第3章电气发热与计算

1第3章电气发热与计算2内容提要：主要从理论上讲述发热对载流导体产生的不良影响，以及防止电气发热的方法与措施。载流导体长时和短时的发热与散热工程。本章重点：重点掌握电气发热的原因与危害，掌握防止电气发热的方法与措施。熟悉电气发热的各种计算和提高导体长期允许通过载流量计算方法与措施。3焦作市天堂录像厅特大火灾2000年3月29日凌晨3时许，位于焦作市中心闹市区的天堂录像厅发生特大火灾，造成当时在此观看录像的74名观众在大火中丧生。火灾原因，系当日天堂录像厅15号包间内使用石英电热器长时间发热、辐射，引燃周围易烧物所致。4哈尔滨市道外区天潭酒店火灾2003年2月2日18时左右，哈尔滨市道外区天潭酒店发生火灾。死亡33人，受伤10人。事故原因：电器设备过载发热引起导线短路52006年14日4时许，浙江省湖州市吴兴区织里镇个体商厦——“福音大厦”发生火灾。火灾造成15人死亡，1人失踪。浙江省湖州市吴兴区“福音大厦”火灾6（1）正常工作状态当电压和电流都不超过额定值时，导体能够长期、安全、经济地运行。（2）短路工作状态当系统因绝缘故障发生短路时，流经导体的短路电流比额定值要高出几倍甚至几十倍。保护装置动作、将故障切除的短期内，导体将承受短时发热和电动力的作用。3.1.1载流导体运行中的工作状态3.1电气发热的危害73.1电气发热的危害3.1.2发热对载流导体的不良影响1、绝缘材料的绝缘性能降低2、导体的机械强度下降3、导体接触部分性能降低83.1电气发热的危害3.1.2发热对载流导体的不良影响1、绝缘材料的绝缘性能降低电工产品绝缘材料的使用寿命受到多种因素(如温度、电和机械的应力、振动、有害气体、化学物质、潮湿、灰尘和辐照等)的影响。而温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素。9（1）绝缘材料的耐热温度耐热温度：绝缘材料的绝缘性能开始显著降低以前的温度。导体的绝缘材料在温度的长期作用下会逐渐老化，并逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能。绝缘材料在其耐热温度下能工作20000h而不致损坏。危害：绝缘材料的老化，使绝缘材料变脆弱，绝缘性能显著下降，就可能造成绝缘材料的击穿。按国内标准，电气绝缘材料的耐热温度分为七级。10等级耐热温度/℃相应的材料Y90未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等材料或组合物质所组成的绝缘结构A105浸渍过的Y等级绝缘结构材料E120合成的有机薄膜、合成的有机磁漆等材料或其组合物组成的绝缘结构B130以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等F155以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料，合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘结构H180硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等用硅有机树脂黏合材料，以及一切经过试验能用在此温度范围内的各种材料。C180以合适的树脂（如热稳定性特别优良的硅有机树脂）黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维等，以及未经浸渍处理的云母、陶瓷、石英等材料或其组合物所组成的绝缘结构。各级绝缘材料的耐热温度11等级耐热温度/℃相应的材料Y90未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等材料或组合物质所组成的绝缘结构A105浸渍过的Y等级绝缘结构材料E120合成的有机薄膜、合成的有机磁漆等材料或其组合物组成的绝缘结构B130以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等各级绝缘材料的耐热温度12等级耐热温度/℃相应的材料F155以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他无机材料，合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘结构H180硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等用硅有机树脂黏合材料，以及一切经过试验能用在此温度范围内的各种材料各级绝缘材料的耐热温度13等级耐热温度/℃相应的材料C180以合适的树脂（如热稳定性特别优良的硅有机树脂）黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维等，以及未经浸渍处理的云母、陶瓷、石英等材料或其组合物所组成的绝缘结构各级绝缘材料的耐热温度1415（2）绝缘材料的使用寿命与温度的关系当导体的温度超过它的耐热温度值后，绝缘材料的老化加剧。随着温度的增加，绝缘材料的使用寿命明显缩短。在防火检查实践中可以根据绝缘材料的老化特征，对其使用寿命做出判断。103.6104105℃16用“八度规则”经验规律来大致估算绝缘材料的使用寿命：温度每上升8℃，其寿命降低一半。1717（3）绝缘材料的允许温度为了防止过高的发热对电器及载流导体带来的危害，人们对电器及载流导体在设计和运行时，制定了一个允许温度。在此温度下，保证电器及载流导体能够保持连续、正常地工作。允许温度：是用一定方法测定的电器元件允许达到的最高温度。设备和导体上的任一部分都不能超过允许温度。18绝缘材料的允许温度的规定：1)允许温度规定必须小于材料损坏的极限允许温度(耐热温度)。2)电气设备是由各种导体组合而成，允许温度要考虑到它的最薄弱环节。3)设备绝缘材料的老化和金属机械强度的变坏，除了温度的高低外，还取决于发热持续时间的长短，因此短时发热允许温度比长时发热允许温度规定的要高。短时发热：导体发热持续的时间极其短暂（短路电流引起的发热）。长时发热：导体长时间连续发热。192、机械强度下降当导体的温度超过一定允许值后，过高的温度会导致导体材料退火，使其机械强度显著下降。铝和铜导体在温度分别超过100℃和150℃后，其抗拉强度急剧下降。当短路时，在电动力的作用下，就可能使导体变形，甚至使导体结构损坏。AlCu201-连续发热2-短时发热21当接触连接处温度过高时，接触连接表面会强烈氧化、硫化，并产生一层电阻率很高的氧(硫)化层薄膜，从而使接触电阻增大，接触连接处的温度更加升高。当温度超过一定允许值后，就会形成恶性循环，导致接触连接处烧红，松动甚至熔化。3、导体接触部分性能变坏223.1.3载流导体运行中的损耗1、电阻损耗输电线或电磁线的导体本身和机械连接处都有电阻存在。当直流电流通过时，即产生电阻损耗。电阻损耗的功率：RIP2R=电器中的热源主要来自三个方面：交流电器的导体中产生的电阻损耗；交流电器的铁磁物质内产生的涡流和磁滞损耗；交流电器绝缘体内产生的介质损耗。23（1）趋（集）肤效应：当导体中通过交流电流时，产生使电流趋于表面的现象。交流电流的频率越高，趋肤效应越强。2、附加损耗由导体内的趋肤效应和邻近效应所产生。当直流电流流过导体时，电流线在导体中的任一横截面处的分布都是均匀的，故金属导体能得到充分地利用。3.1.3载流导体运行中的损耗24（2）邻近效应：由于两个相邻的载流导体之间磁场的相互作用，而使导体截面中电流线分布改变。如果两导体中电流方向相同，则在两导体相邻近的一侧电流密度的较小，而相反的一侧，电流密度则较大。25如果两导体中电流方向相反，则在两导体相邻近的一侧电流密度的较大，而相反的一侧，电流密度则较小。邻近效应与导体之间的分布、导体间的距离有关。26（3）附加损耗趋肤效应和邻近效应都使得电流在导体的横截面上的分布不均匀，结果使导体的电阻增大，它的损耗功率也增大。2RfjPKIR趋肤效应和邻近效应产生的损耗总称附加损耗（焦耳损耗）。附加损耗功率为：Kfj：附加损耗系数。Kfj=KjKl。Kj：趋肤效应系数。Kl：邻近效应系数。2acIRacfjRKR交流电阻：（P75）273.1.3载流导体运行中的损耗3、铁磁损耗（铁损）载流导体周围的铁磁物质在交变磁场反复磁化作用下，将产生磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗和涡流损耗合称铁磁损耗。它把从电源吸收的电能转化为热能，使铁磁物质发热。28czmnPfB3、铁磁损耗（铁损）（1）磁滞损耗铁磁物质在交变磁场的反复磁化作用下，由于内部的不可逆过程而使铁磁物质发热所造成的损耗，称为磁滞损耗。磁滞损耗经验公式：磁滞损耗与频率f的一次方成正比，与最大磁感强度Bm的n次方成正比。3.1.3载流导体运行中的损耗29－HcHB磁滞回线Hc：矫顽力Br：剩磁Br磁感强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化，叫做磁滞现象。OHc－HmHmBm30（2）涡流损耗当铁磁物质放置在变化着的磁场中，或者在磁场中运动时，铁磁物质内部会产生感应电流。感应电流在铁磁物质内部呈涡旋状，称为涡流。由于铁磁材料也具有电阻，所以产生功率损耗。涡流损耗与电源频率f的二次方成正比，与磁感强度最大值Bm的二次方成正比。22wmPfB3.1.3载流导体运行中的损耗31II涡流324、介质损耗电气绝缘材料称电介质。电介质能建立电场，储存电场能量，也能消耗电场能量。短期较高的电场强度会引起电介质击穿破坏，长期较低的电场强度会导致电介质老化破坏。交变电场的电导损耗和电介质被周期性反复极化产生的损耗称为介质损耗。在电场的作用下，电介质会发生极化、电导、介质损耗和击穿四种基本物理过程。电介质的功率损耗：2JtanPCU3.1.3载流导体运行中的损耗333.2接触电阻当两个金属导体互相接触时，在接触区域内存在着一个附加电阻，称为接触电阻。3.2.1接触的类型(1)固定接触用紧固件(如螺钉或铆钉等)压紧的电接触称固定接触。这种接触工作时没有相对运动。3435(2)可分接触工作中可以接通或分断的电接触称可分接触。接触的双方是一对电触头，一个称静触头，另一个称动触头。触头的性能，对开关电器的分断能力、控制电器的电气寿命、继电器的可靠性等起重要的作用。触头是电器的最薄弱环节，容易发生故障。静触头动触头36(3)滑动及滚动接触在工作过程中触头可以互相滑动（或滚动）的接触方式称为滑动(或滚动)接触。高压断路器的中间触头、公共电车及电气火车的电源引进部分。高压断路器?373839无论用什么工艺切开导体，或切开后对切面无论用什么工艺实行精加工，切面表面总是凸凹不平的，总是有宏观和微观上的波纹,表面粗糙等。当两个接触面接触时，实际上只有若干个小块面积相接触，而在每块小面积内，又只有若干小的突起部分相接触，称为接触点。3.2.2接触电阻的组成接触电阻Rj由收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb两部分组成1、收缩电阻40在接触处，金属的实际截面积减小了。电流在流经电接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入截面很小的接触点，电流线发生剧烈收缩现象。该现象所呈现的附加电阻称为收缩电阻。41因为接触点由多个组成，所以整个接触面的收缩电阻Rs，为各个接触点收缩电阻的并联值。整个接触面的收缩电阻Rs与材料的电阻率ρ成正比，与材料硬度（HB值）的平方根成正比，与压力F和接触点的数目n的二次方根的乘积成反比。422、表面膜电阻在电接触的接触面上，由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部分——表面膜电阻。表面膜电阻的类型；（1）尘埃膜（2）吸附膜（3）无机膜（4）有机膜43（1）尘埃膜：飘扬于空气中的团状微粒，由于静电的吸力而覆盖于接触表面形成膜电阻。被吸附的微粒在外力作用下极易脱落，使接触重新恢复，因此其电阻值的变化是不稳定的，具有随机的和统计的特点。（2）吸附膜：水分子和气体分子在接触表面的吸附层。其厚度仅有几个分子层。当触头间的压力在接触面上形成很高的压强时，其厚度可以减到1～2个分子层(5～10Å)，但无法用机械的办法把它完全排除。因此，无论采用何种触头材料，吸附膜都是不可避免的。44（3）无机膜：电接触材料暴露于空气中时，由于化学腐蚀作用在金属表面形成各种金属化合物的薄膜称为无机膜。金属和氧生成氧化膜，和H2S反应生成硫化膜；金属表面一旦暴露在大气中，便会很快生成几微米的初期氧化膜层。铜：2-3min，镍：约30min，铝：2-3s，其表面便可形成厚度约2μm的氧化膜层。即使特别稳定的贵金属金，其表面也会形成一层有机气体吸附膜。45在潮湿的空气中，在电介质作用下，使不同的金属间发生电化学腐蚀，也在金属表面积存锈蚀物。无机膜的形成取决于金属材料的化学和电化学性质。无机膜对电接触的破坏作用与其厚度有关，也和膜的性质有关。在接触压力较大，电路参数较高时，有些无机膜对电接触的危害并不严重。46（4）有机膜：从绝缘材料中析出的有机蒸汽，在电接触金属材料表面形成一种粉状有机聚合物，称为有