电器的发热和电动力上课讲义.ppt

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1、电器的发热和电动力图1-1所示为导体材料机械强度σ与温度θ的关系，其中曲线1为冷拉铜线迅速加热10秒时的曲线，曲线2是冷拉铜线缓慢加热两小时的变化规律。由两曲线可知，缓慢加热时铜的软化点在100-200°C，而迅速加热时可达300°C。这说明迅速加热、发热时间很短时电器零部件的发热温度极限比缓慢加热、发热持续时间很长时要高得多。因此．通常规定短路故障时电器零部件的发热温度极限比正常负载时要高得多。温度升高会加剧电接触联接表面和周围大气中某些气体间的化学反应，生成氧化膜和其他膜层，会引起接触电阻增加，

2、并进一步使接触面温度再升高，形成恶性循环。因此，对电接触的温度也必须加以限制。绝缘材料温度过高、发热持续时间过长会迅速老化，缩短使用寿命，甚至使介质损耗增加，发热更厉害．导致其介电强度下降，严重时引起去穿而损坏。故绝缘材料的极限允许温度同样要受到限制。尽管决定电器各类零部件工作性能的是它们的温度，但考核电器的质量时却是以温升作为指标。温升τ是指零部件温度θ与周围介质温度θ0之差。校核电器载流体部件的热稳定性——电器能够短时承受短路电流的热效应而不致损坏的能力，就是以不超过温度极限。电器零部件工作时的

3、温度应不超过其规定的温度极限，否则会降低工作可靠性，缩短使用寿命，甚至会烧损而导致严重故障。但各零部件的工作温度也不应过低，因为温度过低说明没有充分利用，导致电器体积大、耗材多、成本高。1.2电器的基本热源电器的基本热源:电阻损耗，磁滞和涡流损耗，介质损耗。机械磨擦等产生的热源，与基本热源相比是较小的，常常不予考虑。1.2.1导体通过电流时的能量损耗根据楞茨—焦耳定律，当导体通过电流I时，能量损耗为此公式既适用于直流，也适用于交流（将I理解为交流的有效值）。对电流和电阻均不变时，则：通常导体电阻随温

4、度升高而增加，即：式中R0——在0℃时的导体电阻(Ω)α、β——电阻温度系数当导线通以交变电流时，其中的能量损耗将增大，这是电流在导线内分布不均匀所致。因为交流电流通过导体建立交流磁通，导体中心部分匝链的磁通较其表而部分多，交变滋通感应电势和电流用以阻止原电流流通，因而使导体中心部分电流密度减小，导体表面部分电流密度增大，产生所谓集肤效应。它使导体的有效截面减少，使等效电阻值增大。集肤效应的强弱可用集肤效应系数来衡量。集肤效应系数可按下式计算：式中S、P——导线的截面积及其周长；f——交变电流的频率

5、；ρ、μ——导线材料的电阻率和磁导率。导体集肤效应越强，有效截面积越小，等效电阻越大，集肤效应系数也越大。集肤效应系数恒大于1。当两导体平行且靠得较近时，导体中的交流电流建立的交流磁通彼此耦合，使导体截面中的电流分布不均，这种现象称为邻近效应。(a)两导体电流方向相反(b)两导体电流方向相同交流附加损耗系数是集肤效应系数与邻近效应系数的乘积，即：集肤效应和邻近效应使电流分布不均，导体有效截面积减小，有效电阻增大。因此，附加损耗系数Kf总是大于1。1.2.2磁滞、涡流损耗非载流铁磁质零部件在交变电磁场

6、作用下产生的损耗称为铁损PFe，它包含磁滞损耗Pn，和涡流损耗Pe,两部分，即式中f——电源频率；Bm——铁磁件中磁感应的幅值；ρ——铁磁材料的密度；V——铁磁质零部件的体积，Kn、Ke——磁质损耗系数和涡流损耗系数，其值与铁磁材料的品种规格有关，准确计算铁损是非常复杂的，通常进行近似估算。1.2.3电介质损耗电介质在交变电场作用下的损耗功率Pd为：式中C——电介质的电容U——施加在电介质上的电压δ——电介质的介质损耗角介质损耗角与绝缘材料的品种规格、温度、环境状况以及处理工艺等有关。值一般在10-

7、3～10-4之间。在低压电器中．电压U很低，电介质中的电场强度不大，电介质损耗很小，通常不考虑。在高压电器中，电压U很高，电介质中的电场强度很大，必须考虑电介质损耗及其产生的热量，以免引起过热而使绝缘老化加速，甚至引起热击穿而损坏。1.3电器的散热及综合散热系数电器中损耗的能量转换为热能后，有一部分散失到周围的介质中。电器的散热方式有热传导、对流和辐射。热计算的目的是充分利用材料而又不使电器及其零部件过热。既要减少损耗和发热，又要增强散热。1.3.1热传导热传导是发热体的热量由较热部分向较冷部分传播

8、；或由发热体向与它接触的物体传播。热传导是固体传热的主要方式，也可在气体和液体中进行，热量是借助于原子和分子的扩散以及弹性波的作用，在物体的质点间传播。温差的存在是热交换的充要条件。两等温线的温差与等温线间距之比的极限称为温度梯度，即根据傅立叶定律，dt时间沿等温面S的法向n经热传导传播的热量dQ与该面积S及温度梯度成正比，即：λ——传热系数或热导率由于热量是向温度降低的方向扩散，而温度梯度则是指向温度升高的方向，故上式有一负号。单位时间通过等温面S的热量称为热流，用