电气发热及计算.ppt

电气发热与计算,主讲人：陈磊,主要内容,发热对载流导体的影响；导体的长时发热与散热；导体短时发热与散热；,第一节发热对载流导体的影响,载流导体运行中的工作状态载流导体工作中的损耗电阻损耗磁滞、涡流损耗介质损耗,发热对导体和电气的不良影响机械强度下降绝缘性能降低导体接触部分性能变坏,电阻损耗,输电线或电磁线圈的导体本身及连接处都有电阻存在，当电流流过时，就会电阻损耗，将电能转变为热能。P=KfjI2R,交流电阻：电阻系数与温度的关系：时的电阻系数；当,Kfj附加损耗系数，考虑交变电流集肤效应和邻近效应的影响；集肤效应邻近效应,集肤效应,当交变电流流过导线时，导线周围变化的磁场也要在导线中产生感应电流，从而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其当频率较高时，此电流几乎是在导线表面附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤效应现象。,邻近效应,相邻导线流过高频电流时,由于电磁作用使电流偏向导线一侧分布的特性,称为邻近效应。若两根导线流过的电流方向相反，则相邻近的一侧电流密度比较大；若两根导线流过的电流方向相同，则相邻的一侧电流密度较小，相反的一侧电流密度较大。,磁滞损耗,基本磁滞回线Br剩余磁感应强度；HC矫顽力这种B的变化滞后于H变化的现象称为磁滞现象。,铁磁质物质内的磁感强度,外磁场强度,涡流损耗,减小涡流的方法,铁损,交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡流损耗的和称为铁磁损耗，简称为铁损。,介质损耗,电介质电气绝缘材料；介质损耗交流电场中的电介质特性；电导损耗+极化损耗；电导损耗由泄漏电流形成；极化损耗电介质中的带电粒子由于不断、反复的极化消耗的电能所转化成的热能。,金属材料机械强度与温度的关系,绝缘性能降低,绝缘材料的耐热温度；绝缘材料的寿命周期；绝缘材料的允许温度；,绝缘的耐热温度,绝缘材料的耐热温度：该类材料所能承受而不致引起其机械特性、电气特性和热性能降低的最高工作温度，也称极限温度。按我国标准将绝缘材料按耐热温度分为七级，在该温度下能工作20000h而不致损坏。,各级绝缘材料的耐热温度,最高允许温度,最高允许温度：是用一定方法测定的电器元件的最热温度，在此温度下，整个电器能保持连续工作；允许温度小于耐热温度；分为正常最高允许温度和短路最高允许温度，后者较高；电气设备的允许温度要考虑到它的最薄弱环节；短路最高允许温度通常用来校验设备的热稳定性。,导体接触部分性能变坏,发热使导体接触面氧化，生成氧化层薄膜，接触电阻增大，增大的速度随温度的升高而成倍增长；使弹簧的弹力元件退火，压力降低，接触电阻增加；可能导致局部过热火灾。,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。,产生接触电阻的原因：1、切面（接触面）表面的凹凸不平，金属实际接触面积减小，使电流线在接触面附近发生严重收缩现象；2、接触面在空气中可能迅速形成一层薄膜附着于表面，使电阻增大。,接触电阻的组成,接触电阻RJ由两部分组成：（1）收缩电阻RS；（2）表面膜电阻Rb；RJ=RS+Rb,收缩电阻,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、触头密封结构六、腐蚀七、温度,第二节导体的长时发热与散热,一、导体发热单位长度导体，通过导体的电流为I时，由电阻损耗产生的热量为：式中的为交流电阻，可按下式计算：,二、导体散热,热传导热对流热辐射,三、导体的正常温升过程,导体温度未达稳定时，热平衡方程：导体综合散热系数，非常数；导体的有效散热面积；导体对周围环境的温升，；,上式可变为：解该常系数非齐次一阶微分方程，可得：其中：发热时间常数,用牛顿公式求导体发热稳定温升牛顿公式：散热功率；在热稳定状态下，线圈的发热应等与其散热，即:故可求得导体的稳定温升：,均质导体温升曲线,四、导体长期允许电流,1、导体长期允许电流：导体长期允许电流；导体长期发热允许温度，；,2、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。,3、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,3、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,3、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漆,3、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,采用耐热绝缘材料,3、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,采用耐热绝缘材料,3、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,采用耐热绝缘材料,我国导线电缆的额定电流，是按一定的环境温度确定的（空气中为25，地下15)，当安装地点的实际温度与该环境温度不一致时，必须对Iy给于修正,即：,t：规定环境温度（一般为25)0：实际环境温度,4、温度的修正：,已知绝缘铝导线横截面S=25mm2，环境温度0=25，其允许温度Y=65，总放热系数Kzh=18w/m2,电阻率=0.028*10-6(m2/m),求Iy=?,已知:Kzh、y、0，S,解：R=L/SF=2rLr=（S/）1/2F=2（S/）1/2L所以将各参数代入上式得：Iy=106.7A,如环境温度0=35，需修正：,(t=25),得修正值：Iy=92.4A,例题：,作业：已知绝缘铝导线横截面S=25mm2，环境温度0=25，其允许温度Y=65，总放热系数Kzh=18w/m2,电阻率=0.036(mm2/m),求Iy=?,五、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（三）短路及其危害,（一）短路发热时的特点,1、短路发热是一个绝热过程。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。,短路时的热平衡方程式,Id短路电流有效值（A)R-R=0（1+）C-C=C0（1+）m=sl,（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ddy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ddy。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与导体有关的热稳定系数铜为175，铝92Tj短路电流的假想时间（s）,（三）短路及其危害,概念类型原因危害,概念,短路故障：电力网三相导线中相与相或相与地之间的直接金属性连接或经小阻抗连接在一起。,类型,三相短路,两相短路,单相短路接地,原因,绝缘因陈旧老化而损坏绝缘受机械损伤而损坏雷击过电压等自然灾害造成绝缘击穿工作人员误操作直接造成短路,主要是由于电气装置载流部分的绝缘遭到破坏,可能的因素有：,危害,短路电流的热效应,短路电流的电动力效应,短路电流引起用户电压突然下降,短路电流的磁效应(不对称短路故障),破坏电力系统的稳定运行,热传导,凡依靠物体之间直接接触而传导热量