电器的发热理论

电器理论基础FundamentalsofElectricalApparatuses海南大学机电工程学院教学讲义2016~2017学年第一学期电气工程及其自动化2014级张玲[e-mail]第2章电器的发热理论2014年10月10日电器（ElectricApparatus）电器的定义用于接通或断开电路断续或连续改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备（Equipments)电器的分类交流、直流电器高压、低压电器工业、农用、航空、船用、矿用电器控制电器、保护电器、切换电器、限制电器、变换电器1第2章电器的发热理论2014年10月10日电器（ElectricApparatus）典型电器继电器：Relay（电磁式、半导体、数字）接触器：Contactor断路器：CircuitBreaker熔断器：Fuse隔离开关：Disconnector限流器：CurrentLimiter互感器：Transformer（PT、CT）2第2章电器的发热理论2014年10月10日电器（ElectricApparatus）典型电器的结构原理从控制角度来看：输入部分＋输出部分从结构角度来看：感测器官＋执行器官输入信号感测器官机构执行器官输出信号电流电压线圈双金属片电磁弹簧触头灭弧室分闸合闸举例3第2章电器的发热理论2014年10月10日电器理论基础第1章绪论第2章电器的发热理论第3章电器的电动力理论第4章电器的电接触理论第5章电器的电弧理论第6章电器的电磁机构理论4第2章电器的发热理论第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§2-9小结2014年10月10日5第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象热源涡流损耗磁滞损耗电阻（焦耳）损耗电流通过导体产生介质损耗交流电器导体中产生交流电器铁磁体中产生交流电器绝缘体中产生6第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象电阻损耗（焦耳损耗）电流通过导体所产生的能量损耗电阻电流质量2fPRKIP:功率（W）I:电流（A）R:电阻（W）Kf:附加损耗系数:电阻率（W·m）l:导体长度（m）A:导体截面积（m2）J:电流密度（A/m2）m:导体的质量（kg）:密度（kg/m3）7lRAIJAmlA2fKJmP第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象电阻率201+++0:导体0C时的电阻率（W·m）、：电阻温度系数：导体的温度（C）8导体的电阻率与温度之间的关系o100C当温度，忽略的高次项，则fjlKKKKj:集肤系数Kl:邻近系数附加损耗系数01+第2章电器的发热理论2014年10月10日2r§2-1电器的发热现象集（趋）肤效应导体内部电流交链的磁通不同12导体外部仅交链：2导体内部交链：129第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象集（趋）肤效应导体内部电流交链的磁通不同交变磁通产生的反电势不同导体中电流分布不同2r12rrJ(r)0:电阻率（W·m）f:电流频率（Hz）m:磁导率（H/m）透入深度/2bfm10电流频率越高，集肤效应越强；导体材料的导磁率越高，集肤效应越强；导体的电阻率越高，集肤效应越弱。第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象集（趋）肤效应2r12rrJ(r)0集肤系数2jAAfKpbpmA:导体截面积（m2）p:导体周长（m）b:透入深度（m）f:电流频率（Hz）:电阻率（W·m）m:磁导率（H/m）11集肤效应的应用电磁场屏蔽空心导线钢芯铝绞线表面淬火第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象邻近效应xxJ(x)J(x)ii12电流同向12同向xxJ(x)J(x)ii12电流反向12反向在电抗器和变压器的发热计算中需要特别注意12第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象涡流（eddycurrent）损耗××××××××××××××××××××××××××××××d0dBt××××××××××××××××××××××××××××××d0dBt13第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象涡流的应用×涡涡涡流加热斥力机构电动斥力14第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象磁滞（magnetichysteresis）损耗铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返倒转，磁畴之间不停地互相磨擦而消耗能量，引起的损耗。+Hm-HmHBBr磁滞回线-Hc剩余磁感应强度矫顽力15第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-1电器的发热现象介质损耗电介质中的带电质点在交变电场的作用下，往复的移动和重新排列，而质点来回移动需要克服质点间的相互作用力，即分子之间的内摩擦力，由此造成的能量损耗称为介质损耗。与电场强度和频率有关介质损耗角（tand）表征介质损耗的大小:电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角的余角16第2章电器的发热理论第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§2-9小结2014年10月10日17第2章电器的发热理论2014年10月10日热传递（Thermaltransportation）§2-2电器的散热高温物体低温物体传导Conduction对流Convection辐射Radiation18第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-2电器的散热热传导傅里叶定律：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。q12q负号表示热量的传递方向与温度梯度相反，即向温度降低的方向传递:能流密度（J/(m2/s)）:热导率（W/(K.m)）q热导率与材料、温度等因素有关银（418.6）铜（393.5）铝（211.9）19第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-2电器的散热热对流仅在流体（液体和气体）中存在，常伴随着热传导有层流（Laminar)和紊流(Turbulence)两种形式对流的方式：自然对流和强迫对流自然对流换热公式：0()dldlPKAPdl:功率（W）Kdl:对流换热系数（W/(m2.K)）:发热体表面温度（K）0:流体介质温度（K）A:冷却表面积（m2）20第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-2电器的散热热辐射由电磁波传播能量的方式斯忒藩-玻尔兹曼定律2144()fsfPTTPfs:单位面积的辐射功率（W/m2）:斯忒藩-玻尔兹曼系数（5.67×10-8W/m2/K4）f:发射率T2:发热体表面温度（K）T1:接收辐射物体的温度（K）21第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-2电器的散热高温物体低温物体传导Conduction对流Convection辐射Radiationq0()dldlPKA4421()fsfTPT22第2章电器的发热理论第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§2-9小结2014年10月10日23第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-3电器的允许温升发热耗热导体散发加热升温热平衡导体、铁磁体绝缘体焦耳损耗涡流、磁滞损耗介质损耗周围介质设备24第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-3电器的允许温升电器温度过高的影响绝缘材料的绝缘强度明显下降金属材料的机械强度显著降低（长时与短时发热不同）加速触头材料等的氧化、发生熔焊等0501001502000%20%40%60%80%100%120温度Uj/Uj0瓷的击穿电压与温度的关系涡涡涡涡涡涡涡涡涡0100200300400500600%50%60%70%80%90%100%110涡涡涡涡涡涡涡涡铜的机械强度与温度的关系25第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-3电器的允许温升极限允许温升(Temperaturerise)定义电器极限允许温度与工作环境温度之差0我国标准规定周围空气的温度范围为±40℃制定依据保证电器的绝缘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。26第2章电器的发热理论第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§2-9小结2014年10月10日27第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-4电器的稳定温升计算工程上常把三种散热（传导、对流、辐射）合并考虑，用牛顿公式计算sTPKAPs:总散热功率（W）A:有效散热面积（m2）:发热体温升（K）=-0（：发热体温度；0：周围介质温度）Kt:综合散热系数（W/m2/K）28第2章电器的发热理论2014年10月10日电器中线圈的综合散热系数公式当散热面积为A=(1~100)×10-4m2时当散热面积为A=(0.01~0.05)m2时340460.001150TKA340230.01150TKA§2-4电器的稳定温升计算29第2章电器的发热理论第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§2-9小结2014年10月10日30第2章电器的发热理论2014年10月10日§2-5典型电器的温升计算典型发热部件导体触头线圈裸导体外包绝缘层的导体空心线圈带有铁心的线圈31第2章电器的发热理论2014年10月10日外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温升计算裸导体热导率大表面与内部温度基本相同绝缘层热导率小产生较大温度降落32第2章电器的发热理论2014年10月10日“场”问题“路”化外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温升计算单位时间传导的热量？傅里叶定律q负号表示热量的传递方向与温度梯度相反，即向温度降低的方向传递:能流密度（J/m2/s)）:热导率（W/K/m）qP平板厚度:△l截面积：A热导率：温度差：△12△A△l1233第2章电器的发热理论2014年10月10日“场”问题“路”化外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温升计算单位时间传导的热量？PqAl热阻：1TlRAq平板厚度:△l截面积：A热导率：温度差：△12PAl1PlATPR△A△lP34第2章电器的发热理论2014年10月10日“场”问题“路”化外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温升计算欧姆定律k△UA△lI导体长度:△l截面积：A电导率：k电位差：△U1NUUIlRAk电阻：1NlRAk35第2章电器的发热理论2014年10月10日“场”问题“路”化外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温升计算电路和热路的对应关系热导率：电导率：k热阻：电阻：温度差：△电位差：△U热流：P电流：I热路电路1NlRAk1TlRAk△UA△lI△A△lP36第2章电器的发热理论2014年10月10日外包绝缘层的均匀截面导体§2-5典型电器的温