发热-西安交大高压电器

1、发 热允许温度n高压电气设备在工作中都会发热。高压电器发热的主要问题在于，零部件的温度过高可能使材料的物理、化学性能起变化，机械性能和电气性能下降，最后导致高压电器的工作故障甚至造成严重事故。为保证高压电器在工作年限内可靠工作，必须限制各种材料的发热温度使其不超过一定数值这个温度就是最高允许发热温度简称最高允许温度。n国家标准GB763交流高压电器在长期工作时的发热规定了高压电器各部分的零件、材料和介质在长期工作时的最高允许温度。同时给出了在周围空气温度为40时的最高允许温升值（允许温升为允许温度和周围空气温度之差)。n高压电器短时通过短路电流时、允许温度可以比长期工作的允许温度高些 。最大允

2、许温度的确定n金属材料的允许温度 金属材料的允许温度决定于材料的机械强度是否变化。温度过高，材料软化，机械强度明显下降。n 接触连接的允许温度 接触连接在高压电器中用得很多，可分接触连接触头是开关电器最关键的部件，其所有动作职能都是通过触头来实现的。因此，对触头及其它接触连接部分的工作温度规定得尤其严格，接触连接(包括触头)的长期允许温度比同样材料制作的其它零件的允许温度低很多。接触连接的允许温度主要决定于接触电阻的稳定性。接触连接处温度如过高，接触表面会强烈氧化、接触电阻会剧烈增加。n绝缘材料的允许温度 有机绝缘材料温度过高，会使材料逐步变脆老化，材料的绝缘性能也随之下降。电气绝缘材料的耐热

3、分级nY级：由非浸渍的棉、丝及纸等材料或由它们构成的复合物构成的绝缘，如凭经验或验收试验证实能在Y级温度下运行的其它材料，则可包括在本级内。（ 最高允许温度：90 ）nA级：经适当浸渍、涂覆的或浸在绝缘介质(如油)中的棉、丝及纸等材料或其复合物构成的绝缘。如凭经验或验收试验证实能在A级温度下运行的其它材料或其复合物，则可包括在本级内。 （ 最高允许温度：105 ）nE级：凭经验或验收试验证实能在E级温度下运行的材料或其复合物构成的绝缘。 （ 最高允许温度：120 ）n B级：由用适当粘合剂的云母、玻璃纤维、石棉等材料或其复合物构成的绝缘。如凭经验或验收试验证实能在B级温度下运行的其它材料或其复

4、合物，不一定是无机材料，则可包括在本级内。（最高允许温度：130 ）nF级：由用适当粘合剂的云母、玻璃纤维、石棉等材料或其复合物构成的绝缘。如凭经验或验收试验证实能在F级温度下运行的其它材料或其复合物，不一定是无机材料则可包括在本级内。 （ 最高允许温度：155 ）nH级：由硅橡胶和用硅环氧树脂作粘合剂的云母、玻璃纤维、石棉等材料或其复合物组成的绝缘。如凭经验或验收试验证实能在H级温度下运行的其它材料或其复合物，则可包括在本级内。 （ 最高允许温度：180 ）nC级：由有或没有无机粘合剂的云母、瓷、玻璃和石英等材料或其复合物组成的绝缘。如凭经验或验收试验证实能在H级温度极限以上运行的其它材料或

5、其复合物，则可包括在本级内。本级内某种特定材料或其复合物的温度极限，应按其物理、化学和电气特性而定。 热的产生（热源）n电阻损耗 电流流经高压电器导电部分时，由于导体有电阻，因此发热产生电阻损耗。2PI R 对于交流电路而言，受集肤效应和邻近效应的影响，导体的截面并未得到有效的使用，其电阻值比直流时大，此时的功率损耗为2fPK I Rn铁磁损耗电器中的载流导体有时要从铁磁零件附近通过。由于铁的磁导率高，磁通将通过铁磁零件而成闭路。如果导体通过的电流为交流，则交变磁通在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。n介质损耗 绝缘材料中的介质损耗与电场强度及频率有关。电场强度超大和频率越高，则介质损耗也越大。低压

6、电器中介质损耗常小得可忽略不计，但在高压电器中这种损耗一般应该考虑（例如，电容套管常因介质损耗发热而击穿）。交变电场中的介质损耗为22tantan/icpfCURX传热的基本方式n热传导任何物质的基本质点都具有一定的内能，质点与质点之间常有能量相互作用。热传导现象的实质是质点间的直接作用，把能量从一个质点传递到另一个相邻质点。在绝缘的液体和固体中，质点间的能量传递是通过弹性波进行的。气体中的热传导还伴随着原于和分于的扩散，金属中则有电子的扩散。分析热传导现象必须用到著名的傅里叶定律。该定律说，单位时间内通过物体单位面积的热量与该处的温度梯度成正比。n热对流热对流仅在流体(液体和气体)中存在，对

7、流的实质是粒子的彼此相对移动而产生热能转移。在流体对流的过程中，常伴随着热传导现象。对流分自然对流和强迫对流。自然对流发生在不均匀加热的流体中，在高温区，粒子密度比低温区的小，温度较高的粒子向上迁移，温度较低的粒子向下迁移。这种因粒子密度的不均匀性产生的自然上升力和下降力，导致了流体中的自然对流和热交换。在中小容量电器中，一般都采用自然对流散热。强迫对流是在外界因素强迫作用下形成的，例如用气流或液流进行强吹和强冷，这在某些强电流电器或高频电器中采用。 对流有层流和紊流两种形式。前者粒子运动的特点是速度较低，运动平稳，粒子平行分层运动。后者的特点是粒子运动速度高，形成旋涡式的紊乱运动。n热辐射热

8、辐射是由电磁波传播能量物体的热辐射功率与发热体温度的4次方和吸收体温度的4次方之差成正比。国家标准规定，电器零部件的极限允许温度只有百度数量级，因而它们的辐射功率较小，其散热过程主要是对流和传导。对于电弧而言，它的温度很高，在万度数量级，因而电弧的辐射功率不能忽略。实际的传热情况n固体零件：在固体零件中主要以热传导方式传热。n真空：只有热辐射方式能通过真空传热。n流体薄层：由于流体的对流运功受到空间的限制，在气体层中起传热作用的有热传导及热辐射，在油层中只有热传导起传热作用。由于气体和油的热导率都很小，所以薄流体层的热阻很大，当气体层或油层的厚度较大时，对流换热的作用逐渐加大，热阻反而减小，因

9、此，从加强散热角度出发、在结构中应避免出现薄气体层和油层。n能自由对流的流体内部：在能自由对流的流体内部主要采用对流换热方式传热由于流体的对流作用，流体内部温差很小，流体上层温度稍高于下层温度。n固体表面与流体间：当流体介质为气体时，以对流换热和热辐射方式传热；当介质为油时以对流换热方式传热。牛顿公式n 根据热传递物理过程的不同，曾分别讨论过传导、对流和辐射三种散热形式，然而在实际应用中，为了简使起见，常把三种散热形式合并在一起考虑，这就是工程上常用的牛顿热计算公式n物体的散热是一个极其复杂的过程，影响散热的因素很多。综合散热系数包含了所有的传热形式，因而各种具体条件对其数值的影响极大，而实验

10、数据又是在特定条件下得到的，这就要求在选用时必须慎重对待。其次，对于有效散热面的选取，也必须根据不同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。0sTsTPK APAK总散热功率有效散热面积发热体的温升 综合散热系数发热体升温过程电器通电产生的功率损耗一部分散失到周围介质中去，一部分加热电器使其温度升高。根据热平衡原理，电器的发热等于散热加吸热。TTPdtK A dtcmdPdtdtK A dtdtcmddtdcm在 时间内电器总的发热量在 时间内电器总的散热量在 时间内电器温度升高时所吸收的热量比热容发热体质量0/000/0,;,10,140.98wTt Tt TwTwt TwwPttK Aeec

11、mTTK AtetT 电器的热时间常数，电器开始通电时的温升，称为起始温升电器通电经无限长时间后的温升，称为稳定温升当时，则电器通电以后，其温升随时间按指数规律增长，当时，接近于稳定温升不同工作制下的热计算n长期工作制电器工作于长期工作制时，其工作时间通常大于8h，有的连续工作几天，甚至几个月。可以证明，实际上电器到达稳定温度的时间往往不需要8h或更长的时间。n短时工作制 如果电器工作的时间很短，小于4倍热时间常数，则在通电时间内电器温升不会达到稳定温升。为了使电器得到充分利用，我们可以加大电器的电流进行超载运行，只要使电器短时通电末了的温升等于长期通电时的稳定温升，电器便不会损坏。n反复短时

12、工作制反复短时工作制是指电器在通电和断电交替循环的情况下工作，电器通电和断电的时间小于4倍热时间常数。短路电流下的热计算和电器的热稳定性n 许多电器都必须经受短路电流的考验，在一定时间内电器承受短路电流引起的热作用而不致损伤电器的能力称为电器的热稳定性。短路时导体的热计算主要是校核其热稳定性。n电器的热稳定性用I2t表示。n短路电流通过导体时的发热有两个显著的特点，一是通电的时间很短(例如短路时间0.005T)，导体还来不及向周围介质散热，因而可假定为绝热升温过程，二是导体的允许温度高(例如铜导体为3000度)，必须考虑导体的电阻率随温度而变。根据这两个特点可以写出导体的热平衡方程。小结n电器

13、在工作时由于有电流通过导体而产生电阻损耗；对于交流电器由于考虑导体的集肤效应和邻近效应，在导磁体中除电阻损耗外还有磁滞和涡流损耗；对于高压交流电器还要考虑介质损耗。所有这些损耗几乎全变为热，一部分散失到周围介质中去，一部分加热电器，使它的温度升高。n电器的零部件温升过高，会导致机械强度降低和绝缘损坏，因此标准中对不同工作制下电器各零部件的极限允许温升有明确规定。n电器的散热有传导、对流和辐射，三种方式可以用一个综合的散热系数来考虑，这就是牛顿公式。n计算电器温升的基本方程是热平衡方程，其中包含发热、散热和吸热三项。在稳定状态下吸热项为零，短时发热时可不考虑散热项。n电器的工作制有长期工作制短时工作制和反复短时工作制。n电器加热和冷却对应的温度上升和下降的过程是指数曲线。表征温度上升和下降快性的是热时