继电保护及自动化设备热设计探讨

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1、继电保护及自动化设备热设计探讨.报告内容摘  要通过对继电保护及自动化设备过热使用危害的分析，阐述了热设计控制的具体措施和注意事项，同时提出应用先进的热分析软件对热设计进行验证与优化。关键词继电保护及自动化设备；热设计；控制措施内容纲要0引言1继保设备的热设计控制2计算机辅助热设计3热测试保护设计4结语0引言热设计定义继电保护及自动化设备的热设计，是指采取积极有效的措施对元器件、组件以及整机的温升加以控制，使其不超过可靠性规定的限值，从而确保设备安全可靠地运行。过热使用的危害在继保设备中，功率逸散通常以热能耗损的形式表现出来，而任何阻性载流元件都是一个内部热源。现代继保设备正日益成为由

2、高密度组装、微组装所形成的高度集成系统，其热流密度日益提高，设备工作时，如若热控制不当将会导致元器件散热不良：1.电阻允许耗散功率下降，热噪声增大；2.电容器的电容量、功率因数变化，寿命降低；3.半导体器件参数漂移，性能变坏，甚至热击穿；4.大级别的温度梯度还会使器件和PCB产生热应力变形并最终导致疲劳失效。图.1元器件工作温度与故障率的关系曲线1继保设备的热设计控制1.1热扩散的基本方式1）传导散热热能通过分子运动由高温部分向低温部分传递。措施有：a）选用导热系数大的材料制造传导零件；b）加大与发热体的接触面积；c）缩短传导路径。2）对流散热流体表面间的热流动，分为自然对流和强迫对流

3、。措施有：a）加大温差；b）加大流体与发热体的接触面积；c）加大周围介质的流动速度。3）辐射散热热由物体沿直线向外散射出去。措施有：a）加大发热体与周围环境的温差；b）加大发热体表面面积；c）在发热体表面涂覆散热涂层。1.2热设计的控制措施为控制或减少设备内部的温升，可采取以下措施：1）热源处理；2）热阻处理；3）冷却处理。热设计的控制措施1.2.1.1元器件降额使用和优选；1.2.1.2特型元器件温度补偿与控制；1.2.1.3合理设计印制电路板；1.2.1.4印制板与机箱的连接方法。1.2.1热源处理元器件的功耗是设备内部热量的来源之一，对其采用的热设计方法主要有：1.2.1.1元器

4、件降额使用和优选元器件的降额使用即是使其在低于额定参数（功率、电压、电流）的条件下工作。另外优选用高磁导率的坡莫合金、非晶合金制造的变压器，超低电压下工作的CPU以及发热量小的LED或LCD等，都将直接减少热量的产生。1.2.1.2特型元器件温度补偿与控制1）选用温度不敏感的元器件；2）选用特定温度系数的元器件；3）选用温度敏感的元器件。1.2.1.3合理设计印制电路板1）对PCB基材进行适当的选择，对覆铜层压板的热性能应有特殊的要求：要耐高温、导热好，工作温度在-23℃~260℃间。尽量选取具有相对优良热性能的金属芯PCB，以减少其图形导线的温升。2）印制电路板上电源线、地线、信号线

5、的布置要合理。地线可适当加宽，环绕在外框上，以利于发热元件的直接散热。3）采用多层板，使电源线或地线在电路板的最上层或最下层，并方便在板面上加设散热装置，以加速散热。1.2.1.4印制板与机箱的连接方法必要时利用PCB上的接地线与金属导轨相接触，增加热容和热传导途径。1.2.2热阻处理热阻用来说明发热元件结面温度到外部环境的热转换能力，用℃/W来表示。热阻的大小决定着散热装置的额定值，所以必须在发热元器件与温度较低的终端散热器之间采取有效措施以形成一个低热阻（高热导）通道。1.2.2.1合理布局元器件；1.2.2.2合理选用散热器；1.2.2.3合理安装散热器。1.2.2.1元器件的布

6、局1）元器件安装在最佳自然散热位置。条件允许时，机箱内部电路安装应服从空气流动方向：即进风口→放大电路→逻辑电路→敏感电路→集成电路→小功率电阻电路→有发热元件电路→出风口；2）高发热元件尽量单独布置在一个印制板上，控制相互间距，并进行密封、隔离、接地和散热处理；3）元器件在印制板上要竖立排放；4）元器件散热通道要短、横截面要大而且通道中不应有绝热或隔热物。1.2.2.2散热器的选用选用散热器的主要依据是电力半导体器件的内热阻（Rjc与Rcs之和）和耗热功率，其次是器件的最高工作结温和冷却介质温度。还要根据环境要求、安装位置、尺寸、流阻、性价比等条件进行综合考虑。目前常用的散热器形式有

7、：平板形、平行筋片形、叉指形、星形等。其材质有紫铜和工业铝材两种。铜散热器表面需进行电镀、涂漆或钝化，铝散热器表面可涂漆或进行阳极氧化。自冷散热器表面最好是黑色，借以提高辐射系数，黑色散热器比光亮散热器可减少10%～15%的热阻。目前平行筋片散热器和叉指形散热器已经标准化，并广泛使用。1.2.2.3散热器的安装1）散热器与元器件接触的表面应平整、光洁、无损伤，安装时在其间涂敷导热材料（如硅脂、铝、铜等）并合理施压使其紧密接触以有效传热；2）自冷