《电气发热与计算》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气发热与计算（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、张 锐2015.312 内容提要： 本章内容主要从理论上讲述了发热对载流导体产生的不良影响，以及载流导体长时和短时的发热与散热工 况 。 本章重点： 了解 电气发热的各种计算方法和提高导体长期允许通过载流量方法与措施。 第 3章 电气发热与计算 3.1 电气发热的危害 3.2 接触电阻 3.3 电气发热与允许温升及散热 3.4 导体的长度与短时发热33.1 电气发热与计算43.1.1发热对载流导体的不良影响发热对载流导体的不良影响主要表现在绝缘材料的绝缘性能、导体的机械强度和导体接触部分性能等三个方面。1) 绝缘性能降低2) 机械强度下降3) 导体接触部分性能变坏绝缘材料 绝缘材料的 电阻率
2、一般在 109欧姆 /厘米以上 。 常用的绝缘材料有陶瓷 、 橡胶 、 塑料 、 云母 、 玻璃 、木材 、 布 、 纸 、 矿物油 ， 以及某些高分子合成材料等 。 绝缘材料会逐渐 “ 老化 ” 而失去绝缘性能 ， 一般绝缘材料可正常使用 20年 。 电击穿 绝缘物在强电场的作用下 ， 遭到急剧的破坏 ， 丧失绝缘性能的现象 。 使绝缘材料产生击穿的最小电压叫做 击穿电压 ， 此时的电场强度称材料的 耐压强度 。绝缘材料的耐热温度与寿命 温度的长期作用下老化速度会逐渐的加剧 ， 图 3-1表示几种绝缘材料的使用寿命与温度的关系 。 在某一温度限值内寿命一定 ， 但当超过这一 “ 限值 ” 时
3、 ，温度增加则使用寿命降低 。 因此绝缘材料有耐热温度和许用温度 。3.1 电气发热与计算53.1.1发热对载流导体的不良影响1) 绝缘性能降低2) 机械强度下降3) 导体接触部分性能变坏机械强度下降当导体的温度超过一定允许值后，温度过高会导致导体材料退火，使其机械强度显著下降。例如铝和铜导体在温度分别超过 100 和 150 后，其抗拉强度急剧下降。这样当短路时在电动力的作用下，就可能使导体变形，甚至使导体结构损坏。如图 3-2所 示 ，连续发热 150 时，短时发热 300 时，铜的抗拉强度迅速下降。 1-连续发热， 2-短时发热导体接触性能性能变坏当接触连接处温度过高时，接触连接表面会强
4、烈氧化并产生一层电阻率很高的氧化层薄膜，从而使接触电阻增加，接触连接处的温度更加升高，当温度超过一定允许值后，就会形成恶性循环，导致接触连接处烧红，松动甚至熔化 。3.1 电气发热与计算63.1.2载流导体运行中的工作状态1)正常工作状态电压和电流都不超过额定值时 ， 导体能够长期 、 安全 、 经济地运行 。2)短路工作状态系统因绝缘故障发生短路时 ， 流经导体的短路电流比额定值要高出 几倍 甚至 几十倍 。 保护装置动作 、 将故障切除的短期内 ， 导体将承受短时发热和电动力的作用 。3.1 电气发热与计算73.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗输电线或电磁线的导体本身和机械连接处都
5、有电阻存在，当电流通过时，即产生电损耗，电阻损耗与电流的平方、电阻和时间成正比。2)磁滞、涡流损耗载流导体周围的铁磁物质在交变磁场反复磁化作用下，将产生磁滞、涡流损耗，使铁质物质发热。P = I2Rt3.1 电气发热与计算83.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗 磁滞损耗 涡流损耗nmcz fBP 磁滞损耗铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。即 铁磁物质在交变磁场的磁化作用下由于内部的不可逆过程而使铁磁物质发热所造成的一种损耗 。3.1 电气发热与计算93.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗 磁滞损耗
6、 涡流损耗nmcz fBP 涡流损耗铁在变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，铁磁物质内部会产生感应电动势(或感应电流 )。涡流是感应电流之一，在铁心内围绕着磁感应强度，呈旋涡状流动，其方向可按楞次定律来决定。图 3-4 涡流的产生图 3-5 减小涡流的方法通常采用增大涡流回路电阻的方法减小涡流。如图所示：3.1 电气发热与计算103.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗 磁滞损耗 涡流损耗nmcz fBP 涡流损耗涡流损耗与电源频率的平方成正比，与磁感应强度最大值的平方和体积成正比。22 mw BfP 3.1 电气发热与计算113.1.3载流导体运行中的
7、 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗 磁滞损耗 涡流损耗 铁损22 mw BfP nmcz fBP 铁损交变磁通在铁芯中产生的磁滞损耗和涡流损耗合起来叫做铁磁损耗 Pcz， 简称铁损 。= 磁滞损耗 + 涡流损耗22 mnmwczm BffBPPP 钢片厚度（ mm）普通发电机硅钢片 变压器硅钢片1 0.5 0.35 0.5 0.35（ W/kg） 4.4 4.4 4.7 3.0 2.4 （ W/kg） 22.5 5.7 3.0 1.3 0.7表 3-2 磁滞损耗和涡流损耗的计算系数3.1 电气发热与计算123.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁
8、滞、涡流损耗3)附加 损耗交流电流通过导体时的电阻损耗（或称焦耳损耗）应为 ： （ 3-3）RIKPfj 222 mnmwczm BffBPPP SlR 其中导体的电阻为 :而 电阻 率 与温度的关系为 ： )1( 20 当 100 时，可忽略高次项，简化为：)1(0 附加损耗当直流电流流过导体时，电流线在导体中的任一横截面处的分布都是均匀的，故金属导体能得到充分地利用。3.1 电气发热与计算133.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗3)附加 损耗22 mnmwczm BffBPPP RIKP fj 2附加损耗的原因是 集肤效应 和 邻近效应 。当导体
9、中通过交流电流时，产生使电流趋于表面的现象，这就是 集 肤效应。集肤效应直流电通过导线时，线的横截面积上各处的电流密度相等； 而交流电通过导线时，导线横截面积上电流是不均匀的。越是靠近导线中心，电流密度越小；越是靠近导线表面，电流密度越大。这种交变电流在导线内趋于导线表面的想象称为集肤效应（也称表面效应或趋肤效应）。如图 3-6所示 。集肤效应以电磁波在导体内的渗透深度 b表征： fb 2/3.1 电气发热与计算143.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗3)附加 损耗22 mnmwczm BffBPPP RIKP fj 2铜导体的穿透深度 （ 20 ）
10、f(kHz) 1 3 5 7 10 13 15 18 20 23 (mm) 2.089 1.206 0.9346 0.7899 0.6608 0.5796 0.5390 0.4026 0.4673 0.4358f(kHz) 25 30 35 14 45 50 60 70 80 100 (mm) 0.4180 0.3825 0.3532 0.3304 0.3115 0.2955 0.2697 0.2497 0.2336 0.2089穿透深度与频率的平方根成反比， 随着频率的增加，穿透深度减少， Rac/Rdc 随之增加。导线的直流阻抗与导线的截面积有关，集肤效应使导线的截面积减小；交流阻抗与通过
11、电流的频率有关，频率越高，阻抗越大。导线温度 100 时， 25kHz时穿透深度为 0.48mm。 直径为 1.5mm的裸铜导线 Rac/Rdc=1.49； 如果是 200kHz， 穿透深度为 0.017mm， 此时 Rac/Rdc=2.488倍。3.1 电气发热与计算153.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗3)附加 损耗22 mnmwczm BffBPPP RIKP fj 2附加损耗的原因是 集肤效应 和 邻近效应 。邻近效应邻近效应在两个载流导体处于彼此布置较近时就表现出来。由于两个相邻的载流导体之间磁场的相互作用，而使导体截面中电流线分布改变。
12、一个导体中的电流建立的磁场，在另一导体中作用时，相邻近的一侧磁场强度较大，相反的一侧则较小。如果两导体中电流方向相同，则在邻近的一侧由一个导体在另一个导体中产生的磁场而感应的反电动势将阻止另一导体与相邻一侧内的电流通过；所以出现了两导体相邻近一侧电流密度的减小，而相反的一侧，电流密度则较大。3.1 电气发热与计算163.1.3载流导体运行中的 损耗3)附加 损耗 RIKPfj 2集肤效应电伴热集肤效应的应用 高频淬火：由于集肤效应工件表面发热中心几乎不热。就可达到使工件表面硬度高内部韧性好的目的。 管道加热17集肤效应电伴热集肤效应的应用 高频淬火：由于集肤效应工件表面发热中心几乎不热。就可达
13、到使工件表面硬度高内部韧性好的目的。 管道加热管道集肤效应电伴热(加热 )技术是近年来出现的一种新的金属管道加热方法，是大型石油化工等企业热输管道加热保温的新技术、新工艺，国外简称为“ SECT法”。此种加热技术具有效率高，适应所有长、中、短距离金属输液管道的伴热和加热，而且具有安全可靠，安装维修方便等优点，因此广泛用于各种不同性质的液态物质的管道运输中。3.1 电气发热与计算183.1.3载流导体运行中的 损耗1)电阻损耗 P = I2Rt2)磁滞、涡流损耗3)附加 损耗4)介质 损耗22 mnmwczm BffBPPP RIKP fj 2介质损耗电气绝缘材料称电介质 ， 电介质能建立电场
14、， 储存电场能量 ，也能消耗电场能量 。 短期场强会引起电介质击穿破坏 ， 长期较低场强会导致老化破坏 。 总之在电场的作用下 ， 电介质会发生极化 、电导 、 介质损耗和击穿四种基本物理过程 。电介质的功率损耗用下式求得： C tgUP 2线C3.2 接触电阻19当两个金属导体互相接触时，在接触区域内存在着一个附加电阻，称为接触电阻。所谓接触电阻，实际上指的是电接触电阻，又称电接触，它是两个金属导体互相接触在一起达到导电的目的。3.2.1 接触电阻 的 类型1)固定接触 2)可分接触 3)滑动及滚动接触固定接触用紧固件如螺钉或铆钉等压紧的电接触称固定接触。这种接触工作时没有相对运动。 滑动及
15、滚动接触在工作过程中触头可以互相滑动和滚动的接触方式称为滑动接触，又叫滚动接触。高压断路器的中间触头、公共电车及电气火车的电源引进部分都属此列。3.2 接触电阻203.2.2 接触电阻 的 组成接触电阻 Rj由两部分组成，收缩电阻 Rs和表面膜电阻 Rb，即 ： Rj = Rs + Rb1) 收缩电阻2) 表面膜电阻收缩电阻在显微镜下观察两个相接触的金属表面的侧面，可以看出切面表面凸凹不平。无论经过何种精加工或研磨工序，总有宏观和微观上的不平、波纹、表面粗糙等存在。因此当两个接触面接触时，实际上只有若干个小块面积相接触，见图 3-8所示，而在每块小面积内，又只有若干小的突起部分相接触，它们被称为接触点。3.2 接触电阻213.2.2 接触电阻 的 组成接触电阻 Rj由两部分组成，收缩电阻 Rs和表面膜电阻 Rb，即 ： Rj = Rs + Rb1) 收缩电阻2) 表面膜电阻可见，金属的实际截面积在切断处减小了，电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流线就会发生剧烈收缩现象。该现象所呈显的附加电阻称为收缩电阻。由于存在多个接触点，所以整个接触的 收缩电阻 Rs为各
