1、第二章 电气发热与计算,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,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）,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。,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：Kfj=KjKl Kj：集肤效应系数 Kl：邻近效应系数 交流电阻损耗：p=Kf
2、jI2Rt,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。,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。,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
3、材料性质、磁感应强度B、磁场频率f 成正比。,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,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,（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,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
4、使其机械特性和电气特性降低的最高工作温度。,绝缘材料性能降低耐热温度,八度规则 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810 。 每上升8 ，则绝缘材料寿命降低一半。,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。,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,对最高允许温度规定：裸
5、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 。,（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,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。,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、
6、触头密封结构 六、腐蚀 七、温度,（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,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,一、导体的温升,2、热平衡方程式： I2Rdt=mcd+KzhF (-0) dt 令 = -0，上式变为： I2
7、Rdt=mcd+KzhF dt,3、方程解及分析：,导体达到稳定温升后，热平衡方程式为： I2R= KzhFw=KzhF (-0) =ps I2Rdt =ps dt,=I2R / KzhF = w(导体稳定温升 ),一、导体的温升,一、导体的温升,发热时间常数：T=mc/KzhF,一、导体的温升,4、牛顿公式分析,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，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。,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电流 y
8、:导体允许温度 PS:导体表面放出总热量,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Kzh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增加导体散热面积F提高散热系数Kzh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增加导体散热面积F提高散热系数Kzh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增加导体散热面
9、积F提高散热系数Kzh提高导体允许温度y,采用耐热绝缘材料,载流导体长期发热允许电流的修正,例题,已知绝缘铝导线横截面S=25mm2，环境温度=25 ，其允许温度Y =65 ，总放热 系数 Kzh =18w/m2, 电阻率=0.028*10-6(m),求 Iy=?,已知: Kzh、 y 、 0 ，S, ,解：R= L/S F=2rL r = （S/ ）1/2 F =2（S/ ）1/2 L 所以将各参数代入上式得：Iy=106.7A,例 题：,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,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
10、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id变化规律复杂。,（一）、短路时的热平衡方程式,1、方程式：,Id短路电流全电流有效值（A) R-R=0（1+ ）L/SC-C= C0（1+ ）m=sL,2、方程解,（二）、等值时间法求Qd,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I2,其作用时间为tj时，导体中产生的热效应与短路电流有效值的热效应相等。tj就是短路电流作用的假想时间,tj=（tjz+tjf) tjz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
11、。tjf为非周期分量。,（三）、用曲线计算d,步骤： 1、已知初始温度h，查图26，求出A h 2、用等值法求Qd， 3、代入Qd、A h，求出A d； 4、再查曲线图得d； 注：求Qd时，对于非周期分量tjf =0.05s，当短路电流切断时间t1s时，导体发热主要由周期分量决定，tjf可忽略；当t 1s时， tjf不可忽略,二、短路时导体热稳定性分析,1、热稳定性： 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。 2、当d dy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，如增加导体截面或限制短路电流等以保证d dy。一般未包绝缘的铝导体dy为2000C，铜导体为3000C。 3、工程应用：热稳定性校验最小允许截面：,I短路电流 C与导体有关系数铜为175，铝92 tj短路电流的假想时间（s）,
