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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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R1
7、00-，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
8、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。,
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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,
