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,*,第二章 电气发热与计算,第二章 电气发热与计算,1,内容,发热对载流导体的影响,导体的长时发热与散热,导体的短时发热与散热,内容发热对载流导体的影响,2,2.1 发热对载流导体的影响,电气发热 载流导体和周围介质发热 工作环境恶化，绝缘老化 电气设备的故障或事故是引发火灾的直接或间接原因,使得,导致,引起,为什么电气会发热？主要是,损耗,引起2.1 发热对载流导体的影响电气发热 载流,3,2.1 发热对载流导体的影响,一、电气发热原因,导体中有电流流过时，要克服各种损耗消耗能量，以热的形式散发出来1、,电阻损耗,(铜损),2、,附加损耗,3、,介质损耗,4、,磁滞、涡流损耗,（铁损）,2.1 发热对载流导体的影响一、电气发热原因 导体中,4,1、电阻损耗,定义：电流流过导体时克服,电阻,作用所,消耗的功,称,为电阻损耗大小：电阻损耗大小与电流平方、电阻和时间成,正比1、电阻损耗定义：电流流过导体时克服电阻作用所消耗的功,5,2、附加损耗,附加损耗定义：导体中通过交流电时，由于,集肤效应和邻近效应的作用,而产生的额外能量损耗。
附加损耗系数：K,fj,=K,j,K,l,K,j：,集肤效应系数,K,l：,邻近效应系数,交流电阻损耗：p=K,fj,I,2,Rt,2、附加损耗附加损耗定义：导体中通过交流电时，由于,6,集肤效应,：当导体中通过交流电流时，产生使电流趋于表面的现象与电流的频率有关：频率集肤效应邻近效应,：相邻两载流导体之间磁场的相互作用，使导体截面中电流密度发生改变的现象与电流的方向有关邻近效应系数与导体之间的分布与距离有关，导体相距愈远，则邻近效应系数愈小附加损耗产生与集肤效应、邻近效应有关集肤效应：当导体中通过交流电流时，产生使电流趋于表面的现象7,3、介质损耗,组成：,电导损耗和电介质周期性极化消耗,能量造成的损耗的统称大小：,介质损耗与,电场强度,与,频率,有关电场强度和频率越大，则介质损耗,越大3、介质损耗组成：电导损耗和电介质周期性极化消耗,8,4、磁滞、涡流损耗,定义：,磁滞损耗是铁磁物质在交变磁场作用下由于内部的不可逆过程使铁心发热而造成的一种损耗大小,：磁滞损耗与铁磁材料性质、磁感应强度B、磁场频率f 成正比B,H,4、磁滞、涡流损耗定义：磁滞损耗是铁磁物质在交变磁场作用下由,9,磁滞、涡流损耗,定义,：,涡流消耗磁场能量，它与普通电流,一样要产生焦耳热造成的损耗，即,涡流损耗。
大小：,涡流损耗与交变频率f、磁感应强度,最大值B、铁芯体积V成正比危害及预防措施：,一方面引起铁芯发热，,另一方面削弱原磁场强度2、,涡流损耗,磁滞、涡流损耗定义：涡流消耗磁场能量，它与普通电流 2、,10,二、发热对载流导体的不良影响,（一）、,绝缘材料性能降低,（二）、机械强度下降,（三）、导体接触部分性能下降,二、发热对载流导体的不良影响 （一）、绝缘材料性能降低,11,（一）、绝缘材料性能降低,发热,加速绝缘材料老化,，,缩短,绝缘材料,寿命,，,降低,绝缘材料的,电气特性,和,机械 特性,耐热温度,允许温度,（一）、绝缘材料性能降低 发热加速绝缘材料老化，缩短绝缘材料,12,绝缘材料性能降低,耐热温度,各级绝缘材料按耐热温度分类,定义：该类绝缘材料所能承受的而不致使其机械特性和电气特性降低的最高工作温度等级,耐热 温度,等级,耐热温度,Y,90（）,F,155（）,A,105 ）,H,180（）,E,120,）,C,180（）,B,130 ）,绝缘材料性能降低耐热温度各级绝缘材料按耐热温度分类定义：,13,绝缘材料性能降低耐热温度,八度规则（估算绝缘材料的寿命）,定义：,当温度超过其耐热温度时，温度每上升8，,其寿命降低一半。
要点及不足：,绝缘等级不同，起点温度不同,8实际指上升8,10每上升8，则绝缘材料寿命降低一半绝缘材料性能降低耐热温度八度规则（估算绝缘材料的寿命）,14,绝缘材料性能降低允许温度,定义：,允许温度,是用一定方法测得的电器元件最热,温度，并且在此温度下，整个电器能保持连续工,作规定：,允许温度小于耐热温度（5度）允许温度要考虑到电气设备的最薄弱环节允许温度要考虑电气设备发热时间的长短绝缘材料性能降低允许温度定义：,15,强度下降原因：,载流体长期处于高温状态，会使其,慢性退火导致其变形或破坏二）、机械强度下降,强度下降原因：（二）、机械强度下降,16,对最高允许温度规定：,裸导线的正常最高允许温度，一般,不超过70，短路最高允许温度可高于,正常最高允许温度，硬铝不得超过200，硬铜不得超过300 对最高允许温度规定：,17,（三）、导体接触部分性能变坏,接触电阻定义：,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,接触电阻=收缩电阻+表面膜电阻,（三）、导体接触部分性能变坏 接触电阻定义：接触电阻=收缩电,18,收缩电阻与表面膜电阻,电流收缩现象,收缩电阻：,电流流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流线发生剧烈收缩所呈现出的附加电阻。
表面膜电阻：,电接触面上，由于污染而覆盖的一层导电性很差的物质所呈现出的电阻收缩电阻与表面膜电阻电流收缩现象收缩电阻：电流流经电接触区域,19,影响接触电阻的因素,一、接触形式,二、材料性质,三、接触压力,四、接触表面的光洁度,五、触头密封结构,六、腐蚀,七、温度,影响接触电阻的因素一、接触形式,20,（三）、导体接触部分性能变坏,发热引起电接触部分 R,（接触面氧化形成氧化层薄膜）,加剧发热,接触表面氧化加剧,（三）、导体接触部分性能变坏发热引起电接触部分 R加剧发热,21,三、导体散热形式,热传导,基本质点间能量的相互作用,热对流,不断运动着的冷介质气体或液体将热能带走的过程,热辐射,电磁波传播能量的过程,三、导体散热形式 热传导,22,（三）、导体散热形式,总散热系数：,将三种散热形式综合在一起，用一,个总散热系数K,zh,表示，即牛顿公式法：,P,S,=K,zh,F,P,S,散热功率(w)F散热面积(m,2,),导体对周围环境温升,(,)=-,0,K,zh,导体的总放热系数w/(m,2,),（三）、导体散热形式总散热系数：PS散热功率(w),23,22,导体的长期发热,1、热平衡遵循的基本物理定律：,导体发热量,=,导体自身温升所需热量,+,散发到周围中去的热量,均质导体,系指其全长有相同截面,和材料的导体，母线、电缆均属此类。
一、导体的温升,22 导体的长期发热1、热平衡遵循的基本物理定律：,24,一、导体的温升,2、热平衡方程式：,I,2,Rdt=mcd,+K,zh,F,(-,0,),dt,令,=,-,0,，上式变为：,I,2,Rdt=mcd,+K,zh,F,dt,一、导体的温升 2、热平衡方程式：,25,3、方程解及分析：,导体达到稳定温升后，热平衡方程式为：,I,2,R=K,zh,F,w,=,K,zh,F(,-,0,)=p,s,I,2,R,dt,=p,s,dt,=,I,2,R/K,zh,F,=,w,(,导体稳定温升,),一、导体的温升,3、方程解及分析：导体达到稳定温升后，热平衡方程式为：,26,一、导体的温升,发热时间常数：T=mc/K,zh,F,一、导体的温升 发热时间常数：T=mc/KzhF,27,一、导体的温升,4、牛顿公式分析,根据牛顿公式变形,I,2,R=K,zh,F(,-,0,),导体的载流量与导体运行温度有关，当导体运行温度确定，则导体载流量也将确定同样，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，有一个最大载流量与之对应一、导体的温升 4、牛顿公式分析根据牛顿公式变形I2R=,28,二、长期运行载流量,1、牛顿公式应用：,I,y,:导体,长期运行的,允许电流,y,:导体允许温度,P,S,:导体表面放出总热量,二、长期运行载流量1、牛顿公式应用：Iy:导体长期运行的允许,29,二、长期运行载流量,2、,提高导体载流量的方法,减小导体电阻R,增加导体散热面积F,提高散热系数K,zh,提高导体允许温度,y,采用电阻率小的导体,减小导体接触电阻,增加导体的横截面积,二、长期运行载流量2、提高导体载流量的方法 减小导体电阻R,30,二、长期运行载流量,2、,提高导体载流量的方法,减小导体电阻R,增加导体散热面积F,提高散热系数K,zh,提高导体允许温度,y,主要与导体几何形状有关,二、长期运行载流量2、提高导体载流量的方法 减小导体电阻R,31,二、长期运行载流量,2、,提高导体载流量的方法,减小导体电阻R,增加导体散热面积F,提高散热系数K,zh,提高导体允许温度,y,合理布置导体加强自然通风,采取强迫冷却,导体表面涂漆,二、长期运行载流量2、提高导体载流量的方法 减小导体电阻R,32,二、长期运行载流量,2、,提高导体载流量的方法,减小导体电阻R,增加导体散热面积F,提高散热系数K,zh,提高导体允许温度,y,采用耐热绝缘材料,二、长期运行载流量2、提高导体载流量的方法 减小导体电阻R,33,载流导体长期发热允许电流的修正,载流导体长期发热允许电流的修正,34,例题,已知绝缘铝导线横截面S=25mm,2,，环境温度,=25，其允许温度,Y,=65 ，总放热,系数 K,zh,=18w/m,2,电阻率,=0.028*10,-6,(,m),求 I,y,=?,例题已知绝缘铝导线横截面S=25mm2，环境温度,35,已知:K,zh,、,y,、,0,，S,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,上式得：I,y,=106.7A,如环境温度,0,=35 ，需修正：,(,t,=25),得修正值：I,y,=92.4A,例 题：,已知:Kzh、y、0，S,解：R=,36,作业,已知绝缘铝导线横截面S=35mm,2,，环境温度,=35，其允许温度,Y,=65 ，总放热,系数 K,zh,=20w/m,2,电阻率,=0.028*10,-6,(,m),求 I,y,=?,作业已知绝缘铝导线横截面S=35mm2，环境温度,37,作业,已知绝缘铝导线横截面S=35mm,2,，环境温度,=30，其允许温度,Y,=70 ，总放热,系数 K,zh,=22w/m,2,电阻率,=0.028*10,-6,(,m),求 I,y,=?,作业已知绝缘铝导线横截面S=35mm2，环境温度,38,2-3,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,2-3 导体短路时发热一、短路发热时的特点,39,一、短路发热时的特点,1、短路时发热，是指短路开始到短路切除这一很短的时间内导体的发热过程，可看着一个绝热过程。
2、短路时导体温度变化范围大，导体的电阻和比热（热容）是温度的函数3、短路电流瞬时值i,d,变化规律复杂一、短路发热时的特点1、短路时发热，是指短路开始到短路切除这,40,（一）、短路时的热平衡方程式,1、方程式：,I,d,短路电流全电流有效值（A),R,-,R,=,0,（1+,）L/S,C,-C,=C,0,（1+,）,m=,sL,（一）、短路时的热平衡方程式1、方程式：Id短路电流全,41,2、方程解,2、方程解,42,（二）、等值时间法求Q,d,等值时间法：依据等效发热的概念，设导体中通过的短路电流的稳态值I,2,其作用时间为t,j,时，导体中产生的热效应与短路电流有效值的热效应相等t,j,就是短路电流作用的假想时间,t,j,=（t,jz,+t,jf,)t,jz,等于短路电流在导体上的作用时间，等于保护装置动作时间与断路器切断电流的机械动作时间之和t,jf,为非周期分量二）、等值时间法求Qd等值时间法：依据等效发热的概念，设导,43,（三）、用曲线计算,d,步骤：,1、已知初始温。