率要低，以满足接触电阻小而稳定的要求。2、触头接触压力触头接触压力越大，接触面积越大，接触电阻越小。但触头压力增大到一定数值时，会使触头的机械磨损和电磨损增大。因此，触头压力应控制在适当的范围内。,49,3、触头形状和接触形式接触形式与触头形状关系密切。点接触时接触电阻大；线接触时接触电阻要小些；面接触时接触电阻更小些。中小功率的继电器多采用线、面接触，以提高抗熔接、抗腐蚀能力。在小型继电器中往往还采用桥式接触形式和分叉的双触头接触形式，以适应频繁动作，提高接触可靠性。另一方面，大尺寸的触头虽然接触电阻可以减小，但尺寸太大既浪费材料又增大了体积和重量，而且会使回跳增多和回跳时间延长，增大触头磨损，也降低了抗振动、抗冲击的能力。,51,52,50,50,线接触,点接触,面接触,49,51,桥式接触形式,分叉的双触头接触形式,49,52,4、表面粗糙度触头表面加工的粗糙度越小，实际接触点就越多，而且更不易粘附尘埃、吸附有害气体和潮气，增强了抗腐蚀的能力，同时减小了接触电阻。一般触头的表面粗糙度为（轮廓算术平均偏差）Ra1.6mRa0.4m。粗糙度太小了就需要抛光和研磨，抛光时使用的抛光膏的存在会增大触头有机污染的机会，是极为不利的。粗糙度过小也会增大冷焊的机会。,53,5、触头污染触头的污染物有尘埃、潮气、纤维、有机气体的液体等，来自周围环境和加工工艺过程及继电器本身的结构材料（如绝缘材料)。污染是影响接触电阻的重要因素，会产生较大的膜电阻和化学腐蚀，增大接触电阻，降低触头的寿命。因此要求整洁生产和超净生产以减少污染。采用全密封技术或接触系统、电磁系统单独密封技术都是抗污染的措施之一。,54,6、触头温度触头表面温度的增加（包括环境温度和触头本身温度的增加），会使其表面状况、接触面积都发生变化。在触头压力不变的情况下，温度升高会使金属的电阻率增大，因此接触电阻增大。温度升高到一定程度时，会使触头软化，接触面积增大，接触电阻下降。温度升高会加剧触头金属氧化和化学腐蚀，不利于工作的稳定和可靠。改善散热条件的措施有：充入高压气体或罩壳涂黑。,55,3.3.1电器的温升电器在运行的过程中，如果产生过高的热量，将严重地影响电器的安全使用和使用寿命，严重的还会引起火灾。温升：是指电器运行中自身温度与工作环境温度之差。极限允许温升：是指电器在正常工作条件下的极限允许温度与工作环境温度之差。,3.3电器的允许温升及散热,56,3.3.2电器的发热与散热平衡规律,1、发热电器中的热源主要来自三个方面：交流电器的导体中产生的电阻损耗：交流电器的铁磁物质内产生的涡流和磁滞损耗：交流电器绝缘体内产生的介质损耗：,57,热传导,热辐射,热对流,2、散热,如果散热条件被破坏，将导致电器自身的温度过高，轻则损坏绝缘，重则可能烧毁电器，甚至引起火灾。,58,3、稳态温升正常工作的电器，经过一段时间后，发热与散热总会趋于平衡，此时的温升称为稳态温升。,（牛顿公式）,一般指发热体表面的平均温升，也是电器发热、散热平衡以后的稳态温升。,KT：综合表面散热系数。S：有效散热面积。,59,（1）导体的发热与直径的平方成正比，而散热却与直径一次方成正比。在相同电流密度下，导体直径越大，则温升越高。为了保证导体温度不超过允许值，导体直径越大，则允许通过的电流密度就必须越小。,载流导线的稳态温升：,60,（2）温升与导体的有效散热面积成反比，故在大电流时常采用扁平的矩形导体或采用多根导体绞合并联，以增加导体的散热面积。,载流导体的稳态温升：,61,3.3.3绝缘损伤有绝缘层保护的导线或导电部件，如果绝缘层遭到破坏或绝缘性能降低，就会有不同程度的漏电，甚至发生短路，造成严重的损失。对导体绝缘的要求，除了增进绝缘本身性能外，还应针对绝缘层损坏的各种因素和形式，采取相应的防范措施，使其安全可靠的运行。绝缘损坏的形式：老化、击穿和机械损伤。,62,1、老化绝缘材料在应用过程中，受各种因素的长期作用，会产生一系列缓慢的物理、化学变化，从而导致其电性能和机械性能的恶化，称为老化。影响绝缘材料老化的因素有：光、电、热、氧化、辐射、微生物等等。电老化、热老化、氧化老化、湿度老化、光老化、微生物老化老化过程非常复杂，其机理也随使用条件的不同而不同。,63,化学名词：裂解(降解)：通常泛指高分子化合物在物理因素(如热紫外线高能辐射机械力)和化学因素(如氧臭氧腐蚀性介质和化学药物)作用下转变成低分子化合物的过程，其中包括分子链的断裂。高分子裂解的形式是多种多样的，如热裂解、力裂解光裂解高能辐射裂解氧化裂解、生物裂解化学药物裂解等。解聚：指采用化学方法(如酸解或碱解)或酶学方法使由共价键结合的高聚物(如核酸、蛋白质、多糖等)降解成低聚物和/或单体的反应。,64,（1）电老化绝缘材料在高压电器设备中，因高电场强度造成电离而产生的老化属于电老化。典型的电老化机理：1)局部放电时产生臭氧，臭氧是一种强氧化剂，最易与大分子链的双键起加成反应，在加成反应过程中使碳碳键断裂。因此很容易使材料发生臭氧裂解。2)局部放电产生氯的氧化物，它与潮气结合生产硝酸，发生腐蚀作用。3)局部放电产生高速粒子，对绝缘材料轰击，发生破坏作用。4)局部放电使介质损耗增大，材料局部发热促使材料性能的恶化。,65,（2）热老化绝缘材料经常会受到外界环境或来自本身内部的(如介质损耗引起的)热作用，在低压高频电场条件下，这种热作用引起的老化更为明显。热老化的机理：1)存在于绝缘材料中或老化过程形成的低分子挥发成分或产物的逸出。2)热解。在热作用下，有些材料(如聚氯乙烯)会裂解产生有害物质(如氯化氢)，可能引起催化作用。3)解聚和氧化裂解。在热和氧作用下，引发生成游离基并参与链反应，结果使大分子链断裂，生成单基物或低分子物，使材料的介电、机械性能下降。,66,4)分子继续聚合开始可能会提高物理和电气性能，但随后即导致柔软性下降、变脆，并在机械应力作用下损坏。热老化规律的近似公式：,使绝缘寿命降低一半所需增加的工作温度，A级绝缘为8，B级绝缘为10，H级绝缘为12，称为热老化8原则。,67,（3）氧化老化各种材料都有不同的氧化形式，多数塑料由于热裂解成游离基，再和氧结合生成ROOH(一元羧酸的通式)的连锁反应。在低温下热氧化老化较慢，有氧存在使热聚温度下降，如聚乙烯在真空中热解聚的活化能是4870kcalmol。在空气中为1635kcalmol。对有机大分子的氧化反应，常使极性基增加，引起介质损耗和电导的增加。液体介质的氧化结果使介质酸值变大，粘度上升，并有沉淀生成。,68,（4）湿度老化水分的存在对绝缘材料的影响：使材料介电常数变大，绝缘电阻降低；使电晕产生的几种氧化物变为硝酸，亚硝酸而腐蚀金属，使纤维及其它绝缘材料发脆；为微生物的生成提供了有利条件。湿度使许多物质离解为离子，加速老化发展，湿度对热老化、氧化老化起加速作用，故干热和湿热绝缘材料的寿命相差40。如油浸纸绝缘水分含量超过允许值一倍时，其使用寿命就缩短一半；对于交联聚乙烯电缆的树脂老化特性，全干式交联优于半干式交联，而半干式交联又优于水蒸汽湿法交联。,69,（5）光老化光和射线供给分子、电子以一定能量，波长在400nm以下的紫外线、X射线、射线，能对高聚物起能觉察到的老化作用。光的作用是切断分子链及交联作用，使绝缘发粘，变脆、开裂、失去绝缘性能。,（6）微生物老化微生物以有机绝缘材料为食物，或破坏绝缘引起介质老化，微生物繁殖因其生物体的影响会使绝缘表面电阻下降，其分泌物成为高分子分解的因素，还会使机械性能下降。,70,2.绝缘击穿击穿：绝缘材料上所加电压超过某一临界值时，绝缘材料被破坏，绝缘能力丧失。击穿电压：这一临界值电压。击穿电压取决于绝缘材料的性质、厚度以及环境情况。绝缘材料发生击穿后，其绝缘能力丧失，通过绝缘材料的电流剧增，造成短路甚至引起火灾。,71,3机械损伤在制造、安装和维修时，由于嵌线不慎、意外碰撞、摩擦等原因造成的绝缘材料损伤。损伤的部分或彻底穿透或厚度减少。在通电运行时，可能会立即发生短路。也可能在损伤部位发生击穿或提前老化损坏，经过一段时间后发生短路事故。,72,72,3.4导体的长时发热与短时发热,导体的两种发热状态：长时发热：导体长期流过工作电流的发热。短时发热：导体短时间流过短路电流引起的发热。研究导体尤其是电线电缆的长时发热与短时发热的规律，是为了找出提高导体长期允许发热的方法，使导体发热温度不超过最高允许温度，以保证导体的安全运行。,73,3.4.1导体发热,导体的电阻损耗产生的热功率：,74,3.4.2导体的温升过程当导体未通电流时，其温度与周围介质的温度相等；导体通有电流后，便产生热量，使导体温度升高，同时又以对流和辐射的方式向周围介质散发热量。当发热和散热达到平衡时，导体的温度保持不变。导体的温升规律：,均质导体的温升按时间指数函数增长。当t=(34)T时，导体温升即趋于稳定温升。,发热时间常数：,稳态温升,75,75,在稳定发热状态下，导体中产生的全部热量都散失到周围环境中。与电流I平方成正比，与导体放热能力KzhF成反比，而与导体的起始温度0无关。导体长期允许电流（导体最大允许载流量）：,3.4.3导体长期允许电流,（牛顿公式）,稳态温升：,76,76,3.4.5提高导体长期允许电流的方法,导体的长期允许电流取决于导体材料的长期发热允许温度，表面散热能力和导体电阻。1、采用电阻率小的导体材料，提高导体的载流能力。如铝，铝合金，铜等导体材料的电阻率较小。2、减小导体接头的接触电阻，提高其长期发热允许温度y。如采用在接触面镀银、搪锡等方法，可提高导体允许温度。,77,3、提高导体表面散热能力（1）导体的布置应采用散热效果最佳的布置方式。（2）增大导体表面的散热面积导体表面的散热面积与导体的几何形状有关。在截面积相同的条件下，圆柱形外表面最小，矩形、槽形外表面较大，所以工程上很少使用圆柱形母线。（3）强迫冷却采用强迫水冷或风冷来提高母线的对流放热量。导体表面涂漆，可以提高辐射散热能力，能增加载流量。并用以识别相序，便于操作巡视。,78,对于室外配电装置母线，为减少对太阳辐射的吸收，应采用吸收率较小的表面，故室外配电装置母线不应涂漆，而保留其光亮表面。加强自然通风：导线明敷应选自然通风良好的环境，不应覆盖；穿管时导线占积率不应超过60；对于沟道电缆，通风条件在设计时也要给于考虑。否则将使