电器导体的发热计算.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,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,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,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,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,*,资料仅供参考,不当之处，请联系改正。,第一讲 电器发热计算,第二讲 电器的电动力计算,第三讲 电弧的基本特性,第四讲 交流电弧的熄灭原理,第五讲 开关电器典型灭弧装置的工作原理,第六讲 电接触理论,第七讲 电磁铁的磁路计算,第八讲 气隙磁导的计算,第九讲 磁路计算,第十讲 电磁系统的吸力计算与静特性,教学计划,电器的允许温升,电器中的热源,电器中的热传递形式,电器表面的温升计算公式,各种工作制形式下的电器热计算,短路电流下的电器热计算和热稳定性,电器典型部件稳定温升的分布,电器导体的发热计算,教学目的与要求：,掌握电器的温升及电器中热源的主要来源，熟悉电器的热传递形式。,教学重点与难点：,电器温升与温度的不同，电器中的热源主要来自三个方面：电阻损耗；涡流与磁滞损耗；介质损耗。,教学基本内容：,1,、电器的允许温升；,2,、电器中的热源；,3,、电器中的热传递形式。,电器导体的发热计算,电器导体的发热计算,据统计，,2006,年,12,月,21,日至,2007,年,11,月,30,日，武汉市共发生火灾,5111,起，其中电器引发的火灾,2310,起，占总数的,45.20,。,1-1,电器的允许温升,一、三种损耗及其影响,二、电器各部件的极限允许温升,三、电器极限允许温升,四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升,1-1,电器的允许温升,1-1,电器的允许温升,1,、三种损耗：导体（铜）的阻抗损耗、交变电磁场在导磁体（铁）中产生的磁滞与涡流损耗和绝缘材料的介质损耗。,结果：散失到周围介质；其余用来加热电器。,2,、严重后果：温升超过极限允许温升时降低了电器的机械强度和绝缘强度，导致材料老化、寿命降低。,结论：研究意义重大。,1-1,电器的允许温升,1-1,电器的允许温升,材料的温度超过一定极限后，其击穿电压明显下降，图,l-2,为瓷的击穿电压与温度的关系。,1-1,电器的允许温升,1-1,电器的允许温升,二、电器各部件的极限允许温升：,1,、“电器各部件极限允许温升”的定义：,电器各部件极限允许温升,=,极限允许温度,-,工作环境温度,2,、电器各部件的极限允许温升制定依据：,绝缘不损坏；工作寿命不过分降低；机械寿命不降低（材料软化）。,1-1,电器的允许温升,三、电器极限允许温升,（按相关国家温升试验标准进行测量）：,1,、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点,（机械性能显著下降即软化）；,2,、对绝缘材料和外包绝缘的导体：其极限允许温升的,大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。,1-1,电器的允许温升,四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度：,1-2,电器中的热源,产生,热源的三,个,主要方面：电阻,（含接触电阻）,损耗、,交流电器导磁材料的,涡流,和,磁滞损耗，,以及交流电器绝缘材料的,介质损耗。,一、电阻损耗,二、铁磁损耗,三、介质损耗,1-2,电器中的热源,一、电阻损耗：,也称焦耳损耗。,1,、计算公式：,P=K,f,I,2,R,K,f,:,考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数，,数值大,小为,K,f,=K,l,*K,j,(K,l,为邻,近系数,，,K,j,为,集肤系数,),；,R:,电阻，,100以内时，,R=,0,(1+)*l/,A,。,1-2,电器中的热源,2,、集肤效应：,交变磁通在导体内产生反电势，中心部分的反电势值比外表部分的大，导致导体中心的电流密度比外表部分小。,集肤效应的大小用电磁波在导体中的渗入深度,b,表示,1-2,电器中的热源,渗入深度,b,的大小为：,b,式中，,：电阻率；,f,：频率；,：磁导率。,由于,b,越小，集肤效应就越强。,由上式可知，当频率,f,越高时，渗入系数,b,越小，则集肤效应越强。,1-2,电器中的热源,3,、集肤系数,K,j,：,式中，,A,：导体截面积；,P,：导体周长。,由此式知，,f,越高，集肤效应越强。,1-2,电器中的热源,4,集肤系数,K,j,的查表求解：,（,1,）圆截面导体：先求,100m,长导体的直流电阻,R,100-,，再求 ，查图,1-4,，得,K,j,。,1-2,电器中的热源,（,2,）矩形截面导体的,Kj,值查表,1-2,得。其中,k,e,1-2,电器中的热源,5,、邻近效应：,由于相邻载流导体间磁场的相互作用，使两导体内产生电流发布不均匀的现象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。,（,1,）电流同向：相邻侧感应的反电势大些，故电流密度小些；,（,2,）电流反向：相邻侧感应的反电势小些，故电流密度大些，图,1-5,。,1-2,电器中的热源,二、铁磁损耗：,电器中的载流导体在附近的铁磁零件中产生交变磁通，从而在铁磁体中产生涡流和磁滞损耗。,1-2,电器中的热源,2,估算实心钢导体损耗曲线。,图中，,I,：流过钢导体的电流，,P,：导体截面周长，,A,：外表面积，,f,：电流频率，,P,m,：钢导体损耗。,1-2,电器中的热源,三、介质损耗：,绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度,E,和频率,f,成比例，高压电器一般要考虑此损耗。其大小为：,式中,p,：介质损耗功率；,f,：电场交变频率；,C,：介质的电容；,U,：外加电压；,tan,：绝缘材料重要特征之一，与温度、材料、工艺等有关。,：介质损耗角；,tan,大时，介质损耗也大。,1-2,电器中的热源,电器散热有三种形式，即 热传导、热对流 和 热辐射。,电器的热损耗由它们散失到周围。,一、热传导：,由质点之间直接作用产生，存在于绝缘的液体、固体、气体中。,1,、热流量,cd,：,a,、定义：热流量,cd,是指单位时间内通过给定面积的热量，它与该处的温度梯度,grad,（,=d/dl,）有关。,1-3,电器的热传递形式,b,、计算公式为：,式中,：材料热导率，单位,w/(mk),，是,0,度时的热导率。,越大，物体的热传导能量越强，且有,“,金属,非金属,液,气,”,。,2,、热传导功率：,式中,div,：向量，矢量；,：,热导率，,=,，见图,1-8,“,金属和液体的热导率与温度的关系,”,。图,b,）变压器油的,极低。1-3,电器的热传递形式,1-3,电器的热传递形式,二、热对流：只存在于流体中。,通过粒子互相移动使热能转移，有自然对流和强迫对流两种方式。,1,、定义：自然对流：流体质点因温度升高而上升形成的对流；,强迫对流：质点在外力作用下被迫流动形成的对流；,2,、热对流时，热流量,dl,的计算：,式中,：对流时，发热体与流体介质的温差；,：称表面传热系数或对流散热系数，,W/(m,2,K),；,n,：与对流有关的非线性系数。可查表求出。,1-3,电器的热传递形式,1-3,电器的热传递形式,三、热辐射：,由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式。,1,、热辐射的方式：,热能（发热）（转变为）辐射能（实质是一种电磁波）（转变为）热能（被吸收）,2,、热辐射时，单位面积上的热发射功率,fs,计算：,式中 ：发射率；,：发热体表面热力学温度，,K,；,0,：受热体的绝对温度，,K,。,1-3,电器的热传递形式,3,、,绝对黑体,、,绝对白体,与,灰色体,：,“,绝对黑体,”,：对辐射波全吸收、不反射的物体。因其缺乏大量热能，故其发射（即本身热辐射）没有,吸收能力最强，,=1,；,“,绝对白体,”,：对辐射波全反射、不吸收的物体，因其本身含有大量热能，故其发射能力最强，吸收能力没有，,“,灰色体,”,：相对处于中间状态的物体。,1-3,电器的热传递形式,4,、由热辐射散失的功率：,式中，,T,1,T,2,：受热体、发热体的表面温度。,结论：由于电器辐射功率较小，电器散热通常考虑的方式是：热传导和热对流。,1-3,电器的热传递形式,牛顿公式,电器表面稳定温升与工作制有关。计算电器表面稳定温升时，一般是将三种散热方式合在一起，用牛顿热计算公式求电器表面的稳定温升值，即：,式中，,P,s,：总散热功率；,A,：有效散热面积；,：发热体温升，,-,0,，,0,是周围环境温度。,K,T,：导体表面综合散热系数，单位,w/m,2,K,。,1-4,电器表面稳定温升计算方法,1-4,电器表面稳定温升计算方法,对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：,当散热面积为,A=(1100)10,-4,m,2,时，,当散热面积为,A=(0.010.05)m,2,时，,K,T,=231+0.05(,-,0,)/,式中,、,0,的单位为；,A,的单位为,m,2,。,1-4,电器表面稳定温升计算方法,国标规定电器有四种工作制,长期工作制,间断长期工作制,反复短时工作制,短时工作制,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,一、长期工作制：,当,t=0,，,=,0,；,t,=,，,=,w,=P/K,T,A,时，温升发热计算公式为：,(,下图曲线,1),式中，,T,：电器发热时间常数；,0,：起始温升；,w,：稳定温升。,特别地，当,t=0,，,0,时，有：,(,通式，下图曲线,2),。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,图,1-10,电器发热和冷却过程曲线（三条发热,1.2.4,、一条冷却,3,）。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,二、短时工作制：,1,、一次通电时间短于,4T(,热时间常数,),；,2,、因电器温升达不到稳定温升,w,，为充分利用电器耐热性能，可将电流值增大，前提是电器（工作、实际）温升值与长期工作制下的稳定温升相等。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,3,、图,1-11,短时工作热计算曲线图，,t,是通电总时间。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,三、反复短时工作制：,1,、电器通电和断电交替进行，其时间短于,4T,；,2图,1-12,反复短时工作下的温升曲线。,图中，,t,1,：通电时间；,t,2,：断电时间，,t,1,+t,2,t,，称为工作周期。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,反复短时工作制升温过程,2,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,5,、通电持续率,TD%:,在电器标准中常用通电持续率,TD%,反映反复工作制的繁重程度。值越大，工作时间越长，任务越繁重。计算公式为,式中,t,1,：通电时间；,t,：工作周期，,t,1,+t,2,。,1-5,不同工作制下的热计算与零部件稳升分布,1-6,短路电流下的热计算和电器的热稳定性,一热稳定电流：,1.,“,热稳定电流,”,定义：在规定的使用和性能条件下，开关电器在指定短时间内、于闭合位置上所能承受的电流。,2.,表示方式：热稳定电流一般有：,1s,、,5s,和,10s,热稳定电流，记为,I,1,、,I,5,和,I,10,。根据热效应相等的原则，可将不同时间的热稳定电流加以换算。,电器中典型的发热部件有导体,(,包括均匀截面和变截面裸导体，外包绝缘层的导体），触头和线圈,(,包括空心线圈或带有铁心的线圈,),等。,本节只分析导体和线圈的稳定温升分布。,1-7,电器典型部件的稳定温升分布,一、外包绝缘层的圆截面导体的温升分布,1-7,电器典型部件的稳定温升分布,二、空心线圈稳升分布,1-7,电器典型部件的稳定温升分布,1-7,电器典型部件的稳定温升分布,