电器理论基础教学课件ppt作者许志红第2章_电器的发热理论

复旦大学第2章电器的发热理论福州大学许志红苏晶晶复旦大学第2章电器的发热理论2.1电器的发热现象2.2电器的散热2.3电器的允许温升2.4电器的稳定温升计算2.5典型电器的温升计算2.6不同工作制下电器的温升2.7电器的热稳定性电器发热的来源在于内部的能量损耗，降低电器工作温度的主要途径就是设法减小损耗。2.1电器的发热现象电阻损耗：电器的热源磁滞、涡流损耗：电阻可以是导体的金属电阻，也可以是导体连接处的接触电阻。交变磁通在铁心中产生的附加损耗。介质损耗：交变电磁场在绝缘体内产生的损耗。摩擦、碰撞损耗：联动机构部分在运行过程中产生的损耗。电弧损耗：电弧温度极高，是一个不可忽视的热源。)12(2RIKPf电流通过导体所产生的能量损耗称为电阻损耗（或称焦耳损耗）1、电阻损耗——计算公式RIKPf2AlRAJIlAm)32(2mJKPf1、电阻损耗——计算公式1、电阻损耗——趋肤效应透肤深度)62()2/(fb趋肤损耗系数fpAKj2集肤效应的大小可以用电磁波在导体内部渗入深度b来表示：1、电阻损耗——趋肤损耗系数的求解根据公式导体直径、电阻率及电源频率。计算参数，再查图2-3，可得趋肤损耗系数Kj。fd20①圆截面导体：1、电阻损耗——趋肤损耗系数的求解矩形截面导体的趋肤损耗系数可参考课本表2-1。其中20℃时矩形截面导体的趋肤损耗系数fabKc31105②矩形截面导体：两个相邻载流导体间磁场相互作用使两导体内产生电流分布不均匀的现象。1、电阻损耗——邻近效应邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。对圆截面导体：邻近效应系数Klj，可查表2-3得到。其中系数Kx为1、电阻损耗——邻近损耗系数的求解fdKx20式中，d——导体的直径；l——两导体中心线之间的距离。•导体通过的电流为交流，则交变磁通在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。减小铁磁损耗常采用的措施：①采用导磁性能好的铁磁材料；②采用永磁材料；③采用非磁性间隙；④采用短路圈等。2、磁滞、涡流损耗实线—片厚0.5mm，虚线—片厚0.35mm2、磁滞、涡流损耗——例图实心钢导体损耗曲线绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率f成比例，高压电器一般要考虑此损耗。交变电场中的介质损耗为)72(tan22fCUp3、介质损耗理论上工程上，采用经验公式)82(tanCiXR)92(108.1tan)(4mabe3、介质损耗——tanδ计算电器中连接部分在工作过程中会产生机械摩擦和碰撞，由此产生的损耗形成电器工作中的热源。机械碰撞越大，电器的机械寿命越低。4、摩擦、碰撞损耗5、电弧发热有触点电器在工作过程中，当执行接通任务时，产生的触头之间的弹跳，将产生电弧和火花；执行分断任务时，也会在触头间产生严重的电弧燃烧现象电弧为高温游离气体，其产生大量的热量。2.2电器的散热电器散热有三种形式，即热传导、热对流和热辐射。电器的热损耗由它们散失到周围。热传递方式定义传递介质热传导质点间的直接传递固态、液态和气态热对流粒子间的相对运动液态和气态热辐射通过电磁波传播气态热传导现象的实质是质点间的直接作用，把能量从一个质点传递到另一个相邻质点。传递介质：绝缘的液体、固体、气体热传导是固态物质传热的主要方式，温差的存在是热交换的必要条件！1、散热方式——热传导分析热传导现象必须用到著名的傅里叶定律:单位时间内通过物体单位面积的热量与该处的温度梯度成正比，即：式中，λ——热导率，负号表示热量传递的方向与温度梯度相反，即向着温度降低的方向传递。)102(gradq1、散热方式——热传导本质是通过粒子互相移动而产生热能转移，对流常伴有热传导现象。传递介质：液体、气体对流方式自然对流：强迫对流：流体质点因温度升高而上升形成的对流；质点在外力作用下被迫流动形成的对流；1、散热方式——热对流由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式。传递介质：气体热辐射应具备发射物体、辐射的传播空间以及处于辐射路径上吸收辐射热的物体。热传导、热对流在传热途径中需要存在温度差的物体；辐射传热可以在真空中1、散热方式——热辐射在一定温度范围内多数材料的λ与θ近似呈线性关系，即)112()1(0b2、热传导的计算方法热导率范围甚大，银为425，铜为390。，铝为210，黄铜为85，某些气体为：0.006。以图2-7为例进行热传导计算，尺寸如图所示，P代表整个物体的热流。由式（2-10）可得)122(dxdq2、热传导的计算方法—分析面积为APδθ1θ2图2-7物质热传导示意（θ1＞θ2）)132()(21AAP)142()/(TRAAP)152(1TAR热传导与电传导的对比关系热传导公式与欧姆定律相比，极为相似。欧姆定律)162(AlUAlURUI热传导与电传导的对比关系如下表热传导温度τ热流P热阻RT热导率λτ=PRT热源电传导电压U电流I电阻R电导率σU=IR电源2、热传导的计算方法——外包绝缘层导体圆筒截面右图，热传导率λ，设导体长度为l。半径为r处厚度为dr的圆筒的热阻为)172(2rldrdRT长圆筒热阻为)182(ln2121221rrlrldrRrrTr1r2λ=∞λττ1τ0τ2O2、热传导的计算方法——外包绝缘层导体若内外壁的温度为θ1与θ2，则通过外表面散出的热流P为)192()(ln22112rrlP绝缘层总热阻)202(ln12111iiniiTrrlR3、热对流的计算方法牛顿提出了热流密度与固体壁面温度和流体温度的温度差之间的关系，即)242()(0Ap)252(A1TR对流散热的热阻3、热对流的计算方法例：空气中垂直安放的平板形导体，对流系数为：例：空气中水平安放的平板形导体，发热面向上，对流系数为：例：变压器油中垂直安放的平板导体，对流系数为：)262()(55.225.00)272()(25.325.00)282()()48~38(25.00热辐射的方式：热能（发热）→（转变为）→辐射能（实质是一种电磁波）→（转变为）→热能（被吸收）4、热辐射的计算方法设在一个封闭的腔体壁上，开一个小孔，可近似为封闭的腔体。从小孔进入的光线几乎全部被壁面吸收。入射光线黑体腔体图2-14黑体示意4、热辐射的计算方法黑体单位面积发射的功率)292(4Tpf两个物体间通过辐射交换的热量与T4之差成正比)302()(4241TTpf辐射热阻4、热辐射的计算方法——辐射热阻)342(TpR由于精确计算散热过程和确定散热参数极其困难。常常将这三种散热方式综合考虑。采用工程上的计算方法——综合散热系数，来计算电器的散热。2.3电器的允许温升导体、铁磁体导体绝缘体周围介质设备焦耳损耗涡流、磁滞损耗介质损耗散发加温升热发热耗热热平衡1、电器的发热损耗2、电器温度过高的影响电器温度↗金属材料机械强度σ↘，详见图2-16绝缘材料绝缘老化，击穿，详见图2-17触头材料温度↗，Rj↗，产生熔焊现象为了保证电器工作的可靠性及一定的使用寿命，国际和各国的技术标准对电器各部分的极限允许温升都有明确的规定。3、极限允许温升的确定依据极限允许温升制定依据：电器的绝缘部分不致因温度过高而损坏，或使工作寿命过分降低；导体和结构部分不致因温度过高而降低其机械性能。电器的触头部分除了考虑机械强度外，还要考虑氧化以及其他问题（接触电阻）。（1）电器温升4、电器温升和极限允许温升电器温升=电器本身温度-周围环境温度（2）电器各部件的极限允许温升极限允许温升=极限允许温度-工作环境温度我国标准规定周围空气的温度范围为±40℃5、电器极限允许温升（按相关国家温升试验标准进行测量）：1、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点（机械性能显著下降即软化）。2、对绝缘材料和外包绝缘的导体：其极限允许温升的大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。3、对于触头材料，除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题。短路通过短路电流时的极限允许温度：我国标准未作统一规定！一般要求：油中的裸导体不应超过250℃;不和有机绝缘材料或油接触的铜或黄铜部件不应超过300℃;铝在任何情况下不应超过200℃;固定接触连接部分的发热不应超过其它部分载流导体的发热;电器主触头温度限制在200℃以内弧触头要求不熔焊;我国标准规定的电器绝缘材料的耐热等级见课本表2-7。2.4电器的稳定温升计算电器在工作过程中，如果通电时间足够长，使其工作温度接近于一个稳定的值，那么就可以采用牛顿公式进行计算。1、热平衡方程式输入的导体热量＝提高导体本身温度+散热)352(cmddtAKpdtT2、发热稳定输入的导体热量＝散热)362(wTAKp式中，——发热体的稳定温升，w3、综合散热系数综合散热系数，包含了所有的散热形式，因而各种具体条件对KT数值的影响极大，而KT的实验数据往往又是在特定条件下得到的，这就要求在选用时必须慎重对待。其次，对于有效散热面的选取，也必须跟据不同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。电器工作中某中工作情况下的综合散热系数可见教材表2-83、综合散热系数根据相似理论求得导体的综合散热系数数值计算公式如下：)372(]1273)273(08.2[1004.2)-(33.1030725.000TflK3、综合散热系数对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：当散热面积为A=(1~100)×10-4m2时，当散热面积为A=(0.01~0.05)m2时，)382(10)]-(005.01[46340TAK)392(10)]-(05.01[23340TAK4、例：典型电器励磁线圈稳定温升的计算典型电器励磁线圈稳定温升的计算分析：稳定温升计算公式为：wTAKpAKpT直流：)402(2RIp交流：)412(2RIKpfj4、例：典型电器励磁线圈稳定温升的计算圆柱形线圈：Ad1表示上下端面散热面积，根据散热情况可归到外表面或者内表面计算。若采用绝缘的骨架时，由于其散热条件与内表面相同，则可以归为内表面进行计算。)462(xqnnhDA内表面散热面积为)472(xqwwhDA内表面散热面积为)482(2)(22d1nwDDA上下端面的散热面积为4、例：典型电器励磁线圈稳定温升的计算矩形线圈：)492()(2xq00nhbaA内表面散热面积为内表面散热面积为上下端面散热面积为)502()(2xqxq00whbbaA)512()(222xq00d1xqbbbaA4、例：典型电器励磁线圈稳定温升的计算线圈电阻为)522(xpjxqqlR式中，lpj——导线的平均长度；qx——导线的截面积。圆柱形线圈)542(4)532(2D2xnwpjxdqDNl矩形线圈)552()(2xq00pjbbaNl导线的截面积与式（2-54）相同。4、例：典型电器励磁线圈稳定温升的计算由此可知，线圈稳定温升为以上解析算法，根据实验和经验参数修正以后，可以得到较为准确的稳定温度值，但是要进一步计算准确地温升值和电器中温度的分布规律，可以用大型有限元计算软件建模计算。)562(dTwxq2AKRIKfjw2.6不同工作制下的电器的温升电器的发热与其加热过程和冷却过程有关。即工作时间直接影响电器的工作温升。我国规定，电器有四种工作制：长期工作制；间断长期工作制；短时工作制；反复短时工作制。1、长期工作制电器工作于长期工作制时，其工作时间常数大于8h,有的连续工作几天，甚至几个月。实际上电器达到稳定温度的时间往往不需要8h或更长时间。热平衡公式cmddtAKPdtT不工作0wTwAKP，工作时