电气发热与计算

1、电 气 发 热 与 计 算主讲人：陈磊主讲人：陈磊主要内容主要内容v 发热对载流导体的影响；发热对载流导体的影响；v 导体的长时发热与散热；导体的长时发热与散热；v 导体短时发热与散热；导体短时发热与散热；第一节第一节 发热对载流导体的影响发热对载流导体的影响v载流导体运行中的工作状态载流导体运行中的工作状态v载流导体工作中的损耗载流导体工作中的损耗v 电阻损耗电阻损耗v 磁滞、涡流损耗磁滞、涡流损耗v 介质损耗介质损耗v 发热对导体和电气的不良影响发热对导体和电气的不良影响v机械强度下降机械强度下降v绝缘性能降低绝缘性能降低v导体接触部分性能变坏导体接触部分性能变坏电阻损耗电阻损耗u 输电线

2、或电磁线圈输电线或电磁线圈的导体本身及连接处都的导体本身及连接处都有电阻存在，当电流流有电阻存在，当电流流过时，就会电阻损耗，过时，就会电阻损耗，将电能转变为热能。将电能转变为热能。 P=KfjI2Rv交流电阻：交流电阻：v电阻系数与温度的关系：电阻系数与温度的关系： v 时的电阻系数；时的电阻系数；v当当lRS20(1)0(1)100 C00 Cv Kfj附加损耗系数，考虑交变电流集肤效附加损耗系数，考虑交变电流集肤效 v 应和邻近效应的影响；应和邻近效应的影响；v集肤效应集肤效应 邻近效应邻近效应集集 肤肤 效效 应应v 当交变电流流过导线时，导线周围变当交变电流流过导线时，导线周围变化的

3、磁场也要在导线中产生感应电流，从化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。效应现象。邻近效应邻近效应v 相邻导线流过高频电流时相邻导线流过高频电流时, ,由于电磁作用使电由于电磁作用使电流偏向导线一侧分布的特性流偏向导线一侧分布的特性, ,称为邻近效应。称为邻近效应。v 若两根导线流过的电流方向相反，则相邻近的若两根导线流过的电流方向相反，则相邻近的一侧电流密度比较大；一侧电流

4、密度比较大；v 若两根导线流过的电流方向相同，则相邻的一若两根导线流过的电流方向相同，则相邻的一侧电流密度较小，相反的一侧电流密度较大。侧电流密度较小，相反的一侧电流密度较大。磁滞损耗磁滞损耗v 基本磁滞回线基本磁滞回线 Br 剩余磁感应强度；剩余磁感应强度； HC 矫顽力矫顽力 这种这种B的变化滞的变化滞 后于后于H变化的现象变化的现象 称为磁滞现象。称为磁滞现象。铁磁质物质内铁磁质物质内的磁感强度的磁感强度外磁场强度外磁场强度涡流损耗涡流损耗减小涡流的方法减小涡流的方法铁铁 损损v 交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗的和称为铁磁损耗，简称为铁损。流损

5、耗的和称为铁磁损耗，简称为铁损。介质损耗介质损耗v 电电 介介 质质 电气绝缘材料；电气绝缘材料；v 介质损耗介质损耗 交流电场中的电介质特性；交流电场中的电介质特性；v 电导损耗电导损耗+ +极化损耗；极化损耗；v 电导损耗电导损耗 由泄漏电流形成；由泄漏电流形成；v 极化损耗极化损耗 电介质中的带电粒子由于不电介质中的带电粒子由于不v 断、反复的极化消耗的电能所断、反复的极化消耗的电能所v 转化成的热能。转化成的热能。金属材料机械强度与温度的关系金属材料机械强度与温度的关系绝缘性能降低绝缘性能降低v 绝缘材料的耐热温度；绝缘材料的耐热温度；v 绝缘材料的寿命周期；绝缘材料的寿命周期；v 绝

6、缘材料的允许温度；绝缘材料的允许温度；绝缘的耐热温度绝缘的耐热温度v绝缘材料的耐热温度：绝缘材料的耐热温度：v 该类材料所能承受而不致引起其该类材料所能承受而不致引起其机械特机械特性性、电气特性电气特性和和热性能降低热性能降低的最高工作温度，的最高工作温度，也称也称极限温度极限温度。v 按我国标准将绝缘材料按耐热温度分为七按我国标准将绝缘材料按耐热温度分为七级，在该温度下能工作级，在该温度下能工作20000h而不致损坏。而不致损坏。各级绝缘材料的耐热温度等级等级耐热耐热温度温度相应的材料相应的材料Y Y9090未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等材料或组合物所组成的绝未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸

7、等材料或组合物所组成的绝缘结构缘结构A A105105浸渍过的浸渍过的Y Y及绝缘结构材料及绝缘结构材料E E120120合成的有机薄膜、合而成的有机瓷器等材料或其组合物组成的合成的有机薄膜、合而成的有机瓷器等材料或其组合物组成的绝缘结构绝缘结构B B130130以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等。以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等。F F155155以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料，合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘以及其他无机材料，合适的有机材料或其组合物所组成

8、的绝缘结构结构H H180180硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等用硅有机树脂粘合材料以硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等用硅有机树脂粘合材料以及一切经过实验能用在此温度范围内的各种材料及一切经过实验能用在此温度范围内的各种材料C C180180以合适的树脂（如热稳定性特别优良的硅有机树脂）粘合或浸以合适的树脂（如热稳定性特别优良的硅有机树脂）粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维等，以及未经浸渍处理的云母、陶渍涂覆后的云母、玻璃纤维等，以及未经浸渍处理的云母、陶瓷、石英等材料或其混合物所组成的绝缘材料瓷、石英等材料或其混合物所组成的绝缘材料最高允许温度最高允许温度v最高允许温度：最高允许温度：v 是用

9、一定方法测定的电器元件的是用一定方法测定的电器元件的最热温度最热温度，在此温度，在此温度下，整个电器能保持连续工作；下，整个电器能保持连续工作；v允许温度小于耐热温度；允许温度小于耐热温度；v分为正常最高允许温度和短路最高允许温度，后者较高；分为正常最高允许温度和短路最高允许温度，后者较高；v电气设备的允许温度要考虑到它的最薄弱环节；电气设备的允许温度要考虑到它的最薄弱环节；v短路最高允许温度通常用来校验设备的热稳定性。短路最高允许温度通常用来校验设备的热稳定性。 导体接触部分性能变坏发热使导体接触面氧化，生成氧化层薄膜，接触发热使导体接触面氧化，生成氧化层薄膜，接触 电阻增大，增大的速度随温

10、度的升高而成倍增长；电阻增大，增大的速度随温度的升高而成倍增长；使弹簧的弹力元件退火，压力降低，接触电阻增加；使弹簧的弹力元件退火，压力降低，接触电阻增加；可能导致局部过热火灾。可能导致局部过热火灾。接触电阻定义接触电阻定义v 当两个金属导体以某种机械方式互相接当两个金属导体以某种机械方式互相接触时，在接触区域所呈现的附加电阻。触时，在接触区域所呈现的附加电阻。 产生接触电阻的原因：产生接触电阻的原因： 1、 切面（接触面）表面的凹凸不平，金切面（接触面）表面的凹凸不平，金属实际接触面积减小，使电流线在接触面属实际接触面积减小，使电流线在接触面附近发生严重收缩现象；附近发生严重收缩现象； 2、

11、 接触面在空气中可能迅速形成一层薄接触面在空气中可能迅速形成一层薄膜附着于表面，使电阻增大。膜附着于表面，使电阻增大。接触电阻的组成接触电阻的组成接触电阻接触电阻RJ由两部分组成：由两部分组成：（1 1）收）收 缩缩 电电 阻阻RS；（2 2）表面膜电阻）表面膜电阻 Rb；RJ= RS+Rb收收缩缩电电阻阻影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素 一、接触形式一、接触形式 二、材料性质二、材料性质 三、接触压力三、接触压力 四、接触表面的光洁度四、接触表面的光洁度 五、触头密封结构五、触头密封结构 六、腐蚀六、腐蚀 七、温度七、温度第二节第二节 导体的长时发热与散热导体的长时发热与散热 一、导体发

12、热一、导体发热v单位长度导体，通过导体的电流为单位长度导体，通过导体的电流为I 时，由电阻损时，由电阻损耗产生的热量为：耗产生的热量为：v式中的式中的 为交流电阻，可按下式计算：为交流电阻，可按下式计算：1(20)acfjRKS 2RacPI RacRo-1C二、导体散热二、导体散热v热传导热传导v热对流热对流v热辐射热辐射三、导体的正常温升过程v导体温度未达稳定时，热平衡方程：导体温度未达稳定时，热平衡方程： 导体综合散热系数导体综合散热系数 ，非常数；，非常数； 导体的有效散热面积；导体的有效散热面积； 导体对周围环境的温升，导体对周围环境的温升， ；zhKS2W/(m)C0 20dd +

13、()dt d +dtzhzhI R tmCKSmCK S 上式可变为：上式可变为： 解该常系数非齐次一阶微分方程，可得：解该常系数非齐次一阶微分方程，可得： 其中：其中： 发热时间常数发热时间常数2zhddI RmCK St20zh(1)ttTTI ReeKS0(1)ttTTWeezhm CTKS0v用牛顿公式求导体发热稳定温升用牛顿公式求导体发热稳定温升牛顿公式：牛顿公式： 散热功率；散热功率；在热稳定状态下，线圈的发热应等与其散热，即在热稳定状态下，线圈的发热应等与其散热，即: :故可求得导体的稳定温升：故可求得导体的稳定温升： SzhPK SSP2WzhI RKS2SzhWI RPK S

14、均质导体温升曲线四、导体长期允许电流四、导体长期允许电流v1、导体长期允许电流：、导体长期允许电流： 导体长期允许电流；导体长期允许电流； 导体长期发热允许温度，导体长期发热允许温度， ；yI0()zhyyKSIRy0yy根据牛顿公式变形根据牛顿公式变形 I2R=KzhF ( - 0) 导体的载流量与导体运行温度有关，导体的载流量与导体运行温度有关，当导体运行温度确定，则导体载流量也将当导体运行温度确定，则导体载流量也将确定。确定。 同样，当环境温度一定，在导体温同样，当环境温度一定，在导体温度给定条件下，对不同横截面的导体，有度给定条件下，对不同横截面的导体，有一个最大载流量与之对应。一个最

15、大载流量与之对应。3 3、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用电阻率小的导体采用电阻率小的导体减小导体接触电阻减小导体接触电阻增加导体的横截面积增加导体的横截面积0()zhyyKSIR3 3、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y主要与导体几何形状主要与导体几何形状有关有关0()z

16、hyyKSIR3 3、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y合理布置导体加强合理布置导体加强自然通风自然通风采取强迫冷却采取强迫冷却导体表面涂漆导体表面涂漆0()zhyyKSIR3 3、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用耐热绝缘材料采用耐热绝缘材料0()zhyyKSIR3 3、提

17、高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用耐热绝缘材料采用耐热绝缘材料0()zhyyKSIR3 3、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用耐热绝缘材料采用耐热绝缘材料0()zhyyKSIR 我国导线电缆的额定电流，是按一定我国导线电缆的额定电流，是按一定的环境温度确定的（空气中为的环境

18、温度确定的（空气中为25 25 ，地下，地下15)15)，当安装地点的实际温度与该环境温，当安装地点的实际温度与该环境温度不一致时，必须对度不一致时，必须对I Iy y给于修正给于修正, ,即：即： t t：规定环境温度（一般为：规定环境温度（一般为25 25 ) ) 0 0：实际环境温度：实际环境温度4 4、温度的修正：、温度的修正：0yyyytII 已知绝缘铝导已知绝缘铝导线横截面线横截面S=25mm2，环境，环境温度温度 0 =25 ，其允许温度，其允许温度 Y =65 ，总，总放热系数放热系数 Kzh =18w/m2,电阻率电阻率 =0.028*10-6( m2/m),求求 Iy=?

19、已知已知: : Kzh、 y 、 0 ，S, RFKIyyzh)(0 解：解：R= L/S F=2 rL r = （S/ ）1/2 F =2 （S/ ）1/2 L所以将各参数代入所以将各参数代入上式得：上式得：Iy=106.7A如环境温度如环境温度 0=35 ，需修正：，需修正：( t=25)得修正值：得修正值：Iy=92.4A例例 题：题：0yyyytII 作业：作业： 已知绝缘铝导线横截面已知绝缘铝导线横截面S=25mm2，环，环境温度境温度 0 =25 ，其允许温度，其允许温度 Y =65 ，总放热系数总放热系数 Kzh =18w/m2,电阻率电阻率 =0.036( mm2/m),求求

20、Iy=?五、导体短路时发热五、导体短路时发热（一）短路发热时的特点（二）短路时导体的热稳定性（三）短路及其危害（一）短路发热时的特点v1、短路发热是一、短路发热是一个绝热过程。个绝热过程。v2、短路时导体温、短路时导体温度变化范围大，导度变化范围大，导体的电阻和比热体的电阻和比热（热容）是温度的（热容）是温度的函数。函数。v3、短路电流瞬时、短路电流瞬时值值id变化规律复杂。变化规律复杂。短路时的热平衡方程式短路时的热平衡方程式 Id短路电流有效值（短路电流有效值（A) R -R = 0（1+ ） C -C = C0（1+ ） m= sl2dIR dtC md（二）短路时导体热稳定性分析（二）

21、短路时导体热稳定性分析v1、热稳定性：、热稳定性： 电器或导体必须能承受短路电流的热效应电器或导体必须能承受短路电流的热效应而不致破坏的能力。而不致破坏的能力。v2、当、当 d dy时，则认为导体在短路时是热稳定时，则认为导体在短路时是热稳定的，否则就应采取相应的措施，如增加导体截的，否则就应采取相应的措施，如增加导体截面或限制短路电流等以保证面或限制短路电流等以保证 d dy。一般未包。一般未包绝缘的铝导体绝缘的铝导体 dy为为2000C，铜导体为，铜导体为3000C。 3、工程应用：热稳定性校验最小允许截面、工程应用：热稳定性校验最小允许截面I 短路电流短路电流C 与导体有关的热稳定系数铜为与导体有关的热稳定系数铜为175，铝，铝92Tj 短路电流的假想时间（短路电流的假想时间（s）2minmmtCISj（三） 短路及其危害 概念概念 类型类型 原因原因 危害危害概 念短路故障：短路故障： 电力网三相导线中相与相或相电力网三相导线中相与相或相与地之间的直接金属性连接或经小与地之间的直接金属性连接或经小阻抗连接在一起。阻抗连接