電器學(xué)原理 第一章 電器導(dǎo)體的發(fā)熱計(jì)算 ppt課件

電器理論基礎(chǔ) 第一章 天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 電器導(dǎo)體的發(fā)熱 1 何為電器發(fā)熱的允許溫升 2 電器發(fā)熱的允許溫升和穩(wěn)定溫升在概念上是否相同 3 電器的溫升與哪些因素有關(guān) 在何種條件下 電器將達(dá)到其穩(wěn)態(tài)溫升 4 舉例說(shuō)明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源 5 集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么 交流電阻為什么比直流電阻要大 6 在中高頻應(yīng)用領(lǐng)域中 如果電流較大 通常采用多股導(dǎo)線 而不是單股同截面導(dǎo)線 請(qǐng)解釋其原因 7 扁平的母線和同樣截面的圓導(dǎo)線 哪種載流量大 為什么 電器表面的溫升計(jì)算公式 電器中的熱源 電器中的熱傳遞形式 第一章電器導(dǎo)體的發(fā)熱計(jì)算 各種工作制形式下的電器熱計(jì)算 電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布 短路電流下的電器熱計(jì)算和熱穩(wěn)定性 基本內(nèi)容 1 1電器的允許溫升 主要內(nèi)容 一 三種損耗及其影響二 電器各部件的極限允許溫升三 電器極限允許溫升四 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升 1 三種損耗 導(dǎo)體 銅 的阻抗損耗交變電磁場(chǎng)在導(dǎo)磁體 鐵 中產(chǎn)生的磁滯與渦流損耗絕緣材料的介質(zhì)損耗 1 1電器的允許溫升 一 三種損耗及其影響 加熱電器 散失到周?chē)橘|(zhì)中 損耗 2 電器發(fā)熱的危害電器的各種損耗 電器的零部件溫度升高 電器中的金屬材料和絕緣材料的溫度超過(guò)一定極限值時(shí) 其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度將明顯降低 電器的性能指標(biāo)降低 電器的使用壽命降低 嚴(yán)重時(shí) 燒毀電器 電器的零部件材料老化 1 金屬材料當(dāng)金屬材料的溫度 高達(dá)一定數(shù)值以后 其機(jī)械強(qiáng)度 會(huì)顯著降低 軟化點(diǎn) 機(jī)械強(qiáng)度開(kāi)始顯著下降時(shí)的溫度稱(chēng)為材料的軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)不僅與材料種類(lèi)有關(guān) 還是加熱時(shí)間的函數(shù) 加熱時(shí)間越短 材料到達(dá)軟化點(diǎn)的溫度越高 以銅為例 長(zhǎng)期發(fā)熱時(shí)的軟化溫度為100 200 短時(shí)發(fā)熱時(shí)的軟化溫度為300 0 100 200 300 400 500 600 60 80 100 120 40 金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系 長(zhǎng)期加熱 短時(shí)加熱 不同金屬材料的機(jī)械特性 隨溫度 變化不盡相同 O 100 200 300 400 500 600 60 80 100 120 40 圖2 1金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系 硬拉鋁 青銅 鋼 電解銅 銅 2 絕緣材料絕緣材料的絕緣特性 例如擊穿電壓 材料老化等 易受溫度影響 當(dāng)絕緣材料的溫度超過(guò)一定極限后 其擊穿電壓明顯下降 因此 絕緣材料的極限允許溫度將取決于絕緣材料的老化和擊穿特性 圖1 2瓷的擊穿電壓與溫度的關(guān)系 O 20 40 60 80 100 120 140 160 25 50 75 100 125 3 觸頭材料除考慮機(jī)械強(qiáng)度外 還要考慮氧化和其他問(wèn)題 電接觸 HOME 3 結(jié)論 發(fā)熱計(jì)算研究意義重大 發(fā)熱計(jì)算的目的是研究各種工作狀態(tài)的發(fā)熱 保證這些部分最高溫度不超過(guò)規(guī)定的極限允許溫度 以保證電器工作的可靠性 另外發(fā)熱計(jì)算在電氣設(shè)計(jì)中對(duì)于縮小體積 減輕重量 節(jié)約原材料 延長(zhǎng)使用壽命等方面意義重大 1 1電器的允許溫升 一 三種損耗及其影響 一般銅線安全計(jì)算方法是2 5平方毫米銅電源線的安全載流量 28A 4平方毫米銅電源線的安全載流量 35A 6平方毫米銅電源線的安全載流量 48A 10平方毫米銅電源線的安全載流量 65A 16平方毫米銅電源線的安全載流量 91A 25平方毫米銅電源線的安全載流量 120A 如果是鋁線 線徑要取銅線的1 5 2倍 如果銅線電流小于28A 按每平方毫米10A來(lái)取肯定安全 如果銅線電流大于120A 按每平方毫米5A來(lái)取 1 1電器的允許溫升 銅的自然屬性銅是人類(lèi)最早發(fā)現(xiàn)的古老金屬之一 早在三千多年前人類(lèi)就開(kāi)始使用銅 自然界中的銅分為自然銅 氧化銅礦和硫化銅礦 自然銅及氧化銅的儲(chǔ)量少 現(xiàn)在世界上80 以上的銅是從硫化銅礦精煉出來(lái)的 這種礦石含銅量極低 一般在2 3 左右 金屬銅 元素符號(hào)CU 原子量63 54 比重8 92 熔點(diǎn)1083Co 純銅呈淺玫瑰色或淡紅色 銅具有許多可貴的物理化學(xué)特性 例如其熱導(dǎo)率都很高 化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng) 抗張強(qiáng)度大 易熔接 且抗蝕性 可塑性 延展性 純銅可拉成很細(xì)的銅絲 制成很薄的銅箔 能與鋅 錫 鉛 錳 鈷 鎳 鋁 鐵等金屬形成合金 形成的合金主要分成三類(lèi) 黃銅是銅鋅合金 青銅是銅錫合金 白銅是銅鈷鎳合金 電動(dòng)機(jī)銅線改鋁線時(shí) 電機(jī)功率會(huì)降低 因?yàn)橄嗤€徑的鋁線比銅線載流密度小 用大些的鋁線嵌不下線 0 79平方銅線的電流密度等于1平方鋁線的電流密度 鋁具有特殊的化學(xué) 物理特性 是當(dāng)今最常用的工業(yè)金屬之一 不僅重量輕 質(zhì)地堅(jiān) 而且具有良好的延展性 導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性 耐熱性和耐核輻射性 是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)原材料 鋁元素在地殼中的含量?jī)H次于氧和硅 居第三位 是地殼中含量最豐富的金屬元素 在金屬品種中 僅次于鋼鐵 為第二大類(lèi)金屬 二 電器溫升和極限允許溫升 1 電器溫升 的定義 電器溫升 電器本身溫度 周?chē)h(huán)境溫度2 電器各部件極限允許溫升 的定義 電器極限允許溫升 電器極限允許溫度 周?chē)h(huán)境溫度我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定周?chē)諝獾臏囟确秶鸀?40 1 1電器的允許溫升 3 電器極限允許溫升制定依據(jù) 保證電器的絕緣不致因溫度過(guò)高而損壞不致因溫度過(guò)高使工作壽命過(guò)分降低導(dǎo)體和結(jié)構(gòu)部分不致因溫度過(guò)高而降低其力學(xué)性能 還要保證點(diǎn)接觸性能可靠 1 1電器的允許溫升 鉛酸是采用酸的水溶液做電解液 低溫導(dǎo)電性能影響很大 電極反應(yīng)變慢 鋰電池是有機(jī)電解液 它的容量在25度左右發(fā)揮的更好 溫度超過(guò)35度 容量開(kāi)始下降 低于15度 容量也下降較大 但比鉛酸的好多了 溫度回到室溫 容量又會(huì)恢復(fù) 環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)車(chē)電池容量的影響 在不同的環(huán)境溫度下 實(shí)測(cè)的電池容量與25 時(shí)的容量是不一致的 溫度越低 電池的放電容量越小 反之越大 為了規(guī)范判別 應(yīng)該把任意環(huán)境溫度下的電池容量折算為25 時(shí)的容量 計(jì)算公式為 Ce Cr 1 K t 25 式中 Ce為25 下電池的放電容量Cr為非標(biāo)準(zhǔn)溫度下的放電容量t為實(shí)際環(huán)境溫度K為溫度系數(shù) 2小時(shí)率放電為0 0085 1 1電器的允許溫升 舉例說(shuō)明 放電時(shí)的環(huán)境溫度為5 電池的放電時(shí)間為60分鐘 那么Cr只有5Ah 折算成25 的容量為 Ce 5 1 0 0085 5 25 5 1 0 0085 20 5 1 0 17 5 0 83 6 02Ah從以上計(jì)算可以看出 溫度降低20 2小時(shí)率放電電池容量減少約1Ah 大家可以知道溫度對(duì)電池容量的影響 現(xiàn)在的電池 大多是化學(xué)電池 在一定的溫度范圍內(nèi) 電池液的化學(xué)性質(zhì)才是活潑的 此時(shí)電量充足 漏電小 低于零下 大部分化學(xué)物質(zhì)會(huì)部分結(jié)晶 造成電量大幅下降 而高于55度 電池負(fù)陽(yáng)極物質(zhì)間漏電加劇 也會(huì)造成電量下降 1 1電器的允許溫升 三 電器極限允許溫升 按相關(guān)國(guó)家溫升試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量 1 電器中裸導(dǎo)體的極限允許溫升應(yīng)小于材料軟化點(diǎn) 機(jī)械性能顯著下降即軟化 2 對(duì)絕緣材料和外包絕緣的導(dǎo)體 其極限允許溫升的大小由絕緣材料的老化和擊穿特性決定 3 對(duì)于觸頭材料 除考慮機(jī)械強(qiáng)度外 還要考慮氧化和其他問(wèn)題 詳見(jiàn)第6章電接觸理論 1 1電器的允許溫升 4 溫升計(jì)算 溫度決定電器各部件工作性能 但是考核電器質(zhì)量時(shí)以溫升作為指標(biāo) 而電器運(yùn)行場(chǎng)所的環(huán)境溫度因地而異 故只能規(guī)定一個(gè)統(tǒng)一的環(huán)境 我國(guó)規(guī)定為35 據(jù)此在計(jì)算規(guī)定的允許溫升 若令零部件溫度為 則有 1 1電器的允許溫升 我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 部標(biāo)準(zhǔn) 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中 按電器不同零部件的工作特性 對(duì)其允許溫升都有詳細(xì)的規(guī)定 6 短路通過(guò)短路電流時(shí)的極限允許溫度 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)未作統(tǒng)一規(guī)定 一般要求 油中的裸導(dǎo)體不應(yīng)超過(guò)250 不和有機(jī)絕緣材料或油接觸的銅或黃銅部件不應(yīng)超過(guò)300 鋁在任何情況下不應(yīng)超過(guò)200 固定接觸連接部分的發(fā)熱不應(yīng)超過(guò)其它部分載流導(dǎo)體的發(fā)熱電器主觸頭溫度限制在200 以?xún)?nèi)弧觸頭要求不熔焊 1 1電器的允許溫升 雖然各種標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電器載流體于短路時(shí)通過(guò)短路電流時(shí)的極限允許溫度未作統(tǒng)一規(guī)定 但是多年來(lái)一直以不超過(guò)下表規(guī)定為準(zhǔn)則 1 1電器的允許溫升 1 1電器的允許溫升 四 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升電器各部分的溫度是用一定的測(cè)量方法得到的 標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的允許溫度和測(cè)量方法有關(guān) 電器各部分的允許溫升及測(cè)量方法具體可參考有關(guān)電器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升見(jiàn)表1 1 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫度 1 1電器的允許溫升 產(chǎn)生熱源的三個(gè)主要方面 電阻 含接觸電阻 損耗 交流電器導(dǎo)磁材料的渦流和磁滯損耗 以及交流電器絕緣材料的介質(zhì)損耗 此外還有電器運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的摩擦撞擊損耗 一 電阻損耗二 鐵磁損耗三 介質(zhì)損耗 1 2電器的熱源 一 電阻損耗 也稱(chēng)焦耳損耗 1 計(jì)算公式 Kf 考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的附加損耗系數(shù) 數(shù)值大小為Kf Kl Kj Kl為鄰近系數(shù) Kj為集膚系數(shù) J為導(dǎo)體電流密度 R 電阻 R l A為導(dǎo)體材料的密度 電阻率與溫度之間的關(guān)系可表示為 0 1 2 100 以?xún)?nèi)時(shí) 電阻R 0 1 l A 1 2電器的熱源 2 集膚效應(yīng) 交變磁通在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生反電勢(shì) 中心部分的反電勢(shì)值比外表部分的大 導(dǎo)致導(dǎo)體中心的電流密度比外表部分小 集膚效應(yīng)的大小用電磁波在導(dǎo)體中的滲入深度b表示 1 2電器的熱源 滲入深度b的大小為 b 式中 電阻率 f 頻率 磁導(dǎo)率 由于b越小 集膚效應(yīng)就越強(qiáng) 由上式可知 當(dāng)頻率f越高時(shí) 滲入系數(shù)b越小 則集膚效應(yīng)越強(qiáng) 1 2電器的熱源 3 集膚系數(shù)Kj 式中 A 導(dǎo)體截面積 P 導(dǎo)體周長(zhǎng) 由此式知 f越高 集膚效應(yīng)越強(qiáng) 1 2電器的熱源 4 集膚系數(shù)Kj的查表求解 1 圓截面導(dǎo)體 先求100m長(zhǎng)導(dǎo)體的直流電阻R100 再求 查圖1 4 得Kj 1 2電器的熱源 2 矩形截面導(dǎo)體的Kj值查表1 2得 其中 ke 1 2電器的熱源 100 時(shí)長(zhǎng)100米導(dǎo)體的直流電阻為 4 一銅質(zhì)圓截面導(dǎo)體 直徑為6cm 當(dāng)通過(guò)50Hz交流電流時(shí)工作溫度為100 C 試求導(dǎo)體的集膚系數(shù)和長(zhǎng)100m的交流電阻 交流R100 KjR100 解 已知銅導(dǎo)體0 時(shí)的阻率和電阻溫度系數(shù)分別為 再求出 由圖1 4曲線查出 故當(dāng)100時(shí)長(zhǎng)100m導(dǎo)體交流電阻為 5 鄰近效應(yīng) 由于相鄰載流導(dǎo)體間磁場(chǎng)的相互作用 使兩導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電流發(fā)布不均勻的現(xiàn)象 鄰近效應(yīng)與相鄰載流導(dǎo)體內(nèi)電流流向有關(guān) 1 電流同向 相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)大些 故電流密度小些 2 電流反向 相鄰側(cè)感應(yīng)的反電勢(shì)小些 故電流密度大些 圖1 5 1 2電器的熱源 6 對(duì)圓截面導(dǎo)體 鄰近效應(yīng)系數(shù)Kl 查表1 3 其中系數(shù)Kx l是導(dǎo)體中心線距離 d是導(dǎo)體直徑 1 2電器的熱源 二 鐵磁損耗 電器中的載流導(dǎo)體在附近的鐵磁零件中產(chǎn)生交變磁通 從而在鐵磁體中產(chǎn)生渦流和磁滯損耗 圖1 6兩種厚度不同的硅鋼片 材料D31與D43 厚度0 5mm 實(shí)線 與0 35mm 虛線 單位質(zhì)量的鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖 1 2電器的熱源 圖1 7估算實(shí)心鋼導(dǎo)體損耗曲線 圖中 I 流過(guò)鋼導(dǎo)體的電流 P 導(dǎo)體截面周長(zhǎng) A 外表面積 f 電流頻率 Pm 鋼導(dǎo)體損耗 1 2電器的熱源 二 鐵磁損耗電器中的載流導(dǎo)體有時(shí)要從鐵磁零件附近通過(guò) 由于鐵的磁導(dǎo)率高 磁通將通過(guò)鐵磁零件而成閉路 如果導(dǎo)體通過(guò)的電流為交流 則交變磁通在鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗 B i 1 2電器中的熱源 i i i B B B 0 0 5 1 0 1 5 1 2 3 4 硅鋼片單位質(zhì)量鐵磁損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系 D31 D42 實(shí)線 厚0 5mm 虛線 厚0 35mm 三 介質(zhì)損耗 絕緣材料在交變電場(chǎng)中的損耗與電場(chǎng)強(qiáng)度E和頻率f成比例 高壓電器一般要考慮此損耗 其大小為 式中p 介質(zhì)損耗功率 f 電場(chǎng)交變頻率 C 介質(zhì)的電容 U 外加電壓 tan 絕緣材料重要特征之一 與溫度 材料 工藝等有關(guān) 介質(zhì)損耗角 tan 大時(shí) 介質(zhì)損耗也大 1 2電器的熱源 1 3電器的熱傳遞形式 電器散熱有三種形式 即熱傳導(dǎo) 熱對(duì)流和熱輻射 電器的熱損耗由它們散失到周?chē)?一 熱傳導(dǎo) 熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的直接作用 把能量從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)相鄰質(zhì)點(diǎn) 它存在于絕緣的液體 固體 氣體中 在絕緣的液體和固體中 質(zhì)點(diǎn)間的能量傳遞是通過(guò)彈性波進(jìn)行的 氣體的熱傳導(dǎo)還伴隨著原子和分子的擴(kuò)散 金屬中則有電子的擴(kuò)散 1 3電器的熱傳遞形式 1 兩等溫線的溫差與等溫線間距之比的極限稱(chēng)為溫度梯度 在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于熱流方向單位面積的熱量稱(chēng)為熱流密度 即 Q 熱量 A 面積 t 時(shí)間 熱傳導(dǎo)是固態(tài)物質(zhì)傳熱的主要方式 溫差的存在是熱交換的必要條件 1 3電器的熱傳遞形式 分析熱傳導(dǎo)現(xiàn)象必須用到著名的傅里葉定律 單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)物體單位面積的熱量與該處的溫度梯度成正比 即 式中 材料熱導(dǎo)率 單位為w m k 各種物體有不同的熱導(dǎo)率 由其物理性質(zhì)決定 越大 物體的熱傳導(dǎo)能量越強(qiáng) 且有 金屬 非金屬 液 氣 由于熱量是向溫度降低的方向擴(kuò)散 而溫度梯度則是指向溫度升高的方向 故上式有一負(fù)號(hào) 2 熱傳導(dǎo)功率 式中div 向量 矢量 熱導(dǎo)率 表征物體熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù) 它與材料 溫度等許多因素有關(guān) 多數(shù)材料在一定溫度范圍內(nèi)與溫度近似呈線性關(guān)系 即 熱導(dǎo)率范圍甚大 銀為425 銅為390 鋁為210 黃銅為85 某些氣體為 0 006 見(jiàn)圖1 8 金屬和液體的熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系 1 3電器的熱傳遞形式 1 3電器的熱傳遞形式 二 熱對(duì)流 1 只存在于流體 液體和氣體 中 本質(zhì)是通過(guò)粒子互相移動(dòng)而產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)移 對(duì)流常伴有熱傳導(dǎo)現(xiàn)象 有自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流兩種方式 定義 自然對(duì)流 流體質(zhì)點(diǎn)因溫度升高而上升形成的對(duì)流 強(qiáng)迫對(duì)流 質(zhì)點(diǎn)在外力作用下被迫流動(dòng)形成的對(duì)流 1 3電器的熱傳遞形式 自然對(duì)流發(fā)生在不均勻加熱的流體中 在高溫區(qū) 粒子密度比低溫區(qū)的小 溫度較高的粒子向上遷移 溫度較低的粒子向下遷移 這種因粒子密度的不均勻性產(chǎn)生的自然上升力和下降力 導(dǎo)致了流體中的自然對(duì)流和熱交換 在中小容量電器中 一般都采用自然對(duì)流散熱 1 3電器的熱傳遞形式 核裂變熱量 加熱水 蒸汽 汽輪機(jī) 電力 危急冷卻系統(tǒng) 為了應(yīng)付核電站一回路主管道破裂的極端失水事故的發(fā)生 近代核電站都設(shè)有危急冷卻系統(tǒng) 它是由注射系統(tǒng)和安全殼噴淋系統(tǒng)組成 一旦接到極端失水事故的信號(hào)后 安全注射系統(tǒng)向反應(yīng)堆內(nèi)注射高壓含硼水 噴淋系統(tǒng)向安全殼噴水和化學(xué)藥劑 便可緩解事故后果 限制事故蔓延 強(qiáng)迫對(duì)流是在外界因素強(qiáng)迫作用下形成的 例如用氣流或液流進(jìn)行強(qiáng)吹和強(qiáng)冷 這在某些強(qiáng)電流電器或高頻電器中采用 熱對(duì)流形式 層流 粒子運(yùn)動(dòng)速度較低 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 平行分層運(yùn)動(dòng) 紊流 粒于運(yùn)動(dòng)速度高 形成旋渦式的紊亂運(yùn)動(dòng) 發(fā)熱體附近流體介質(zhì)的對(duì)流 1 3電器的熱傳遞形式 2 熱對(duì)流時(shí) 散熱能力主要決定于邊界層 因?yàn)榇颂帨囟茸兓畲?熱量傳遞隨流體性質(zhì)而異 直接影響此過(guò)程的因素有 熱導(dǎo)率 比熱容 密度和粘滯系數(shù) 對(duì)流形式熱交換可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 式中dQ 在dt時(shí)間內(nèi)以對(duì)流形式散出的熱量 發(fā)熱體和周?chē)慕橘|(zhì)溫度A 散熱面的面積 對(duì)流散熱系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)方式確定 3 單位體積流體介質(zhì)由對(duì)流而散失的功率 式中 c v 分別為流體的比熱容 密度 速度 1 3電器的熱傳遞形式 4 實(shí)際電器的發(fā)熱用分析方法計(jì)算對(duì)流散熱往往比較困難 這時(shí)可根據(jù)相似理論 通過(guò)模型試驗(yàn) 求出散熱系數(shù) 例如 自然散熱對(duì)流可用下列公式計(jì)算 1 3電器的熱傳遞形式 式中 發(fā)熱體表和流體介質(zhì)溫度A 散熱面的面積 對(duì)流散熱系數(shù) 一般由實(shí)驗(yàn)方式確定 例如 空氣中垂直安放的平板形導(dǎo)體 對(duì)流系數(shù)為 1 3電器的熱傳遞形式 例如 空氣中水平安放的平板形導(dǎo)體 發(fā)熱面向上 對(duì)流系數(shù)為 例如 變壓器油中垂直安放的平板導(dǎo)體 對(duì)流系數(shù)為 變壓器油中垂直安放的平板導(dǎo)體 由于表面溫度沿高度的分布不同 下面的溫度低 上面的溫度高 因而沿高度的散熱系數(shù)也不同 下面的大 上面的小 三 熱輻射 1 定義由電磁波傳播能量 不需直接接觸的傳熱方式 1 3電器的熱傳遞形式 2 熱輻射的方式 熱能 發(fā)熱 轉(zhuǎn)變?yōu)?輻射能 實(shí)質(zhì)是一種電磁波 轉(zhuǎn)變?yōu)?熱能 被吸收 3 熱輻射時(shí) 單位面積上的熱發(fā)射功率 fs計(jì)算 發(fā)熱體表面熱力學(xué)溫度 K 0 受熱體的絕對(duì)溫度 K 式中 發(fā)射率 見(jiàn)表1 5 1 3電器的熱傳遞形式 結(jié)論 由于電器極限允許溫度低 僅有幾百度 因而輻射功率較小 電器散熱通常考慮的方式是 熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流 對(duì)于電弧而言 輻射功率不能忽視 4 絕對(duì)黑體 絕對(duì)白體與灰色體 絕對(duì)黑體 對(duì)輻射波全吸收 不反射的物體 因其含有大量熱能 故其發(fā)射 即本身熱輻射 和吸收能力最強(qiáng) 發(fā)射率 1 絕對(duì)白體 對(duì)輻射波全反射 不吸收的物體 因其本身缺乏大量熱能 故其發(fā)射能力最強(qiáng) 發(fā)射率 1 而放射能力 灰色體 相對(duì)處于中間狀態(tài)的物體 1 3電器的熱傳遞形式 5 熱輻射的特點(diǎn) 1 輻射換熱不依賴(lài)物體的接觸而進(jìn)行熱量傳遞 2 輻射換熱過(guò)程伴隨著能量形式的兩次轉(zhuǎn)化 3 一切物體只要其溫度T 0K 都會(huì)不斷地發(fā)射熱射線 4 物體吸收率 投射到物體上而被吸收的熱輻射能與投射到物體上的總熱輻射能之比稱(chēng)為該物體的吸收率 1 3電器的熱傳遞形式 5 物體反射率 從非發(fā)光體表面反射的輻射與入射到該表面的總輻射之比 它是表征物體表面反射能力的物理量 絕對(duì)黑體的反射率為0 純白物體的反射率為1 實(shí)際物體的反射率介于0與1之間 6 物體透射率 透射是入射光經(jīng)過(guò)折射穿過(guò)物體后的出射現(xiàn)象 被透射的物體為透明體或半透明體 如玻璃 濾色片等 1 3電器的熱傳遞形式 牛頓公式電器表面穩(wěn)定溫升與工作制有關(guān) 計(jì)算電器表面穩(wěn)定溫升時(shí) 一般是將三種散熱方式合在一起 用牛頓熱計(jì)算公式求電器表面的穩(wěn)定溫升值 即 式中 Ps 總散熱功率 A 有效散熱面積 發(fā)熱體溫升 0 和 0是發(fā)熱體溫度和周?chē)h(huán)境溫度 KT 導(dǎo)體表面綜合散熱系數(shù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)參見(jiàn)表1 6 單位w m2 1 4電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 1 4電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 1 4電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 綜合散熱系數(shù) 包含了所有的散熱形式 因而各種具體條件對(duì)KT數(shù)值的影響極大 而KT的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)往往又是在特定條件下得到的 這就要求在選用時(shí)必須鎮(zhèn)重對(duì)待 其次 對(duì)于有效散熱面的選取 也必須跟據(jù)不同的具體對(duì)象 對(duì)散熱情況進(jìn)行分析后確定 1 4電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 根據(jù)相似理論求得導(dǎo)體的綜合散熱系數(shù)數(shù)值計(jì)算公式如下 和 0 是發(fā)熱體表面和流體介質(zhì)的溫度 單位K l0 導(dǎo)體單位長(zhǎng)度 單位m 發(fā)射率 無(wú)量鋼量 1 4電器表面穩(wěn)定溫升計(jì)算方法 對(duì)于電器中的線圈 綜合散熱系數(shù)公式為 當(dāng)散熱面積為A 1 100 10 4m2時(shí) 當(dāng)散熱面積為A 0 01 0 05 m2時(shí) 式中 0的單位為 A的單位為m2 國(guó)標(biāo)規(guī)定電器有四種工作制 長(zhǎng)期工作制間斷長(zhǎng)期工作制短時(shí)工作制反復(fù)短時(shí)工作制 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 一 長(zhǎng)期工作制 電器工作于長(zhǎng)期工作制時(shí) 其工作時(shí)間常數(shù)大于8h 有的連續(xù)工作幾天 甚至幾個(gè)月 實(shí)際上電器達(dá)到穩(wěn)定溫度的時(shí)間往往不需要8h或更長(zhǎng)時(shí)間 電器通電產(chǎn)生的功率損耗一部分散失到周?chē)橘|(zhì)中去 一部分加熱電器使其溫度升高 根據(jù)熱平衡原理 電器的發(fā)熱等于散熱加吸熱 用于電器升溫 即 Pdt 在dt時(shí)間內(nèi)電器的總發(fā)熱量 KTA dt 在dt時(shí)間內(nèi)電器的總散熱量 cmd 在dt時(shí)間內(nèi)電器溫度升高d 所吸收的熱量 c 比熱容 m 發(fā)熱體質(zhì)量 分析發(fā)熱 當(dāng)在t 0 0 t w P KT A時(shí)的條件下 溫升發(fā)熱計(jì)算公式為 發(fā)熱曲線如下 式中 T 電器熱時(shí)間常數(shù)T cm KTA 0 起始溫升 w 穩(wěn)定溫升 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 特別地 當(dāng)t 0 0時(shí) 有 上式解答表明 電器通電以后 其溫升隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng) 當(dāng)圖t 4T時(shí) 0 98 w 接近于穩(wěn)定溫升 當(dāng)圖t T時(shí) 0 632 w 發(fā)熱曲線如下 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 上式表明 電器在絕緣條件下的溫升曲線為一條直線 如圖所示 當(dāng) 達(dá)到 w所需的時(shí)間恰好為T(mén) 如果電器通電后 全部發(fā)熱均為電器吸收 并使其溫度升高 散熱為零 則熱平衡關(guān)系變?yōu)?積分后 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 求證 在絕緣條件下 當(dāng) w時(shí) 通電時(shí)間t T T是電器的熱時(shí)間常數(shù) 證明 絕熱 無(wú)熱量散失 條件下計(jì)算式 積分后 上式表明 電器在絕熱情況下溫升隨時(shí)間的增長(zhǎng)為一直線 由牛頓公式 得代入上式 得 去掉公約數(shù) w 有 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 圖1 10電器發(fā)熱和冷卻過(guò)程曲線 三條發(fā)熱1 2 4 一條冷卻3 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 推論1 作圖法求熱時(shí)間常數(shù)的方法 從t 0 0的發(fā)熱曲線起始點(diǎn)作一條切線與 w直線相交 則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為熱時(shí)間常數(shù)T 推論2 由切線與 w的交點(diǎn)作一垂線與曲線2相交 該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫升 0 632 w 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 推論3 熱時(shí)間常數(shù)T的物理意義 是電器在絕熱條件下溫升達(dá)到 w所需的時(shí)間 它代表電器的熱慣性 電器的比熱容C和質(zhì)量m越大 散熱系數(shù)KT和散熱面積A越小時(shí) T值越大 電器這種溫升不能隨時(shí)間瞬時(shí)變化的現(xiàn)象稱(chēng)為電器的熱慣性 而代表熱慣性大小的主要參量就是熱時(shí)間常數(shù) 它是研究電器動(dòng)態(tài)熱過(guò)程的重要物理量 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 分析電器的冷卻過(guò)程 1 Pdt 0時(shí) 解得 與成鏡像關(guān)系 兩者以水平線為鏡面對(duì)稱(chēng) 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 根據(jù)以上電器發(fā)熱和冷卻過(guò)程的理論分析 當(dāng)通電或斷電時(shí)間超過(guò)4倍熱時(shí)間常數(shù)以后 電器的熱過(guò)程已基本達(dá)到穩(wěn)定 溫升趨于常數(shù) 因此 在電器發(fā)熱計(jì)算時(shí) 只要是通電 或斷電 時(shí)間超過(guò)4T 即可按長(zhǎng)期工作制考慮 一而不必要求工作時(shí)間大于8h P35思考題3發(fā)熱時(shí)間常數(shù)與冷卻時(shí)間常數(shù)相等 長(zhǎng)期工作制下 電器發(fā)熱達(dá)到穩(wěn)定 吸熱量為零 后 計(jì)算公式與計(jì)算電器表面穩(wěn)定溫升的牛頓公式形式相同 即 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 二 短時(shí)工作制 1 一次通電時(shí)間短于4T 熱時(shí)間常數(shù) 2 因電器溫升達(dá)不到穩(wěn)定溫升 w 為充分利用電器耐熱性能 可將電流值增大 前提是電器 工作 實(shí)際 溫升值與長(zhǎng)期工作制下的穩(wěn)定溫升相等 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 3 圖1 11短時(shí)工作熱計(jì)算曲線圖 t是通電總時(shí)間 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 4 公式 式中 d 對(duì)應(yīng)短時(shí)工作制通電時(shí)間t末時(shí)的短時(shí)溫升 t 4T wd 對(duì)應(yīng)短時(shí)工作功率Pd下的電器穩(wěn)定溫升 wc 對(duì)應(yīng)長(zhǎng)期工作制下Pc下的穩(wěn)定溫升 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 5 功率過(guò)載系數(shù) 電流過(guò)載系數(shù) t T 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 三 反復(fù)短時(shí)工作制 1 電器通電和斷電交替進(jìn)行 通電和斷電的時(shí)間短于4T 2 圖1 12反復(fù)短時(shí)工作下的溫升曲線 圖中 t1 通電時(shí)間 t2 斷電時(shí)間 t1 t2 t 稱(chēng)為工作周期 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 反復(fù)短時(shí)工作制升溫過(guò)程2 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 3 第k個(gè)周期 1 t1時(shí)間內(nèi)電器發(fā)熱溫升為 式中 wf 反復(fù)短時(shí)工作制通電時(shí)間下的穩(wěn)定溫升 2 t2時(shí)間 冷卻 的計(jì)算公式推導(dǎo)參見(jiàn)賀湘琰老師的 電器學(xué) 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 4 功率過(guò)載系數(shù)PP和電流過(guò)載系數(shù)Pi 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 5 通電持續(xù)率TD 在電器標(biāo)準(zhǔn)中常用通電持續(xù)率TD 反映反復(fù)工作制的繁重程度 值越大 工作時(shí)間越長(zhǎng) 任務(wù)越繁重 計(jì)算公式為式中t1 通電時(shí)間 t 工作周期 t t1 t2 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 6 功率過(guò)載系數(shù)PP 電流過(guò)載系數(shù)Pi和通電持續(xù)率TD 的關(guān)系 1 5不同工作制下電器的熱計(jì)算 電器中典型的發(fā)熱部件有導(dǎo)體 包括均勻截面和變截面裸導(dǎo)體 外包絕緣層的導(dǎo)體 觸頭和線圈 包括空心線圈或帶有鐵心的線圈 等 本節(jié)只分析導(dǎo)體和線圈的穩(wěn)定溫升分布 1 6電器典型部件的穩(wěn)定溫升分布 一 外包絕緣層的圓截面導(dǎo)體 1 6電器典型部件的穩(wěn)定溫升分布 1 溫升分布導(dǎo)體徑向和軸向溫度基本相等 絕緣層由于熱導(dǎo)率很小 因此造成了很大的溫度降落 使得導(dǎo)體絕緣層外的溫度低于絕緣層內(nèi)溫度很多 根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律 可以導(dǎo)出 熱阻 的概念 利用熱阻概念分析外包絕緣導(dǎo)體這類(lèi)熱計(jì)算問(wèn)題有很大的方便 這就是 場(chǎng) 問(wèn)題 路 化的思想 設(shè)有熱量P通過(guò)厚為 l截面積為A的平板向外傳導(dǎo) 板的熱導(dǎo)率為 板兩端的溫差為 1 2 由傅里葉定律 式中RT 熱阻 用式 1 45 進(jìn)行外包絕緣導(dǎo)體的溫升計(jì)算 對(duì)于已知的熱量P 只要求出熱阻RT便可算出絕緣層中的溫差 因絕緣層外導(dǎo)體的溫升可用牛頓公式計(jì)算 如果求出 則絕緣層內(nèi)導(dǎo)體的溫升即可決定 單位長(zhǎng)度導(dǎo)體絕緣層的熱阻為所以根據(jù)傅里葉定律 可得 例題 矩形截面100 x10mm2銅母排每厘米長(zhǎng)的損耗為2 5W cm 母線外包絕緣厚度為1mm 其熱導(dǎo)率 1 14W m 求每厘米的絕緣層的溫度降 解 每厘米長(zhǎng)的總散熱面積為 絕緣層的熱阻為 W 每厘米長(zhǎng)的絕緣層的溫度降為 cm 二 空心線圈溫升分布 空心線圈內(nèi)部溫升分布必然是 線圈內(nèi) 外表面的溫升較低 內(nèi)部某一處的溫升最高 一 電器的熱穩(wěn)定性 1 電器的熱穩(wěn)定性 定義 電力網(wǎng)發(fā)生短路時(shí) 在一定時(shí)間內(nèi)電器承受短路電流的熱作用而不損壞的能力 2 特點(diǎn) 時(shí)間短 允許溫度高 3 校核手段 短路電流下導(dǎo)體的熱計(jì)算 4 電器熱穩(wěn)定性的大小表示方式 用 熱穩(wěn)定電流的平方乘短路持續(xù)時(shí)間 簡(jiǎn)稱(chēng) 允通能量 表示 即 1 7短路電流下的熱計(jì)算和電器的熱穩(wěn)定性 電阻 器 的瓦數(shù) 就是他最大散熱功率 他的材質(zhì)固定后 最高工作溫