第一章-電器導(dǎo)體的發(fā)熱計(jì)算-圖文

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1、電電電電 器器器器 理理理理 論論論論 基基基基 礎(chǔ)礎(chǔ)礎(chǔ)礎(chǔ)-第一章第一章第一章第一章天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 電器導(dǎo)體的發(fā)熱電器導(dǎo)體的發(fā)熱 1.1.何何為電器器發(fā)熱的允的允許溫升溫升？2.2.電器器發(fā)熱的的允允許溫溫升升和和穩(wěn)定定溫溫升升在在概概念念上上是是否否相相同同?3.3.電器器的的溫溫升升與與哪哪些些因因素素有有關(guān)關(guān)？在在何何種種條條件件下下，電器將達(dá)到其器將達(dá)到其穩(wěn)態(tài)溫升？溫升？4.4.舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。5.5.集集膚膚效效應(yīng)應(yīng)與與鄰鄰近近效效應(yīng)應(yīng)的的實(shí)實(shí)質(zhì)質(zhì)是是什什么么?交交流流電電阻阻為為什么比直流電阻要大什么比直流

2、電阻要大?6.6.在在中中高高頻頻應(yīng)應(yīng)用用領(lǐng)領(lǐng)域域中中，如如果果電電流流較較大大，通通常常采采用用多股導(dǎo)線，而不是單股同截面導(dǎo)線。請(qǐng)解釋其原因。多股導(dǎo)線，而不是單股同截面導(dǎo)線。請(qǐng)解釋其原因。7.7.扁扁平平的的母母線線和和同同樣樣截截面面的的圓圓導(dǎo)導(dǎo)線線，哪哪種種載載流流量量大大？為什么？為什么？思考題思考題 電器的允許溫升電器的允許溫升 1234電器表面的溫升計(jì)算公式電器表面的溫升計(jì)算公式電器中的熱源電器中的熱源電器中的熱傳遞形式電器中的熱傳遞形式第一章第一章 電器器導(dǎo)體的體的發(fā)熱計(jì)算算765 各種工作制形式下的電器熱計(jì)算各種工作制形式下的電器熱計(jì)算電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布電器典型部件穩(wěn)定

3、溫升的分布短路電流下的電器熱計(jì)算和熱穩(wěn)定性短路電流下的電器熱計(jì)算和熱穩(wěn)定性基基 本本 內(nèi)內(nèi) 容容1-1 電器的允許溫升 主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：一、三種損耗及其影響一、三種損耗及其影響 二、電器各部件的極限允許溫升二、電器各部件的極限允許溫升 三、電器極限允許溫升三、電器極限允許溫升 四、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升四、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升1 1、三種、三種損耗：耗：導(dǎo)體（體（銅）的）的阻抗阻抗損耗耗交交變電磁磁場(chǎng)在在導(dǎo)磁體（磁體（鐵）中）中產(chǎn)生的生的磁滯與磁滯與渦流流損耗耗絕緣材料的材料的介介質(zhì)損耗耗。1-1 電器的允許溫升 一、三種損耗及其影響一、三種損耗及其影響 加熱

4、電器加熱電器散失到周圍介質(zhì)中散失到周圍介質(zhì)中損耗損耗2、電器器發(fā)熱的危害的危害 電器的各種器的各種損耗耗 電器的零部件溫度升高器的零部件溫度升高 電器器中中的的金金屬屬材材料料和和絕緣材材料料的的溫溫度度超超過一一定定極極限限值時(shí)，其機(jī)械，其機(jī)械強(qiáng)強(qiáng)度和度和絕緣強(qiáng)強(qiáng)度將明度將明顯降低。降低。電器的性能指器的性能指標(biāo)降低；降低；電器的使用壽命降低；器的使用壽命降低；嚴(yán)重重時(shí)，燒毀毀電器。器。電器的零部件材料老化；器的零部件材料老化；1)金屬材料金屬材料當(dāng)當(dāng)金金屬屬材材料料的的溫溫度度高高達(dá)達(dá)一一定定數(shù)數(shù)值以以后后，其其機(jī)機(jī)械械強(qiáng)強(qiáng)度度會(huì)會(huì)顯著降低。著降低。軟化點(diǎn):機(jī)械強(qiáng)度開始顯著下降時(shí)的溫度稱為

5、材料的軟化點(diǎn)。軟化點(diǎn)不僅與材料種類有關(guān)，還是加熱時(shí)間的函數(shù)，加熱時(shí)間越短，材料到達(dá)軟化點(diǎn)的溫度越高。以銅為例：長(zhǎng)期發(fā)熱時(shí)的軟化溫度為100200；短時(shí)發(fā)熱時(shí)的軟化溫度為300 0100200300400500600608010012040金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系長(zhǎng)期加熱長(zhǎng)期加熱短時(shí)加熱短時(shí)加熱不同金屬材料的機(jī)械特性不同金屬材料的機(jī)械特性隨溫度隨溫度變化不盡相同?；槐M相同。O100200300400500600608010012040圖圖2-1 2-1 金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系硬拉硬拉鋁青青銅鋼電解解銅銅 2)絕緣材料材料絕緣材材

6、料料的的絕緣特特性性（例例如如擊穿穿電壓、材材料料老老化化等等）易易受受溫溫度度影影響響，當(dāng)當(dāng)絕緣材材料料的的溫溫度度超超過一一定定極極限限后后，其其擊穿穿電壓明明顯下下降降。因因此此，絕緣材材料料的的極極限限允允許溫溫度度將將取取決決于于絕緣材材料料的的老老化和化和擊穿特性。穿特性。圖圖1-2 1-2 瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系O20406080100 120 140 1602550751001253)3)觸觸頭材料材料除考除考慮機(jī)械機(jī)械強(qiáng)強(qiáng)度外，度外，還要考要考慮氧化和其他氧化和其他問題 -電接觸。接觸。HOMEHOME3 3、結(jié)論：、結(jié)論：發(fā)熱計(jì)算研究意義重大：發(fā)熱

7、計(jì)算的目的是研究各種工作發(fā)熱計(jì)算研究意義重大：發(fā)熱計(jì)算的目的是研究各種工作狀態(tài)的發(fā)熱，保證這些部分最高溫度不超過規(guī)定的極限允狀態(tài)的發(fā)熱，保證這些部分最高溫度不超過規(guī)定的極限允許溫度，以保證電器工作的可靠性。許溫度，以保證電器工作的可靠性。另外發(fā)熱計(jì)算在電氣設(shè)計(jì)中對(duì)于另外發(fā)熱計(jì)算在電氣設(shè)計(jì)中對(duì)于縮小體積、減輕重量、節(jié)縮小體積、減輕重量、節(jié)約原材料、延長(zhǎng)使用壽命約原材料、延長(zhǎng)使用壽命等方面意義重大。等方面意義重大。1-1 電器的允許溫升 一、三種損耗及其影響一、三種損耗及其影響 一般銅線安全計(jì)算方法是2.5平方毫米銅電源線的安全載流量28A。4平方毫米銅電源線的安全載流量35A。6平方毫米銅電源線

8、的安全載流量48A。10平方毫米銅電源線的安全載流量65A。16平方毫米銅電源線的安全載流量91A。25平方毫米銅電源線的安全載流量120A。如果是鋁線，線徑要取銅線的1.5-2倍。如果銅線電流小于28A，按每平方毫米10A來取肯定安全。如果銅線電流大于120A，按每平方毫米5A來取。1-1 電器的允許溫升 銅的自然屬性 銅是人類最早發(fā)現(xiàn)的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開始使用銅。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅礦和硫化銅礦。自然銅及氧化銅的儲(chǔ)量少，現(xiàn)在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的，這種礦石含銅量極低，一般在2-3%左右。金屬銅，元素符號(hào)CU，原子量63.54,比重8.92，熔

9、點(diǎn)1083Co。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有許多可貴的物理化學(xué)特性，例如其熱導(dǎo)率都很高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細(xì)的銅絲，制成很薄的銅箔。能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金，形成的合金主要分成三類：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。電動(dòng)機(jī)銅線改鋁線時(shí)，電機(jī)功率會(huì)降低，因?yàn)橄嗤€徑的鋁線比銅線載流密度小，用大些的鋁線嵌不下線。0.79平方銅線的電流密度等于1平方鋁線的電流密度。鋁具有特殊的化學(xué)、物理特性，是當(dāng)今最常用的工業(yè)金屬之一，不僅重量輕，質(zhì)地堅(jiān)，而且具有良好的延展性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐熱性和耐核輻射性，是國民經(jīng)

10、濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料。鋁元素在地殼中的含量?jī)H次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。在金屬品種中，僅次于鋼鐵，為第二大類金屬。二、二、電器溫升和極限允器溫升和極限允許溫升：溫升：1 1、“電器溫升器溫升”的定的定義：電器溫升電器溫升=電器本身溫度電器本身溫度-周圍環(huán)境溫度周圍環(huán)境溫度2 2、“電器各部件極限允器各部件極限允許溫升溫升”的定的定義：電器極限允許溫升電器極限允許溫升=電器極限允許溫度電器極限允許溫度-周圍環(huán)境溫度周圍環(huán)境溫度 我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定周圍空氣的溫度范圍為我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定周圍空氣的溫度范圍為40401-1 電器的允許溫升 3 3、電器極限允許溫升制定依據(jù)：、電器極限允許

11、溫升制定依據(jù)：保證電器的絕緣不致因溫度過高而損壞不致因溫度過高使工作壽命過分降低導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)部分不致因溫度過高而降低其力學(xué)性能，還要保證點(diǎn)接觸性能可靠1-1 電器的允許溫升 鉛酸是采用酸的水溶液做電解液，低溫導(dǎo)電性能影響很大，電極反應(yīng)變慢。鋰電池是有機(jī)電解液，它的容量在25度左右發(fā)揮的更好，溫度超過35度，容量開始下降，低于15度，容量也下降較大，但比鉛酸的好多了，溫度回到室溫，容量又會(huì)恢復(fù)。環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)車電池容量的影響 在不同的環(huán)境溫度下，實(shí)測(cè)的電池容量與25時(shí)的容量是不一致的，溫度越低，電池的放電容量越小，反之越大。為了規(guī)范判別，應(yīng)該把任意環(huán)境溫度下的電池容量折算為25時(shí)的容量，計(jì)算公式為

12、：Ce=Cr/1+K(t-25)式中：Ce為25下電池的放電容量 Cr為非標(biāo)準(zhǔn)溫度下的放電容量 t為實(shí)際環(huán)境溫度 K為溫度系數(shù)，2小時(shí)率放電為0.0085/1-1 電器的允許溫升 舉例說明：放電時(shí)的環(huán)境溫度為5，電池的放電時(shí)間為60分鐘。那么Cr只有5Ah，折算成25的容量為：Ce5/1+0.0085(5-25)5/1+0.0085(-20)5/1+(-0.17)5/0.83 6.02Ah 從以上計(jì)算可以看出，溫度降低20，2小時(shí)率放電電池容量減少約1Ah。大家可以知道溫度對(duì)電池容量的影響。現(xiàn)在的電池，大多是化學(xué)電池！在一定的溫度范圍內(nèi)，電池液的化學(xué)性質(zhì)才是活潑的！此時(shí)電量充足、漏電小。低于零

13、下，大部分化學(xué)物質(zhì)會(huì)部分結(jié)晶，造成電量大幅下降！而高于55度，電池負(fù)陽極物質(zhì)間漏電加?。∫矔?huì)造成電量下降！1-1 電器的允許溫升 三、三、電器極限允器極限允許溫升溫升 （按相關(guān)國家溫升（按相關(guān)國家溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)進(jìn)行行測(cè)量）：量）：1 1、電器中、電器中裸導(dǎo)體裸導(dǎo)體的極限允許溫升應(yīng)小于材料軟化點(diǎn)的極限允許溫升應(yīng)小于材料軟化點(diǎn) （機(jī)械性能顯著下降即軟化）。（機(jī)械性能顯著下降即軟化）。2 2、對(duì)絕緣材料和外包絕緣對(duì)絕緣材料和外包絕緣的導(dǎo)體：其極限允許溫升的的導(dǎo)體：其極限允許溫升的 大小由絕緣材料的老化和擊穿特性決定。大小由絕緣材料的老化和擊穿特性決定。3 3、對(duì)于、對(duì)于觸頭材料觸頭材料，除考慮機(jī)械強(qiáng)

14、度外，還要考慮氧化，除考慮機(jī)械強(qiáng)度外，還要考慮氧化和其他問題（詳見第和其他問題（詳見第6 6章電接觸理論）章電接觸理論）1-1 電器的允許溫升 4、溫升、溫升計(jì)算：溫度決定算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核器各部件工作性能，但是考核電器器質(zhì)量量時(shí)以溫升作以溫升作為指指標(biāo)。而。而電器運(yùn)行器運(yùn)行場(chǎng)所的所的環(huán)境溫度因地而異，故境溫度因地而異，故只能只能規(guī)定一個(gè)定一個(gè)統(tǒng)一的一的環(huán)境（我國境（我國規(guī)定定為35 35 ），據(jù)此在），據(jù)此在計(jì)算算規(guī)定的允定的允許溫升溫升 ，若令零部件溫度，若令零部件溫度為 ，則有：有：1-1 電器的允許溫升 我國的國家我國的國家標(biāo)準(zhǔn)、部準(zhǔn)、部標(biāo)準(zhǔn)、企準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，按

15、準(zhǔn)中，按電器不同零部件的工作特性，器不同零部件的工作特性，對(duì)其允其允許溫升都溫升都有有詳細(xì)的的規(guī)定！定！6、短路通過短路電流時(shí)的極限允許溫度：我國標(biāo)準(zhǔn)未作統(tǒng)一規(guī)定！一般要求：油中的裸導(dǎo)體不應(yīng)超過油中的裸導(dǎo)體不應(yīng)超過250 250 不和有機(jī)絕緣材料或油接觸的不和有機(jī)絕緣材料或油接觸的 銅或黃銅部件不應(yīng)超過銅或黃銅部件不應(yīng)超過300 300 鋁在任何情況下鋁在任何情況下不應(yīng)超過不應(yīng)超過200 200 固定接觸連接部分的發(fā)熱不應(yīng)超過其它部分載流導(dǎo)體的發(fā)熱固定接觸連接部分的發(fā)熱不應(yīng)超過其它部分載流導(dǎo)體的發(fā)熱電器主觸頭溫度限制在電器主觸頭溫度限制在200 200 以內(nèi)以內(nèi)弧觸頭要求不熔焊弧觸頭要求不熔焊

16、1-1 電器的允許溫升 雖然各種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電器載流體于短路時(shí)通過短路電流時(shí)的極限允雖然各種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電器載流體于短路時(shí)通過短路電流時(shí)的極限允許溫度未作統(tǒng)一規(guī)定，但是多年來一直以不超過下表規(guī)定為準(zhǔn)則。許溫度未作統(tǒng)一規(guī)定，但是多年來一直以不超過下表規(guī)定為準(zhǔn)則。1-1 電器的允許溫升 載流部件載流部件極限允許溫度極限允許溫度/銅銅黃銅黃銅鋁鋁鋼鋼未絕緣導(dǎo)體未絕緣導(dǎo)體300300200400包絕緣導(dǎo)體包絕緣導(dǎo)體Y級(jí)級(jí)200200200200未絕緣導(dǎo)體未絕緣導(dǎo)體A級(jí)級(jí)250250200250包絕緣導(dǎo)體包絕緣導(dǎo)體B、C級(jí)級(jí)3003002004001-1 電器的允許溫升 四、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升

17、四、我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升 電電器器各各部部分分的的溫溫度度是是用用一一定定的的測(cè)測(cè)量量方方法法得得到到的的，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的允許溫度和測(cè)量方法有關(guān)。準(zhǔn)中所規(guī)定的允許溫度和測(cè)量方法有關(guān)。電電器器各各部部分分的的允允許許溫溫升升及及測(cè)測(cè)量量方方法法具具體體可可參參考考有有關(guān)關(guān)電器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。電器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升見表我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升見表1-11-1。我國我國標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)規(guī)定的定的電氣氣絕緣材料的極限溫度：材料的極限溫度：1-1 電器的允許溫升 產(chǎn)生產(chǎn)生熱源的三熱源的三個(gè)個(gè)主要方面：主要方面：電阻電阻（含接觸電阻）（含接觸電阻）損耗損耗、交流電

18、器導(dǎo)磁材料的交流電器導(dǎo)磁材料的渦流渦流和和磁滯損耗磁滯損耗，以及交以及交流電器絕緣材料的流電器絕緣材料的介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗。此外還有電器運(yùn)動(dòng)部分此外還有電器運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的產(chǎn)生的摩擦撞擊損耗摩擦撞擊損耗。一、一、電阻損耗電阻損耗 二、二、鐵磁損耗鐵磁損耗 三、三、介質(zhì)損耗介質(zhì)損耗 1-2 電器的熱源 一、一、電電阻阻損損耗：耗：也稱焦耳也稱焦耳損耗。耗。1、計(jì)計(jì)算公式：算公式：Kf:考考慮慮集膚效集膚效應(yīng)應(yīng)和和鄰鄰近效近效應(yīng)應(yīng)的附加的附加損損耗系數(shù)，耗系數(shù)，數(shù)數(shù)值大小大小為Kf=Kl*Kj (Kl為鄰近系數(shù)近系數(shù)，Kj為集膚系數(shù)集膚系數(shù))；J為導(dǎo)體體電流密度；流密度；R:電阻，阻，R=l/A l/

19、A 為導(dǎo)體材料的密度。體材料的密度。電阻率與溫度之阻率與溫度之間的關(guān)系可表示的關(guān)系可表示為：=0 0（1+1+2 2+）100100以內(nèi)以內(nèi)時(shí)，電阻阻R=R=0 0(1+)*l/(1+)*l/A A1-2 電器的熱源 2 2、集膚效、集膚效應(yīng)：交交變磁通在磁通在導(dǎo)體內(nèi)體內(nèi)產(chǎn)生反生反電勢(shì)，中心部分的反，中心部分的反電勢(shì)值比外表部分的大，比外表部分的大，導(dǎo)致致導(dǎo)體中心的體中心的電流密度比外表流密度比外表部分小。部分小。集膚效應(yīng)的大小用電集膚效應(yīng)的大小用電磁波在導(dǎo)體中的滲入深度磁波在導(dǎo)體中的滲入深度b b表表示示1-2 電器的熱源 滲入深度滲入深度b b的大小的大小為：b b 式中，式中，：電阻率；

20、阻率；f f：頻率；率；：磁：磁導(dǎo)率。率。由于由于b b越小，集膚效越小，集膚效應(yīng)就越就越強(qiáng)。由上式可知，當(dāng)頻率由上式可知，當(dāng)頻率f f越高時(shí)，滲入系數(shù)越高時(shí)，滲入系數(shù)b b越小，則越小，則集膚效應(yīng)越強(qiáng)。集膚效應(yīng)越強(qiáng)。1-2 電器的熱源 3 3、集膚系數(shù)、集膚系數(shù)K Kj j：式中，式中，A A：導(dǎo)體截面體截面積；P P：導(dǎo)體周體周長(zhǎng)。由此式知，由此式知，f f越高，集膚效越高，集膚效應(yīng)越越強(qiáng)。1-2 電器的熱源 4 4、集膚系數(shù)、集膚系數(shù)K Kj j的的查表求解：表求解：（1 1）圓截截面面導(dǎo)體體：先先求求100m100m長(zhǎng)導(dǎo)體體的的直直流流電阻阻R R100-100-，再再求求 ，查圖1-

21、41-4，得，得K Kj j。1-2 電器的熱源（2 2）矩形截面矩形截面導(dǎo)體的體的K Kj j值查表表1-21-2得。其中得。其中,k ke e1-2 電器的熱源 100100時(shí)長(zhǎng)100100米米導(dǎo)體的直流體的直流電阻阻為4、一、一銅質(zhì)圓截面截面導(dǎo)體，直徑體，直徑為6cm,當(dāng)通當(dāng)通過50Hz交流交流電流流時(shí)工工作溫度作溫度為100C，試求求導(dǎo)體的集膚系數(shù)和體的集膚系數(shù)和長(zhǎng)100m的交流的交流電阻。阻。交流交流R100(=Kj R100-)？解：已知解：已知銅導(dǎo)體體00時(shí)的阻率和的阻率和電阻溫度系數(shù)分阻溫度系數(shù)分別為：再求出再求出由由圖1-41-4曲曲線查出：出：故當(dāng)故當(dāng)100100時(shí)長(zhǎng)100

22、m100m導(dǎo)體交流體交流電阻阻為5 5、鄰近效近效應(yīng)：由于相由于相鄰載流流導(dǎo)體體間磁磁場(chǎng)的相互作的相互作用，使兩用，使兩導(dǎo)體內(nèi)體內(nèi)產(chǎn)生生電流流發(fā)布不均勻的布不均勻的現(xiàn)象。象。鄰近效近效應(yīng)與相與相鄰載流流導(dǎo)體內(nèi)體內(nèi)電流流向流流向有關(guān)。有關(guān)。（1 1）電流同向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)）電流同向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)大些，故電流密度小些；大些，故電流密度小些；（2 2）電流反向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)）電流反向：相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)小些，故電流密度大些，圖小些，故電流密度大些，圖1-51-5。1-2 電器的熱源 6 6、對(duì) 圓 截截 面面 導(dǎo) 體體：鄰 近近 效效 應(yīng) 系系 數(shù)數(shù) K Kl l，查 表表 1-3

23、1-3，其其 中中 系系 數(shù)數(shù) K Kx x=，l l是是導(dǎo)體中心體中心線距離，距離，d d是是導(dǎo)體直徑。體直徑。1-2 電器的熱源 二、鐵磁損耗：電電器器中中的的載載流流導(dǎo)導(dǎo)體體在在附附近近的的鐵鐵磁磁零零件件中中產(chǎn)產(chǎn)生生交交變變磁磁通通，從從而而在在鐵鐵磁磁體體中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。圖圖1-6 1-6 兩兩種種厚厚度度不不同同的的硅硅鋼鋼片片（材材料料D31D31與與D43,D43,厚厚度度0.5mm0.5mm（實(shí)實(shí)線線）與與0.35mm0.35mm（虛虛線線）單單位位質(zhì)質(zhì)量量的鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖的鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖。1-2 電器的熱源 圖1-7

24、1-7 估算估算實(shí)心心鋼導(dǎo)體體損耗曲耗曲線。圖中，中，I I：流：流過鋼導(dǎo)體的體的電流，流，P P：導(dǎo)體截面周體截面周長(zhǎng)，A A：外表面：外表面積，f f：電流流頻率，率，P Pm m：鋼導(dǎo)體體損耗。耗。1-2 電器的熱源 二二.鐵磁磁損耗耗 電器器中中的的載流流導(dǎo)體體有有時(shí)要要從從鐵磁磁零零件件附附近近通通過。由由于于鐵的的磁磁導(dǎo)率率高高，磁磁通通將將通通過鐵磁磁零零件件而而成成閉路路。如如果果導(dǎo)體體通通過的的電流流為交交流流，則交交變磁磁通通在在鐵磁磁體體內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生生渦流和磁滯流和磁滯損耗。耗。Bi1-2 電器中的熱源iiiBBB00.51.01.51234硅鋼片單位質(zhì)量鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度

25、的關(guān)系硅鋼片單位質(zhì)量鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系D31D42實(shí)線實(shí)線:厚厚0.5mm0.5mm,虛線虛線:厚厚0.35mm0.35mm三、介質(zhì)損耗：絕緣材料在交變電場(chǎng)中的損耗與電場(chǎng)強(qiáng)度E和頻率f成比例，高壓電器一般要考慮此損耗。其大小為：式中 p：介質(zhì)損耗功率；f：電場(chǎng)交變頻率；C：介質(zhì)的電容；U：外加電壓；tan：絕緣材料重要特征之一，與溫度、材料、工藝等有關(guān)。：介質(zhì)損耗角；tan大時(shí)，介質(zhì)損耗也大。1-2 電器的熱源 1-3 電器的熱傳遞形式電器散熱有三種形式，即 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。電器的熱損耗由它們散失到周圍。一、熱傳導(dǎo)：一、熱傳導(dǎo)：熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)現(xiàn)現(xiàn)象象的的實(shí)實(shí)質(zhì)質(zhì)是是質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)間間的

26、的直直接接作作用用，把把能能量量從從一一個(gè)個(gè)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)。點(diǎn)傳遞到另一個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn)。它存在于絕緣的它存在于絕緣的液體、固體、氣體液體、固體、氣體中。中。在在絕絕緣緣的的液液體體和和固固體體中中，質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)間間的的能能量量傳傳遞遞是是通通過過彈彈性性波波進(jìn)進(jìn)行行的的。氣氣體體的的熱熱傳傳導(dǎo)導(dǎo)還還伴伴隨隨著著原原子子和和分分子子的的擴(kuò)擴(kuò)散散，金金屬屬中中則則有電子的擴(kuò)散。有電子的擴(kuò)散。1-3 電器的熱傳遞形式 1、兩等溫線的溫差與等溫線間距之比的極限稱為溫度梯度：在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于熱流方向單位面積的熱量稱為熱流密度，即：Q:熱量；A：面積；t:時(shí)間 熱傳導(dǎo)是固態(tài)物質(zhì)傳熱的主要方式，熱

27、傳導(dǎo)是固態(tài)物質(zhì)傳熱的主要方式，溫差的存在是熱交換的必要條件！溫差的存在是熱交換的必要條件！1-3 電器的熱傳遞形式 分析熱傳導(dǎo)現(xiàn)象必須用到著名的傅里葉定律:單位時(shí)間內(nèi)通過物體單位面積的熱量與該處的溫度梯度成正比，即：式中 ：材料熱導(dǎo)率，單位為w/(m*k)，各種物體有不同的熱導(dǎo)率，由其物理性質(zhì)決定。越大，物體的熱傳導(dǎo)能量越強(qiáng)，且有“金屬非金屬液氣”。由于熱量是向溫度降低的方向擴(kuò)散，而溫度梯度則是指向溫度升高的方向，故上式有一負(fù)號(hào)。2、熱傳導(dǎo)功率：式中 div：向量，矢量；：熱導(dǎo)率，表征物體熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，它與材料、溫度等許多因素有關(guān)。多數(shù)材料在一定溫度范圍內(nèi)與溫度近似呈線性關(guān)系。即：=，

28、熱導(dǎo)率范圍甚大，銀為425，銅為390。，鋁為210，黃銅為85，某些氣體為：0.006。見圖1-8“金屬和液體的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系”。1-3 電器的熱傳遞形式 1-3 電器的熱傳遞形式二、二、熱對(duì)流：流：1 1、只只存存在在于于流流體體（液液體體和和氣氣體體）中中。本本質(zhì)是是通通過粒粒子子互互相相移移動(dòng)而而產(chǎn)生生熱能能轉(zhuǎn)移移，對(duì)流流常常伴伴有有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象象，有有自自然然對(duì)流流和和強(qiáng)迫迫對(duì)流流兩兩種種方方式。式。定定義：自然自然對(duì)流：流體流：流體質(zhì)點(diǎn)因溫度升高而上升形成的點(diǎn)因溫度升高而上升形成的對(duì)流；流；強(qiáng)迫迫對(duì)流：流：質(zhì)點(diǎn)在外力作用下被迫流點(diǎn)在外力作用下被迫流動(dòng)形成的形成的對(duì)流；流；1-3

29、電器的熱傳遞形式 自自然然對(duì)對(duì)流流發(fā)發(fā)生生在在不不均均勻勻加加熱熱的的流流體體中中，在在高高溫溫區(qū)區(qū)，粒粒子子密密度度比比低低溫溫區(qū)區(qū)的的小小，溫溫度度較較高高的的粒粒子子向向上上遷遷移移，溫溫度度較較低低的的粒粒子子向向下下遷遷移移。這這種種因因粒粒子子密密度度的的不不均均勻勻性性產(chǎn)產(chǎn)生生的的自自然然上上升升力力和和下下降降力力，導(dǎo)導(dǎo)致致了了流流體體中中的的自然對(duì)流和熱交換。在中小容量電器中，一般都采用自然對(duì)流散熱。自然對(duì)流和熱交換。在中小容量電器中，一般都采用自然對(duì)流散熱。1-3 電器的熱傳遞形式核裂變熱量-加熱水-蒸汽-汽輪機(jī)-電力危急冷卻系統(tǒng)：為了應(yīng)付核電站一回路主管道破裂的極端失水事

30、故的發(fā)生，近代核電站都設(shè)有危急冷卻系統(tǒng)。它是由注射系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)組成。一旦接到極端失水事故的信號(hào)后，安全注射系統(tǒng)向反應(yīng)堆內(nèi)注射高壓含硼水，噴淋系統(tǒng)向安全殼噴水和化學(xué)藥劑。便可緩解事故后果，限制事故蔓延。強(qiáng)迫對(duì)流是在外界因素強(qiáng)迫作用下形成的，例如用氣流或液流進(jìn)行強(qiáng)吹和強(qiáng)冷，這在某些強(qiáng)電流電器或高頻電器中采用。熱對(duì)流形式熱對(duì)流形式 層流：層流：粒粒子子運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)速速度度較較低低，運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)平穩(wěn)，平行分層運(yùn)動(dòng)。平穩(wěn)，平行分層運(yùn)動(dòng)。紊流：紊流：粒粒于于運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)速速度度高高，形形成成旋旋渦式的紊亂運(yùn)動(dòng)。渦式的紊亂運(yùn)動(dòng)。發(fā)熱體附近流體介質(zhì)的對(duì)流發(fā)熱體附近流體介質(zhì)的對(duì)流 1-3 電器的熱傳遞形式2 2、熱

31、對(duì)流時(shí)，散熱能力主要決定于邊界層，因?yàn)榇颂帨囟茸儭釋?duì)流時(shí)，散熱能力主要決定于邊界層，因?yàn)榇颂帨囟茸兓畲?。熱量傳遞隨流體性質(zhì)而異，直接影響此過程的因素化最大。熱量傳遞隨流體性質(zhì)而異，直接影響此過程的因素有：熱導(dǎo)率、比熱容、密度和粘滯系數(shù)。有：熱導(dǎo)率、比熱容、密度和粘滯系數(shù)。對(duì)流形式熱交換可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：對(duì)流形式熱交換可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中式中 dQ:dQ:在在dtdt時(shí)間內(nèi)以對(duì)流形式散出的熱量時(shí)間內(nèi)以對(duì)流形式散出的熱量 ：發(fā)熱體和周圍的介質(zhì)溫度：發(fā)熱體和周圍的介質(zhì)溫度 A A：散熱面的面積；散熱面的面積；：對(duì)流散熱系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)方式確定。：對(duì)流散熱系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)方式確定。3、單位體

32、積流體介質(zhì)由對(duì)流而散失的功率：式中，c、v：分別為流體的比熱容、密度、速度。1-3 電器的熱傳遞形式4、實(shí)際電器的發(fā)熱用分析方法計(jì)算對(duì)流散熱往往比較困難。這時(shí)可根據(jù)相似理論，通過模型試驗(yàn)，求出散熱系數(shù)。例如：自然散熱對(duì)流可用下列公式計(jì)算：1-3 電器的熱傳遞形式式中 ：發(fā)熱體表和流體介質(zhì)溫度 A：散熱面的面積；：對(duì)流散熱系數(shù)，一般由實(shí)驗(yàn)方式確定。例如：空氣中垂直安放的平板形導(dǎo)體，對(duì)流系數(shù)為：1-3 電器的熱傳遞形式例如：空氣中水平安放的平板形導(dǎo)體，發(fā)熱面向上，對(duì)流系數(shù)為：例如：變壓器油中垂直安放的平板導(dǎo)體，對(duì)流系數(shù)為：變壓器油中垂直安放的平板導(dǎo)體，由于表面溫度沿高度的分布不同，下面的溫度低，上

33、面的溫度高，因而沿高度的散熱系數(shù)也不同，下面的大，上面的小。三、三、熱輻射射：1、定、定義 由電磁波傳播能量，不需直接接觸的傳熱方式。1-3 電器的熱傳遞形式2、熱輻射的方式：熱能（發(fā)熱）（轉(zhuǎn)變?yōu)椋┹椛淠埽▽?shí)質(zhì)是一種電磁波）（轉(zhuǎn)變?yōu)椋崮埽ū晃眨?、熱輻射時(shí)，單位面積上的熱發(fā)射功率fs計(jì)算：發(fā)熱體表面熱力學(xué)溫度，K；0：受熱體的絕對(duì)溫度，K。式中 ：發(fā)射率，見表1-5；1-3 電器的熱傳遞形式 結(jié)論：由于電器極限允許溫度低（僅有幾百度），因而輻射功率較小，電器散熱通?？紤]的方式是：熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。對(duì)于電弧而言，輻射功率不能忽視。4 4、絕對(duì)黑體、絕對(duì)白體與灰色體：、絕對(duì)黑體、絕對(duì)白體與灰色體

34、：“絕對(duì)黑體”：對(duì)對(duì)輻輻射射波波全全吸吸收收、不不反反射射的的物物體體。因因其其含含有有大大量量熱熱能，故其發(fā)射（即本身熱輻射）和吸收能力最強(qiáng)，發(fā)射率能，故其發(fā)射（即本身熱輻射）和吸收能力最強(qiáng)，發(fā)射率 =1；“絕對(duì)白體”：對(duì)對(duì)輻輻射射波波全全反反射射、不不吸吸收收的的物物體體，因因其其本本身身缺缺乏乏大大量熱能，故其發(fā)射能力最強(qiáng)，發(fā)射率量熱能，故其發(fā)射能力最強(qiáng)，發(fā)射率 =1，而放射能力 “灰色體”：相對(duì)處于中間狀態(tài)的物體。：相對(duì)處于中間狀態(tài)的物體。1-3 電器的熱傳遞形式 5、熱輻射的特點(diǎn)熱輻射的特點(diǎn)（1 1）輻射換熱不依賴物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞輻射換熱不依賴物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞;（2

35、2）輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化；（3 3）一切物體只要其溫度一切物體只要其溫度T0K，都會(huì)不斷地發(fā)射熱射線。，都會(huì)不斷地發(fā)射熱射線。（4）物體吸收率）物體吸收率：投投射射到到物物體體上上而而被被吸吸收收的的熱輻射射能能與與投投射射到到物物體體上上的的總熱輻射能之比稱射能之比稱為該物體的吸收率。物體的吸收率。1-3 電器的熱傳遞形式（5）物體反射率）物體反射率：從從非非發(fā)光光體體表表面面反反射射的的輻射射與與入入射射到到該表表面面的的總輻射射之之比比，它它是是表表征征物物體體表表面面反反射射能能力力的的物物理理量量。絕對(duì)黑黑體體的的反反射射率率為0，

36、純白物體的反射率白物體的反射率為1，實(shí)際物體的反射率介于物體的反射率介于0與與1之之間。（6）物體透射率）物體透射率：透透射射是是入入射射光光經(jīng)過折折射射穿穿過物物體體后后的的出出射射現(xiàn)象象。被被透透射射的的物體物體為透明體或半透明體，如玻璃，透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等。色片等。1-3 電器的熱傳遞形式 牛牛頓公式公式 電器表面穩(wěn)定溫升與工作制有關(guān)。計(jì)算電器表面穩(wěn)定溫升時(shí)，一般是將三種散熱方式合在一起，用牛頓熱計(jì)算公式求電器表面的穩(wěn)定溫升值，即：式中，Ps：總散熱功率；A：有效散熱面積；：發(fā)熱體溫升，-0，和0是發(fā)熱體溫度和周圍環(huán)境溫度。KT：導(dǎo)體表面綜合散熱系數(shù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見表1-6

37、，單位w/m2。1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 綜綜合合散散熱熱系系數(shù)數(shù)，包包含含了了所所有有的的散散熱熱形形式式，因因而而各各種種具具體體條條件件對(duì)對(duì)K KT T數(shù)數(shù)值值的的影影響響極極大大，而而K KT T的的實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)往往往往又又是是在在特定條件下得到的，這就要求在選用時(shí)必須鎮(zhèn)重對(duì)待。特定條件下得到的，這就要求在選用時(shí)必須鎮(zhèn)重對(duì)待。其其次次，對(duì)對(duì)于于有有效效散散熱熱面面的的選選取取，也也必必須須跟跟據(jù)據(jù)不不同同的具體對(duì)象，對(duì)散熱情況進(jìn)行分析后確定。的具體對(duì)象，對(duì)散熱情況進(jìn)行分析后確定。1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算

38、方法根據(jù)相似理論求得導(dǎo)體的綜合散熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算公式如下：根據(jù)相似理論求得導(dǎo)體的綜合散熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算公式如下：和0：是發(fā)熱體表面和流體介質(zhì)的溫度，單位K;l0 ：導(dǎo)體單位長(zhǎng)度，單位m;：發(fā)射率，無量鋼量。1-4 電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 對(duì)于電器中的線圈，綜合散熱系數(shù)公式為：對(duì)于電器中的線圈，綜合散熱系數(shù)公式為：當(dāng)散熱面積為當(dāng)散熱面積為A=(1100)A=(1100)1010-4-4 m m2 2 時(shí)，時(shí)，當(dāng)散熱面積為當(dāng)散熱面積為A=(0.010.05)mA=(0.010.05)m2 2 時(shí)，時(shí)，式中式中 、0 0的的單位位為；A A 的的單位位為mm2 2。國國標(biāo)規(guī)定定電器有四種工作制器有四種

39、工作制：長(zhǎng)期工作制長(zhǎng)期工作制間斷長(zhǎng)期工作制間斷長(zhǎng)期工作制 短時(shí)工作制短時(shí)工作制 反復(fù)短時(shí)工作制反復(fù)短時(shí)工作制 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 一、長(zhǎng)期工作制：電器工作于長(zhǎng)期工作制時(shí)，其工作時(shí)間常數(shù)大于8h,有的連續(xù)工作幾天，甚至幾個(gè)月。實(shí)際上電器達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間往往不需要8h或更長(zhǎng)時(shí)間。電電器器通通電電產(chǎn)產(chǎn)生生的的功功率率損損耗耗一一部部分分散散失失到到周周圍圍介介質(zhì)質(zhì)中中去去，一一部部分分加加熱熱電電器器使使其其溫溫度度升升高高。根根據(jù)據(jù)熱熱平平衡衡原原理理，電電器器的的發(fā)發(fā)熱熱等等于于散散熱熱加加吸吸熱熱(用用于于電電器器升溫升溫)，即，即Pdt在dt

40、時(shí)間內(nèi)電器的總發(fā)熱量，KTAdt 在dt時(shí)間內(nèi)電器的總散熱量，cmd 在dt時(shí)間內(nèi)電器溫度升高d所吸收的熱量c比熱容，m發(fā)熱體質(zhì)量分分析析發(fā)熱：當(dāng)當(dāng)在在t=0，=0；t=，=w=P/KTA時(shí)時(shí)的的條條件件下下，溫溫升發(fā)熱計(jì)算公式為：升發(fā)熱計(jì)算公式為：發(fā)熱曲線如下：發(fā)熱曲線如下：式中，式中，T：電器熱時(shí)間常數(shù)：電器熱時(shí)間常數(shù)T=cm/（KTA）；）；0：起始溫升；：起始溫升；w：穩(wěn)定溫升。：穩(wěn)定溫升。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算特別地，當(dāng)特別地，當(dāng)t=0t=0，0 0時(shí)，有：時(shí)，有：上上式式解解答答表表明明：電電器器通通電電以以后后，其其溫溫升升隨隨時(shí)時(shí)間間按按指指數(shù)數(shù)規(guī)規(guī)律律增增長(zhǎng)長(zhǎng)，當(dāng)當(dāng)

41、圖圖t=4Tt=4T時(shí)時(shí),=0.98w w，接接近近于于穩(wěn)穩(wěn)定定溫溫升升；當(dāng)當(dāng)圖圖t=Tt=T時(shí)時(shí),=0.632w w；發(fā)熱曲線如下：；發(fā)熱曲線如下：1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 上上式式表表明明：電電器器在在絕絕緣緣條條件件下下的的溫溫升升曲曲線線為為一一條條直直線線（如如圖圖所所示示）。當(dāng)當(dāng) 達(dá)到 w所需的時(shí)間恰好為T。如如果果電電器器通通電電后后，全全部部發(fā)發(fā)熱熱均均為為電電器器吸吸收收，并并使使其其溫溫度度升升高高(散散熱熱為為零零)，則熱平衡關(guān)系變?yōu)閯t熱平衡關(guān)系變?yōu)榉e分后 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 求求證：在在絕緣條條件件下下，當(dāng)當(dāng)=w時(shí)，通通電時(shí)間 t=T（T是是電器器

42、的的熱時(shí)間常數(shù)）？常數(shù)）？證明：絕熱(無熱量散失)條件下計(jì)算式：積分后，上式表明，電器在絕熱情況下溫升隨時(shí)間的增長(zhǎng)為一直線，由牛頓公式，得 代入上式，得：去掉公約數(shù)w ，有 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算圖1-10 1-10 電器器發(fā)熱和和冷冷卻卻過程程曲曲線（三三條條發(fā)熱1.2.41.2.4、一條冷卻一條冷卻3 3）。）。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 推推論1：作作圖法法求求熱時(shí)間常常數(shù)數(shù)的的方方法法：從從t=0，=0的的發(fā)熱曲曲線起起始始點(diǎn)點(diǎn)作作一一條條切切線與與w直直線相相交交，則交交點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的的時(shí)間即即為熱時(shí)間常數(shù)常數(shù)T。推推論2：由由切切線與與w的的交交點(diǎn)點(diǎn)作作一一垂垂線與與曲

43、曲線2相相交交，該交點(diǎn)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫升的溫升0.632w；1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 推推論3：熱時(shí)間常常數(shù)數(shù)T的的物物理理意意義：是是電器器在在絕熱條條件件下下溫溫升升達(dá)到達(dá)到w所需的所需的時(shí)間，它代表，它代表電器的器的熱慣性。性。電器器的的比比熱容容C和和質(zhì)量量m越越大大，散散熱系系數(shù)數(shù)KT和和散散熱面面積A越越小小時(shí)，T值越大。越大。電器器這種種溫溫升升不不能能隨隨時(shí)間瞬瞬時(shí)變化化的的現(xiàn)象象稱稱為電器器的的熱慣性性，而而代代表表熱慣性性大大小小的的主主要要參參量量就就是是熱時(shí)間常常數(shù)數(shù)，它它是是研研究究電器器動(dòng)態(tài)熱過程的重要物理量。程的重要物理量。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算分析

44、分析電器的冷卻器的冷卻過程：程：（1）Pdt=0時(shí)：，解得：，解得：。與與 成成鏡像像關(guān)關(guān)系系（兩兩者者以以 水水平平線為鏡面面對(duì)稱稱）。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 根根據(jù)據(jù)以以上上電電器器發(fā)發(fā)熱熱和和冷冷卻卻過過程程的的理理論論分分析析，當(dāng)當(dāng)通通電電或或斷斷電電時(shí)時(shí)間間超超過過4 4倍倍熱熱時(shí)時(shí)間間常常數(shù)數(shù)以以后后，電電器器的的熱熱過過程程已已基基本本達(dá)達(dá)到到穩(wěn)穩(wěn)定定，溫溫升升趨趨于于常常數(shù)數(shù)。因因此此，在在電電器器發(fā)發(fā)熱熱計(jì)計(jì)算算時(shí)時(shí)，只只要要是是通通電電(或或斷斷電電)時(shí)時(shí)間間超超過過4T4T，即即可可按按長(zhǎng)長(zhǎng)期期工工作制考慮，一而不必要求工作時(shí)間

45、大于作制考慮，一而不必要求工作時(shí)間大于8h8h。（P35 P35 思考題思考題3 3 發(fā)熱時(shí)間常數(shù)與冷卻時(shí)間常數(shù)相等？）發(fā)熱時(shí)間常數(shù)與冷卻時(shí)間常數(shù)相等？）長(zhǎng)期期工工作作制制下下，電器器發(fā)熱達(dá)達(dá)到到穩(wěn)定定（吸吸熱量量為零零）后后，計(jì)算算公公式式與與計(jì)算算電器器表表面面穩(wěn)定定溫溫升升的的牛牛頓公公式式形形式式相相同同，即即 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 二、短時(shí)工作制：1 1、一次通電時(shí)間短于、一次通電時(shí)間短于4T(4T(熱時(shí)間常數(shù)熱時(shí)間常數(shù))；2 2、因因電電器器溫溫升升達(dá)達(dá)不不到到穩(wěn)穩(wěn)定定溫溫升升w w，為為充充分分利利用用電電器器耐耐熱熱性性能能，可可將將電電流流值值增增大大，前前提提是

46、是電電器器（工工作作、實(shí)實(shí)際際）溫溫升升值值與與長(zhǎng)長(zhǎng)期期工工作作制制下的穩(wěn)定溫升相等。下的穩(wěn)定溫升相等。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 3、圖1-11 短短時(shí)工工作作熱計(jì)算算曲曲線圖，t是是通通電總時(shí)間。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算4、公式：、公式：式中式中:d：對(duì)應(yīng)短短時(shí)工作制通工作制通電時(shí)間t末末時(shí)的短的短時(shí)溫升（溫升（t4T）；）；wd：對(duì)應(yīng)短短時(shí)工作功率工作功率Pd下下 的的電器器穩(wěn)定溫升；定溫升；wc：對(duì)應(yīng)長(zhǎng)期工作制下期工作制下Pc下的下的穩(wěn)定溫升。定溫升。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算5、功率功率過載系數(shù)：系數(shù)：電流流過載系數(shù)：系數(shù)：（tT）1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算

47、 三、反復(fù)短時(shí)工作制：1 1、電電器器通通電電和和斷斷電電交交替替進(jìn)進(jìn)行行，通通電電和斷電的時(shí)間短于和斷電的時(shí)間短于4T4T；2 2、圖圖1-12 1-12 反反復(fù)復(fù)短短時(shí)時(shí)工工作作下下的的溫溫升升曲線。曲線。圖圖中中，t t1 1：通通電電時(shí)時(shí)間間；t t2 2：斷斷電電時(shí)間，時(shí)間，t t1 1+t+t2 2t t，稱為工作周期。，稱為工作周期。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 反復(fù)短時(shí)工作制升溫過程反復(fù)短時(shí)工作制升溫過程2 2 1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 3、第、第k個(gè)周期，個(gè)周期，（1）t1時(shí)間內(nèi)內(nèi)電器器發(fā)熱溫升溫升為：式中，式中，wf：反復(fù)短：反復(fù)短時(shí)工作制通工作制通電時(shí)間下的下

48、的穩(wěn)定溫升；定溫升；（2）t2時(shí)間（冷卻）（冷卻），、的的計(jì)算公式推算公式推導(dǎo)參參見賀湘琰老湘琰老師的的電器學(xué)器學(xué)。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 4、功率功率過載系數(shù)系數(shù)PP和和電流流過載系數(shù)系數(shù)Pi：1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算5、通、通電持持續(xù)率率TD%:在在電器器標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)中中常常用用通通電持持續(xù)率率TD%反反映映反反復(fù)復(fù)工工作作制制的的繁繁重重程度。程度。值越大，工作越大，工作時(shí)間越越長(zhǎng)，任，任務(wù)越繁重。越繁重。計(jì)算公式算公式為 式中式中 t1：通：通電時(shí)間；t：工作周期，：工作周期，tt1+t2。1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算6、功率、功率過載系數(shù)系數(shù)PP、電流流過載系數(shù)系數(shù)P

49、i和通和通電持持續(xù)率率TD%的關(guān)系：的關(guān)系：1-5 不同工作制下電器的熱計(jì)算 電器中典型的發(fā)熱部件有電器中典型的發(fā)熱部件有導(dǎo)體導(dǎo)體(包括均勻截面和包括均勻截面和變截面裸導(dǎo)體，外包絕緣層的導(dǎo)體），變截面裸導(dǎo)體，外包絕緣層的導(dǎo)體），觸頭和線圈觸頭和線圈(包括空心線圈或帶有鐵心的線圈包括空心線圈或帶有鐵心的線圈)等。等。本節(jié)只分析導(dǎo)體和線圈的穩(wěn)定溫升分布。本節(jié)只分析導(dǎo)體和線圈的穩(wěn)定溫升分布。1-6 1-6 電器典型部件的器典型部件的穩(wěn)定溫升分布定溫升分布 一、外包絕緣層的圓截面導(dǎo)體一、外包絕緣層的圓截面導(dǎo)體 1-6 1-6 電器典型部件的器典型部件的穩(wěn)定溫升分布定溫升分布1 1、溫升分布、溫升分布

50、導(dǎo)導(dǎo)體體徑徑向向和和軸軸向溫度基本相等；向溫度基本相等；絕絕緣緣層層由由于于熱熱導(dǎo)導(dǎo)率率很很小小，因因此此造造成成了了很很大大的的溫溫度度降降落落，使使得得導(dǎo)導(dǎo)體體絕絕緣緣層層外外的的溫溫度度低低于絕緣層內(nèi)溫度很多。于絕緣層內(nèi)溫度很多。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，可以導(dǎo)出熱阻”的概念，利用熱阻概念分析外包絕緣導(dǎo)體這類熱計(jì)算問題有很大的方便，這就是“場(chǎng)”問題“路”化的思想。設(shè)有熱量P通過厚為l截面積為A的平板向外傳導(dǎo)，板的熱導(dǎo)率為，板兩端的溫差為=1-2，由傅里葉定律式中RT熱阻，用式用式(1-45)(1-45)進(jìn)行外包絕緣導(dǎo)體的溫升計(jì)算，對(duì)于已知的熱進(jìn)行外包絕緣導(dǎo)體的溫升計(jì)算，對(duì)于已知的熱量量P P

51、，只要求出熱阻，只要求出熱阻R RT T便可算出絕緣層中的溫差。便可算出絕緣層中的溫差。因絕緣層外導(dǎo)體的溫升可用牛頓公式計(jì)算，如果求出因絕緣層外導(dǎo)體的溫升可用牛頓公式計(jì)算，如果求出，則絕緣層內(nèi)導(dǎo)體的溫升即可決定。，則絕緣層內(nèi)導(dǎo)體的溫升即可決定。單位長(zhǎng)度導(dǎo)體絕緣層的熱阻為所以根據(jù)傅里葉定律，可得：例題：例題：矩形截面矩形截面100 x10mm100 x10mm2 2銅母排每厘米長(zhǎng)的損耗為銅母排每厘米長(zhǎng)的損耗為2.5W/cm,2.5W/cm,母線外包絕緣厚度為母線外包絕緣厚度為1mm1mm，其熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率=1.14W/(m.)，求每厘米的絕緣層的溫度降。解：每厘米長(zhǎng)的總散熱面積為：絕緣層的熱阻

52、為：（/W）每厘米長(zhǎng)的絕緣層的溫度降為：（/cm）二、空心線圈溫升分布二、空心線圈溫升分布空心線圈內(nèi)部溫升分布必空心線圈內(nèi)部溫升分布必然是：然是：線圈內(nèi)、外表面的線圈內(nèi)、外表面的溫升較低，內(nèi)部某一處的溫升較低，內(nèi)部某一處的溫升最高。溫升最高。一、電器的熱穩(wěn)定性：1、“電器的熱穩(wěn)定性”定義：電力網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)電器承受短路電流的熱作用而不損壞的能力。2、特點(diǎn)：時(shí)間短、允許溫度高。3、校核手段：短路電流下導(dǎo)體的熱計(jì)算。4、電器熱穩(wěn)定性的大小表示方式：用“熱穩(wěn)定電流的平方乘短路持續(xù)時(shí)間”(簡(jiǎn)稱“允通能量”)表示，即 。1-7 短路短路電流下的流下的熱計(jì)算和算和電器的器的熱穩(wěn)定性定性電阻（器

53、）的瓦數(shù)電阻（器）的瓦數(shù)，就是他最大散熱功率。他的材質(zhì)固定后，就是他最大散熱功率。他的材質(zhì)固定后，最高工作溫度就固定了。最高工作溫度就固定了。在常溫下他的表面積決定了它的散熱在常溫下他的表面積決定了它的散熱功率功率。因此相同材質(zhì)的電阻只有屈指可數(shù)的幾種，只要根據(jù)他。因此相同材質(zhì)的電阻只有屈指可數(shù)的幾種，只要根據(jù)他的體積大小就可以知道。的體積大小就可以知道。正品的電阻上都標(biāo)有額定功率，用它的體積作參考，其余同材正品的電阻上都標(biāo)有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質(zhì)同體積的功率都一樣。由于功率只有質(zhì)同體積的功率都一樣。由于功率只有1/8w1/8w、1/4w1/4w、1/21/2、1 1、2.2.

54、數(shù)目不多的幾種規(guī)格，他們的體積區(qū)別有很大，所以上數(shù)目不多的幾種規(guī)格，他們的體積區(qū)別有很大，所以上述方法不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。述方法不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。不要試圖測(cè)量電阻的功率！不要試圖測(cè)量電阻的功率！二、熱穩(wěn)定電流：1.“熱穩(wěn)定電流”定義：在規(guī)定的使用和性能條件下，開關(guān)電器在指定短時(shí)間內(nèi)、于閉合位置上所能承受的電流。2.表示方式：熱穩(wěn)定電流一般有：1s、5s和10s熱穩(wěn)定電流，記為I1、I5和I10。根據(jù)熱效應(yīng)相等的原則，可將不同時(shí)間的熱穩(wěn)定電流加以換算。三種電流之間存在如下關(guān)系：三、實(shí)際情況：因比熱容和短路過渡電流分別隨溫度和時(shí)間變化，故選用電器并作導(dǎo)體熱穩(wěn)定校驗(yàn)時(shí)，可用熱效應(yīng)不變?cè)瓌t將短路變化電流下的熱效

55、應(yīng)換算成穩(wěn)定電流下的熱效應(yīng)：式中，短路電流等效時(shí)間 ，：周期分量；：非周期分量。小小 結(jié)結(jié) 電器在工作時(shí)由于有電流通過導(dǎo)體而產(chǎn)生電阻損耗;對(duì)于交流電器由于考慮導(dǎo)體的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在導(dǎo)磁體中除電阻損耗外還有磁滯和渦流損耗;對(duì)于高壓交流電器還要考慮介質(zhì)損耗。所有這些損耗幾乎全變?yōu)闊?，一部分散失到周圍介質(zhì)中去，一部分加熱電器，使它的溫度升高。電器的零部件溫升過高，會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度降低和絕緣損壞，因此標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)不同工作制下電器各零部件的極限允許溫升有明確規(guī)定。電器的散熱有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式，可以用一個(gè)綜合的散熱系數(shù)來考慮，這就是牛頓公式。計(jì)算電器溫升的基本方程是熱平衡方程，其中包含發(fā)熱、散熱和

56、吸熱三項(xiàng)。在穩(wěn)定狀態(tài)下吸熱項(xiàng)為零，短時(shí)發(fā)熱時(shí)可不考慮散熱項(xiàng)。電器的工作制有長(zhǎng)期工作制、間斷長(zhǎng)期工作制、反復(fù)短時(shí)工作制和短時(shí)工作制四種。電器加熱和冷卻對(duì)應(yīng)的溫度上升和下降的過程是指數(shù)曲線。表征溫度上升和下降快慢的是熱時(shí)間常數(shù)，熱時(shí)間常數(shù)與發(fā)熱體的質(zhì)量和比熱成正比，與散熱系數(shù)和散熱面積成反比。當(dāng)電器的通電時(shí)間超過4倍熱時(shí)間常數(shù)以后，溫升已基本穩(wěn)定，即可按長(zhǎng)期工作制處理，此時(shí)可用牛頓公式和傅里葉定律計(jì)算溫升。若電器短時(shí)通電或反復(fù)短時(shí)通電和斷電的時(shí)間小于4倍熱時(shí)間常數(shù)，即可視為短時(shí)工作制或反復(fù)短時(shí)工作制，在這兩種工作制下電器有一定的過載能力。電器在經(jīng)受短路電流通過時(shí)應(yīng)有一定的熱穩(wěn)定性。在此情況下，電器的極限允許溫升一可以高一些。1、電器的發(fā)熱原因及散熱方式？2、思考題與習(xí)題：2-6、2-93、電器超過極限允許溫升會(huì)產(chǎn)生哪些危害？4、開關(guān)柜中垂直安放的鋁母線尺寸為開關(guān)柜中垂直安放的鋁母線尺寸為80*6mm80*6mm2 2,表面表面涂漆在涂漆在8585時(shí)的散熱系數(shù)時(shí)的散熱系數(shù)K KT T 為為12.5W/(m12.5W/(m2 2.)，電，電阻率阻率 ，求該鋁母線最大長(zhǎng)期，求該鋁母線最大長(zhǎng)期允許直流電流。允許直流電流。作作 業(yè) 第一章 電器導(dǎo)體的發(fā)熱計(jì)算本章本章 結(jié)束結(jié)束