电流的热效应和力效应教案资料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电流的热效应和力效应,二.最大允许温升的规定,GB,11021,将电气绝缘材料按耐热分为,Y,、,A,、,E,、,B,、,F,、,H,、,C,七个等级，,愈往后的等级，其长期工作下的极限温度愈高，如,A,级，其极限温度为,105,，,B,级,130,，而,C,级可高于,180,。,例如对A级绝缘材料，当温度高于105，每增加810 ，热使用寿命将缩短一半。,绝缘材料的介质损耗也随温度的上升而增加，因而其介质强度就下降，如图2.2，当温度超过80以后，随温度的升高，电瓷的击穿强度迅速下降。,材料性质随温度的变化,图,2.1,铜的抗拉强度与温度的关系,图,2.2,瓷的击穿强度与温度的关系,1,长期工作,2,短时工作,第二节,电器的发热和散热规律,一、电器中热量的产生,1、,电阻损耗,P,=,I,2,R,集肤效应和邻近效应使电流密度的分布不均匀,同相电流,交流电阻的表达式,考虑上述两效应后，交流电阻的表达式可写为,电阻率与温度有关,=,20,1+,(,20),=,0,(1+,T,),铁磁损耗,2.,铁磁损耗,当导体上有交变电流时，这些钢铁件会产生铁磁损耗,涡流和磁滞损耗。通常情况下在铁件中垂直于磁通的截面上总会存在感生的涡流，且涡流的磁场方向总是抵消激磁磁通的，因此磁场总是集中在铁件的表层，这称之为磁通的,趋表效应,，磁通的渗透深度往往只有几毫米,。,3.,介质损耗,二.热的散失,散热有传导、对流、辐射三种方式，傅立叶定律,式中负号表示热流向温度降低的方向传递，,为比例系数，称为导热系数。它表征了物体导热能力的大小，也即单位时间、单位面积、每度温差能传导的热量。不同物质在常温下的导热系数见表,2-3,，,的量纲为,W/m,K,。,三,.,物质的导热系数,四.热阻概念,对于一维情况,x(m),等,温,导,体,q,1,(,K),2,(K),整个,S,面的热流,q,s,(W),为：,热阻公式,五,.,固态发热体对流体媒质的散热计算,在实际的工程热计算中，采用牛顿公式,牢记,综合散热系数Ks,第三节,均质,导体的升温与冷却过程,若假定升温过程电流,I,和电阻,R,ac,都是不变的定值，以通电开始作为计时的起点，且在时间增量,dt,内有温度增量,d,、温升增量,d,。那么可得热平衡方程：,式中,P,发热功率,(W),，,C,比热容，1kg的该物体，温度升高一度所需的热量,(J/kg,K),，,G,导体本身的质量,(kg),，,导体的温升,(K),，,t,电流通过的时间,(S),。,导体的温升变化曲线,图,2.8,导体的温升与冷却曲线,图,2.9,导体的热时间常数与短时过载能力,w,0,t,1,2,m,t,1,w,2,3,t,d,T,沿导体长度方向的温度分布,在稳定温升的情况下，有热平衡方程式：,整理为,其中,l,是导体横截面的周长,沿导体长度方向的温度分布,上式的通解为,沿导体长度的温度分布,图,2.11,沿导体长度的温度分布,考虑温度随时间和位置的变化,第四节,短时及短路情况下的热计算,一 短时及短路情况下的热计算,1.,电器有四种工作制：,长期工作制,间断长期工作制,(,如,8,小时工作制,),、,短时工作制,反复短时工作制,工作时间愈短，允许通流能力愈强,设短时工作的时间为,t,d,，并使短时工作的温升,d,与长期工作的稳定温升,w,相等，则,工作时间愈短，允许通流能力愈强,二,、短路电流下的热计算,当负载被短路时，已处于某一载流温升状态下的开关电路将要流过巨大的短路电流。由于短路电流通过的时间不会太长，但因发热功率与电流的平方成正比。因此其热计算可作,绝热过程,考虑。,短路电流下的热计,考虑进短路过程电阻和电流的变化情况后，较详细的推导,其中S是导体的截面积，,是电阻温升系数,具有不同非周期分量的瞬态电流处理,三,、电器的短时电流耐受能力,(,即热稳定性,),导体的截面大小确定后，在一定的温升下所允许的,I,2,t,值是不变的，那么能否在保持,I,2,t,值情况下，减小电流增大时间，或增大电流减少时间呢？,经验表明当,t,值在,0.5S,5S,的范围内变动时，可近似认为其,I,2,t,的热效应对开关电器是等效的。,第五节,少油断路器导电系统的长期发热计算举例,断路器导电杆的温升,某,10kV,少油断路器额定电流,I,e,=600A,，回路电阻,R,AC,=120,，有关传热的主要结构尺寸,(,单位,mm),如图,2.12,，试计算断路器导电杆的温升。,1,、热功率,(,热流,),q,q,=,I,2,R,=600,2,120,10,6,=43W,断路器导电杆的温升,(1),导电杆到油的对流换热热阻,R,r,1,参考表,2-4,，取,K,=75W/m,2,K,，由实际结构可得散热面积约为,0.04m,2,，用式,2-13,可算得,R,r,1,=1/（K,S,S)=0.33(K/W),。,(2),静触头支座的热传导热阻,R,r,2,由式,2-10,我们有,R,r,2,=,/,S,是铝的导热系数，由表,2-3,得,=204W/m,K,，,是支座长度，由实际结构得,=12cm,，,S,为支座截面，实际结构为,S,=15cm,2,，代入这些数值可得,R,r,2,=0.4(K/W),。,断路器导电杆的温升,(3),玻璃钢筒的热传导热阻,R,r,3,同理用式,2-10,，只不过对玻璃钢筒而言，有,=0.4W/m,K,，,=1.4cm,，,S=,(10+1.4),20=716cm,2,=0.0716m,2,，代入这些数值可得,R,r,3,=0.49(K/W),。,(4),玻璃钢筒表面散热热阻,R,r,4,用式,2-13,，取表面散热系数,K,=10W/m,2,K,，而玻璃钢筒的表面散热面积为,0.0806m,2,，故可算得,R,r,4,=1.24(K/W).,(5),铝帽表面散热热阻,R,r,5,铝帽表面为侧表面与上表面之和，取散热系数为,K,=10W/m,2,K,，代入实际表面积,S,=0.12m,2,可算得,R,r,5,=0.83(K/W),。,第六节,电器中电流的力效应概述,一、,受力方向,分析,F,I,I,F,F,I,I,F,铁磁体,F,F,F,F,F,F,F,任何载流导体微元所受的力都可用左手定侧确定其受力方向，即当磁力线自手心进入时，四指指向电流方向，则垂直于四指的大姆指指向受力方向。,技巧：导体的受力方向可依据导体两侧磁力线的疏密程度来判断，磁力线密的一侧总是把导体推向稀的一侧,。,受力方向,电器中电动力利弊举例,图,2.15,电器中电动力利弊举例,第七节,载流系统电动力的计算,一、用,毕奥萨伐尔,定律计算电动力,l,1,和,l,2,两线段间总的作用力为,第七节,载流系统电动力的计算,计算电动力的通用表达式可写成：,C,是一个系数，完全由导体间的相互位置、几何结构及介质种类等具体条件所确定。,不同回路结构的回路系数可从有关手册查到,。,二、用能量平衡原理计算电动力,由电磁场的知识可知，在任何载流系统中，导体受电动力作用向某一方向产生元位移时，所作的功应等于系统储能的变化,(,即虚位移法,),即：,因此，,F,等于,三、例子,例1：,设有,L,形导体，如图,2.17,，流过导体的电流为,I,，现计算导体水平部分所受的电动力。,先计算垂直部分导体在水平导体元线段,dx,处产生的磁感应强度,B。,由比奥沙瓦定律，垂直部分全长在,dx,处有,图,2.17,例1-继续,由图可见，,dy,在整个沿,h,的移动过程中,从,2,=90,变到180-,1,，而,r,=,x,/sin,，若取电流方向与,I,的正方向一致，则,B,可表示为：,那么，元线段,dx,所受的电动力为,例1,因此，,例2,求圆环形载流导体所受的电动力,设有图,2.18,的圆环形导电线匝，导体的半径为,，圆环半径为,R,。这种导电系统的电动力显然是企图使圆环的面积增大，即如图所示，圆环所受的是切向拉力。切向拉力意味着使圆周,l,=2,R,增大，联想式,(2-36),，我们只要求出系统储能,W,与坐标,l,的关系式,W,=,f,(,l,),，则其力可求。若导体的电流为,I,，则,图,2.18,例2,因此,将,l,=2,R,代回,例3,触头的导电结构,实际上当,x,增大,dx,时，系统储能的变化体现在图,(,c),阴影部分绕轴线,00,的磁力线的变化上，因为系统储能的表达式为，,为阴影部分的磁通，即高为,x,，,内圆半径为,r,1,、,外圆半径为,r,2,的绕轴环柱体中的磁场能,：,那么，触点间的距离变,dx,时的作用力为,例3,第八节,交流电动力,一、交流电动力的计算方法,与上节相同，所不同的是因电流随时间变化，因而电动力也随时间而变化。,二、,单相交流电动力,对于同一回路的两个载流导体，若通过的是同一正弦交变电流，且,电动力的平均值,电动力的平均值,F,p,为,通常，人们关心的是电动力的最大值，对于非正弦变化的电流，只要各导体通过的电流是相同的，同样可用电流的最大值代入式(2-47)求得电动力的最大值。如果两个导体中流过的不是同一回路的电流，由于电流相位的不同，情况就要复杂一些。此时电动力不仅要改变大小，也可能要改变方向，若某时刻两电流在同相位或反相位同时达到最大值，则电动力也达最大值，值的大小仍然由两电流的乘积及回路系数决定。,三、三相正弦交流时的电动力,在工频三相电路中，各相电流都按正弦变化，且相角依次相差,120,，导体通常作三相同平面平行布置或不在同一平面角形布置，因此每相导体都同时受到其余两相电磁耦合的作用力，在任一瞬间导体所受的力是两个电动力的向量和，其大小和方向都随时间而变化，且其变化规律必然与导体的布置方式相关,。,四、短路时的电动力,短路电流中除有周期分量外，还有非周期分量。若短路是在电压过零时发生，短路电流的非周期分量最大，短路电流冲击值也最大，此时有：,式中，,I,d,短路电流周期分量有效值(即短路稳态有效值)；,非周期分量的衰减系数，由短路回路的,L,及,R,确定，通常可取,=22.3,S,1,。,所以单相交流短路的电动力为：,三相交流短路时的电动力,三相短路时的电流可简单表示为,式中,为合闸时,A,相电源电压的相位角，电动力的最大,值为,结束！,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,