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电器学基础知识讲座,2013 . 5,李 靖 博士,教授QQ:1016483067Tel:13187326801,2013年 加西亚电子电器有限公司,第一篇 电器的发热与电动力,第一章 电器导体的发热计算,2005年12月13日,湘潭县谭家山矿区发生人死亡特大矿难事故,原因是,电器起火,电器起火的主要原因有哪几种? 1. 线路短路; 2. 使用时间过长; 3. 电器质量不好等。遇到电器起火怎么办? 电器起火时,先切断电源,再用湿棉被或湿衣物将火压灭。 怎样预防电器起火? 了解起火的可能原因,采取预防措施加以防范。,第一章 电器导体的发热计算,本章讲授内容 (其中红色内容是重点)1. 电器的允许温升(电器的允许温度,允许温升)2. 电器中的热源(电阻损耗、铁磁损耗和介质损耗)3. 电器中的热传递形式(传导、对流、辐射)4. 电器表面的稳定温升计算(牛顿公式)5. 各种工作制下电器的热计算(长期工作制、八小时工作制、短时工作制、反复短时工作制)6. 电器典型部件稳定温升的分布(导体和线圈的稳定温升分布)7. 短路电流下的热计算和电器的热稳定性(电器的热稳定性及校核),第一章 电器导体的发热计算,1-1 电器的允许温升, 阻抗损耗:导体(铜);, 磁滞与涡流损耗:交变电磁场在导磁体(铁)中产生;, 介质损耗:绝缘材料,1、损耗:三种,第一章 电器导体的发热计算,一、损耗及影响,损耗几乎全部变成热量,结果: 一部分散失到周围介质; 其余加热电器。, 材料老化;, 电器机械强度、绝缘强度和寿命均降低。,结论:严重很后果,研究意义重大。,2、当温升超过极限允许温升,第一章 电器导体的发热计算,1-1 电器的允许温升,一、损耗及影响,3、制定电器各部分极限允许温升的依据,第一章 电器导体的发热计算,1-1 电器的允许温升,一、损耗及影响,电器的绝缘或工作寿命,不因温度过高而损坏或过分降低导体和结构部分的机械性,不因温度过高而降低。,1-1 电器的允许温升, 当金属材料的温度高达一定数值以后,其机械强度会显著降低(图1-1);, 机械强度开始显著下降时的温度,称材料软化点。,触头还要考虑氧化和其它问题。,第一章 电器导体的发热计算,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,第一章 电器导体的发热计算,二、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,电气绝缘不损坏,工作寿命不过分降低,机械寿命不降低(材料软化),电器各部件极限允许温升制定依据,第一章 电器导体的发热计算,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,第一章 电器导体的发热计算,四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度:表1-1 。,1-1 电器的允许温升,第一章 电器导体的发热计算,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:也称焦耳损耗。 1、计算公式:P = Kf I2 R式中 Kf 是考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数,数值大小为Kf=Kl * Kj (Kl 为邻近系数,Kj 为集肤系数); R是电阻,100以内时,R=0(1+)* L / A 。,第一章 电器导体的发热计算,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。,第一章 电器导体的发热计算,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。,渗入深度b 的大小为:,第一章 电器导体的发热计算,式中,A:导体截面积;P:导体周长。由式知,f 越高,集肤效应越强。,3、集肤系数Kj:,第一章 电器导体的发热计算,4、集肤系数Kj的查表求解法 (1)圆截面导体: 先求100m长导体的直流电阻R100-,再求 ,查图1-4,得Kj 。,第一章 电器导体的发热计算,(2) 矩形截面导体的集肤系数Kj值查表1-2得。其中,ke 。,第一章 电器导体的发热计算,4、例题/P18:求铜质圆截面导体的集肤系数Kj;并求考虑集肤效应后长100米的圆导体的交流R100 ( = Kj R100-)?,解:铜导体0时的阻率和电阻温度系数分别为:,100时长100米导体的直流电阻为,第一章 电器导体的发热计算,再求出,由图1-4曲线查出:,故当100时长100m导体交流电阻为,第一章 电器导体的发热计算,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。,第一章 电器导体的发热计算,6、对圆截面导体:邻近效应系数Kl,查表1-3,其中系数Kx= ,l是导体中心线距离,d是导体直径。,第一章 电器导体的发热计算,1-2 电器中的热源,二、铁磁损耗: 1、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。,2、图1-6 两种厚度不同的硅钢片,材料D31与D43,厚度0.5mm(实线)与0.35mm(虚线)。单位质量的铁磁损耗与磁感应强度的关系图。,第一章 电器导体的发热计算,3、图1-7 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,Pm:钢导体损耗。,第一章 电器导体的发热计算,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。 关于“tan”:理论上,tan=Ri/Xc=RiC,其中Ri是绝缘电阻,Xc是容抗; 实际中的经验公式为 ,是介质温度,m是介质损耗最小的温度。,第一章 电器导体的发热计算,电器散热方式有热传导、热对流和热辐射三种形式。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。,第一章 电器导体的发热计算, 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。,第一章 电器导体的发热计算,第一章 电器导体的发热计算,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/(m2 K); n: 与对流有关的非线性系数。可查表求出。,第一章 电器导体的发热计算,3、热对流时的热阻Rr : 结论:Rr与温差之间是非线性关系。 对流越厉害,越大,Rr越小,反之可解释线圈某处的温升最高(m)。 4、单位体积流体介质由对流而散失的功率: 式中,c、v:分别为流体的比热容、密度、速度。,第一章 电器导体的发热计算,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,见表1-5;:发热体表面热力学温度,K; 0:受热体的绝对温度,K。,第一章 电器导体的发热计算,3、表1-5 “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。因其含有大量热能,故其发射(即本身热辐射)和吸收能力最强,发射率 =1; “绝对白体”:对辐射波全反射、不吸收的物体,因其本身缺乏大量热能,故其发射能力最强,发射率 =1,而放射能力; “灰色体”:相对处于中间状态的物体。,第一章 电器导体的发热计算,4、由热辐射散失的功率: 式中,T1、T2: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。,第一章 电器导体的发热计算,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:,第一章 电器导体的发热计算, 1-4 电器表面稳定温升计算方法 牛顿热计算公式,式中, Ps: 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 KT :导体表面综合散热系数,实验数据参见表1-6 ,单位w/m2。 c:比热容; m:发热体质量。,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)10-4m2时, 当散热面积为A=(0.010.05)m2时,,式中 、0的单位为;A的单位为m2。,第一章 电器导体的发热计算,第一章 电器导体的发热计算,
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