電器導體的發(fā)熱計算課件

電器導體的發(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？在何種條件下，電器將達到其穩(wěn)態(tài)溫升？4.舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。5.集膚效應與鄰近效應的實質是什么?交流電阻為什么比直流電阻要大?6.在中高頻應用領域中，如果電流較大，通常采用多股導線，而不是單股同截面導線。請解釋其原因。

7.扁平的母線和同樣截面的圓導線，哪種載流量大？為什么？思考題電器導體的發(fā)熱1.何為電器發(fā)熱的允許溫升？思考題1電器的允許溫升1234電器表面的溫升計算公式電器中的熱源電器中的熱傳遞形式第一章電器導體的發(fā)熱計算765各種工作制形式下的電器熱計算電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性基本內容電器的允許溫升1234電器表面的溫2§1-1電器的允許溫升主要內容：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、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升§1-1電器的允許溫升主要內容：31、三種損耗：導體（銅）的阻抗損耗交變電磁場在導磁體（鐵）中產生的磁滯與渦流損耗絕緣材料的介質損耗?！?-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響

加熱電器散失到周圍介質中損耗1、三種損耗：§1-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響42、

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一定極限值時，其機械強度和絕緣強度將明顯降低。

電器的性能指標降低；→電器的使用壽命降低；→嚴重時，燒毀電器?！娖鞯牧悴考牧侠匣?；2、電器發(fā)熱的危害→→電器的零部件溫度升高電器中的金屬51)金屬材料當金屬材料的溫度θ高達一定數值以后，其機械強度σ會顯著降低。軟化點:機械強度開始顯著下降時的溫度稱為材料的軟化點。軟化點不僅與材料種類有關，還是加熱時間的函數，加熱時間越短，材料到達軟化點的溫度越高。以銅為例：長期發(fā)熱時的軟化溫度為100~200℃；短時發(fā)熱時的軟化溫度為300℃1)金屬材料軟化點:機械強度開始顯著下降時的溫度稱為材料60100200300400500600608010012040金屬材料機械強度與溫度的關系長期加熱短時加熱0100200300400500600608010012047不同金屬材料的機械特性σ隨溫度θ變化不盡相同。O100200300400500600608010012040圖2-1金屬材料機械強度與溫度的關系硬拉鋁青銅鋼電解銅銅不同金屬材料的機械特性σ隨溫度θ變化不盡相同。O10020082)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，當絕緣材料的溫度超過一定極限后，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系O204060801001201401602550751001252)絕緣材料圖1-2瓷的擊穿電壓與溫度的關系O204093)觸頭材料除考慮機械強度外，還要考慮氧化和其他問題—---電接觸。HOMEHOME103、結論：發(fā)熱計算研究意義重大：發(fā)熱計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)熱計算在電氣設計中對于縮小體積、減輕重量、節(jié)約原材料、延長使用壽命等方面意義重大?！?-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響

3、結論：§1-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響11一般銅線安全計算方法是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來取肯定安全。如果銅線電流大于120A，按每平方毫米5A來取。§1-1電器的允許溫升一般銅線安全計算方法是§1-1電器的允許溫升12銅的自然屬性銅是人類最早發(fā)現的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開始使用銅。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量少，現在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的，這種礦石含銅量極低，一般在2-3%左右。金屬銅，元素符號CU，原子量63.54,比重8.92，熔點1083Co。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有許多可貴的物理化學特性，例如其熱導率都很高，化學穩(wěn)定性強，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細的銅絲，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：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。銅的自然屬性13電動機銅線改鋁線時，電機功率會降低，因為相同線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。電動機銅線改鋁線時，電機功率會降低，因為相同線徑的鋁線比銅線14鋁具有特殊的化學、物理特性，是當今最常用的工業(yè)金屬之一，不僅重量輕，質地堅，而且具有良好的延展性、導電性、導熱性、耐熱性和耐核輻射性，是國民經濟發(fā)展的重要基礎原材料。鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，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，為第二大類金屬。鋁具有特殊的化學、物理特性，是當今最常用15二、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-周圍環(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-周圍環(huán)境溫度

我國標準規(guī)定周圍空氣的溫度范圍為±40℃§1-1電器的允許溫升二、電器溫升和極限允許溫升：§1-1電器的允許溫升16粒于運動速度高，形成旋渦式的紊亂運動。I：流過鋼導體的電流，0085(5-25)}§1-2電器的熱源何為電器發(fā)熱的允許溫升？強迫對流是在外界因素強迫作用下形成的，例如用氣流或液流進行強吹和強冷，這在某些強電流電器或高頻電器中采用。（1）電流同向：相鄰側感應的反電勢大些，故電流密度小些；3、單位體積流體介質由對流而散失的功率：電器的使用壽命降低；§1-3電器的熱傳遞形式4、溫升計算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核電器質量時以溫升作為指標。§1-3電器的熱傳遞形式自然對流：流體質點因溫度升高而上升形成的對流；固定接觸連接部分的發(fā)熱不應超過其它部分載流導體的發(fā)熱1、電器中裸導體的極限允許溫升應小于材料軟化點電器的允許溫升4、絕對黑體、絕對白體與灰色體：集膚效應的大小用電磁波在導體中的滲入深度b表示0085(5-25)}一般銅線安全計算方法是3、電器極限允許溫升制定依據：保證電器的絕緣不致因溫度過高而損壞不致因溫度過高使工作壽命過分降低導體和結構部分不致因溫度過高而降低其力學性能，還要保證點接觸性能可靠§1-1電器的允許溫升粒于運動速度高，形成旋渦式的紊亂運動。3、電器極限允許溫升制17鉛酸是采用酸的水溶液做電解液，低溫導電性能影響很大，電極反應變慢。鋰電池是有機電解液，它的容量在25度左右發(fā)揮的更好，溫度超過35度，容量開始下降，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，容量又會恢復。環(huán)境溫度對電動車電池容量的影響在不同的環(huán)境溫度下，實測的電池容量與25℃時的容量是不一致的，溫度越低，電池的放電容量越小，反之越大。為了規(guī)范判別，應該把任意環(huán)境溫度下的電池容量折算為25℃時的容量，計算公式為：Ce=Cr/{1+K(t-25)}式中：Ce為25℃下電池的放電容量

Cr為非標準溫度下的放電容量

t為實際環(huán)境溫度

K為溫度系數，2小時率放電為0.0085/℃§1-1電器的允許溫升鉛酸是采用酸的水溶液做電解液，低溫導電性能影響很大，電極反應18舉例說明：放電時的環(huán)境溫度為5℃，電池的放電時間為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從以上計算可以看出，溫度降低20℃，2小時率放電電池容量減少約1Ah。大家可以知道溫度對電池容量的影響?，F在的電池，大多是化學電池！在一定的溫度范圍內，電池液的化學性質才是活潑的！此時電量充足、漏電小。低于零下，大部分化學物質會部分結晶，造成電量大幅下降！而高于55度，電池負陽極物質間漏電加??！也會造成電量下降！§1-1電器的允許溫升舉例說明：放電時的環(huán)境溫度為5℃，電池的放電時間為60分鐘。19三、電器極限允許溫升

（按相關國家溫升試驗標準進行測量）：1、電器中裸導體的極限允許溫升應小于材料軟化點（機械性能顯著下降即軟化）。2、對絕緣材料和外包絕緣的導體：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、對于觸頭材料，除考慮機械強度外，還要考慮氧化和其他問題（詳見第6章電接觸理論）§1-1電器的允許溫升三、電器極限允許溫升§1-1電器的允許溫升204、溫升計算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核電器質量時以溫升作為指標。而電器運行場所的環(huán)境溫度因地而異，故只能規(guī)定一個統(tǒng)一的環(huán)境（我國規(guī)定為35℃

），據此在計算規(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

我國的國家標準、部標準、企業(yè)標準中，按電器不同零部件的工作特性，對其允許溫升都有詳細的規(guī)定！4、溫升計算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核電器216、短路通過短路電流時的極限允許溫度：我國標準未作統(tǒng)一規(guī)定！一般要求：油中的裸導體不應超過250℃不和有機絕緣材料或油接觸的銅或黃銅部件不應超過300℃鋁在任何情況下不應超過200℃固定接觸連接部分的發(fā)熱不應超過其它部分載流導體的發(fā)熱電器主觸頭溫度限制在200℃以內弧觸頭要求不熔焊§1-1電器的允許溫升6、短路通過短路電流時的極限允許溫度：我國標準未作統(tǒng)一規(guī)定！22雖然各種標準中對電器載流體于短路時通過短路電流時的極限允許溫度未作統(tǒng)一規(guī)定，但是多年來一直以不超過下表規(guī)定為準則?！?-1電器的允許溫升載流部件極限允許溫度/℃銅黃銅鋁鋼未絕緣導體300300200400包絕緣導體Y級200200200200未絕緣導體A級250250200250包絕緣導體B、C級300300200400雖然各種標準中對電器載流體于短路時通過短路電流時的極23§1-1電器的允許溫升四、我國標準規(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量方法得到的，標準中所規(guī)定的允許溫度和測量方法有關。電器各部分的允許溫升及測量方法具體可參考有關電器技術標準。我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升見表1-1?！?-1電器的允許溫升四、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極24我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫度：§1-1電器的允許溫升我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫度：§1-1電器的允許溫25

產生熱源的三個主要方面：電阻（含接觸電阻）損耗、交流電器導磁材料的渦流和磁滯損耗，以及交流電器絕緣材料的介質損耗。此外還有電器運動部分產生的摩擦撞擊損耗。

一、電阻損耗

二、鐵磁損耗

三、介質損耗

§1-2電器的熱源產生熱源的三個主要方面：電阻（含接觸電阻）26各種工作制形式下的電器熱計算25平方毫米銅電源線的安全載流量－－120A。硅鋼片單位質量鐵磁損耗與磁感應強度的關系電器發(fā)熱和冷卻過程曲線（三條發(fā)熱、一條冷卻3）。“熱穩(wěn)定電流”定義：在規(guī)定的使用和性能條件下，開關電器在指定短時間內、于閉合位置上所能承受的電流。Kf:考慮集膚效應和鄰近效應的附加損耗系數，數值大小為Kf=Kl*Kj(Kl為鄰近系數，Kj為集膚系數)；絕緣材料在交變電場中的損耗與電場強度E和頻率f成比例，高壓電器一般要考慮此損耗?！?-5不同工作制下電器的熱計算其次，對于有效散熱面的選取，也必須跟據不同的具體對象，對散熱情況進行分析后確定?！?-5不同工作制下電器的熱計算（按相關國家溫升試驗標準進行測量）：§1-5不同工作制下電器的熱計算§1-3電器的熱傳遞形式電器這種溫升不能隨時間瞬時變化的現象稱為電器的熱慣性，而代表熱慣性大小的主要參量就是熱時間常數，它是研究電器動態(tài)熱過程的重要物理量。分析電器的冷卻過程：式中div：向量，矢量；鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，居第三位，是地殼中含量最豐富的金屬元素。①“絕對黑體”：對輻射波全吸收、不反射的物體。4、溫升計算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核電器質量時以溫升作為指標。式中θ、θ0的單位為℃；一、電阻損耗：也稱焦耳損耗。

1、計算公式：

Kf:考慮集膚效應和鄰近效應的附加損耗系數，數值大小為Kf=Kl*Kj

(Kl為鄰近系數，Kj為集膚系數)；J為導體電流密度；R:電阻，R=ρl/A為導體材料的密度。電阻率與溫度之間的關系可表示為：ρ=ρ0（1+αθ+βθ2+…）100℃以內時，電阻R=ρ0

(1+αθ)*l/A§1-2電器的熱源各種工作制形式下的電器熱計算一、電阻損耗：也稱焦耳損耗?！?72、集膚效應：交變磁通在導體內產生反電勢，中心部分的反電勢值比外表部分的大，導致導體中心的電流密度比外表部分小。集膚效應的大小用電磁波在導體中的滲入深度b表示§1-2電器的熱源2、集膚效應：§1-2電器的熱源28滲入深度b的大小為：b＝

式中，ρ：電阻率；f：頻率；μ：磁導率。由于b越小，集膚效應就越強。由上式可知，當頻率f越高時，滲入系數b越小，則集膚效應越強。§1-2電器的熱源滲入深度b的大小為：b＝式中，ρ：電阻率；f29

3、集膚系數Kj：

式中，A：導體截面積；P：導體周長。由此式知，f越高，集膚效應越強。§1-2電器的熱源3、集膚系數Kj：式中，A：導體截面積；P：導體周長。30

4、集膚系數Kj的查表求解：（1）圓截面導體：先求100m長導體的直流電阻R100-，再求，查圖1-4，得Kj?！?-2電器的熱源4、集膚系數Kj的查表求解：§1-2電器的熱源31（2）矩形截面導體的Kj值查表1-2得。其中,ke§1-2電器的熱源（2）矩形截面導體的Kj值查表1-2得。其中,§1-232100℃時長100米導體的直流電阻為4、一銅質圓截面導體，直徑為6cm,當通過50Hz交流電流時工作溫度為100°C，試求導體的集膚系數和長100m的交流電阻。交流R100∽(=KjR100-)？解：已知銅導體0℃時的阻率和電阻溫度系數分別為：100℃時長100米導體的直流電阻為4、一銅質圓截面導體，直33再求出由圖1-4曲線查出：故當100時長100m導體交流電阻為再求出由圖1-4曲線查出：故當100時長100m導體交流電阻345、鄰近效應：由于相鄰載流導體間磁場的相互作用，使兩導體內產生電流發(fā)布不均勻的現象。鄰近效應與相鄰載流導體內電流流向有關。（1）電流同向：相鄰側感應的反電勢大些，故電流密度小些；（2）電流反向：相鄰側感應的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5。

§1-2電器的熱源5、鄰近效應：§1-2電器的熱源35

6、對圓截面導體：鄰近效應系數Kl，查表1-3，其中系數Kx=，l是導體中心線距離，d是導體直徑?！?-2電器的熱源6、對圓截面導體：鄰近效應系數Kl，查表1-3，其36因此，在電器發(fā)熱計算時，只要是通電(或斷電)時間超過4T，即可按長期工作制考慮，一而不必要求工作時間大于8h。τd：對應短時工作制通電時間t末時的短時溫升（t≤4T）；因此，在電器發(fā)熱計算時，只要是通電(或斷電)時間超過4T，即可按長期工作制考慮，一而不必要求工作時間大于8h。（2）輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化；不要試圖測量電阻的功率！硅鋼片單位質量鐵磁損耗與磁感應強度的關系式中t1：通電時間；電器的比熱容C和質量m越大，散熱系數KT和散熱面積A越小時，T值越大。溫差的存在是熱交換的必要條件！一、外包絕緣層的圓截面導體求證：在絕緣條件下，當τ=τw時，通電時間t=T（T是電器的熱時間常數）？電器的工作制有長期工作制、間斷長期工作制、反復短時工作制和短時工作制四種。大小由絕緣材料的老化和擊穿特性決定。第一章電器導體的發(fā)熱計算＝5/{1+0.（2）電流反向：相鄰側感應的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5?！?-5不同工作制下電器的熱計算（2）電流反向：相鄰側感應的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5。產生熱源的三個主要方面：電阻（含接觸電阻）損耗、交流電器導磁材料的渦流和磁滯損耗，以及交流電器絕緣材料的介質損耗?！?-5不同工作制下電器的熱計算二、鐵磁損耗：

電器中的載流導體在附近的鐵磁零件中產生交變磁通，從而在鐵磁體中產生渦流和磁滯損耗。圖1-6兩種厚度不同的硅鋼片（材料D31與D43,厚度0.5mm（實線）與0.35mm（虛線））單位質量的鐵磁損耗與磁感應強度的關系圖。

§1-2電器的熱源因此，在電器發(fā)熱計算時，只要是通電(或斷電)時間超過4T，即37圖1-7估算實心鋼導體損耗曲線。圖中，I：流過鋼導體的電流，P：導體截面周長，A：外表面積，f：電流頻率，Pm：鋼導體損耗?！?-2電器的熱源圖1-7估算實心鋼導體損耗曲線。圖中，§1-2電器的熱源38二.鐵磁損耗電器中的載流導體有時要從鐵磁零件附近通過。由于鐵的磁導率高，磁通將通過鐵磁零件而成閉路。如果導體通過的電流為交流，則交變磁通在鐵磁體內產生渦流和磁滯損耗。

Bi二.鐵磁損耗Bi39§1-2電器中的熱源iiiBBB00.51.01.51234硅鋼片單位質量鐵磁損耗與磁感應強度的關系D31D42實線:厚0.5mm,虛線:厚0.35mm§1-2電器中的熱源iiiBBB00.51.01.5140三、介質損耗：絕緣材料在交變電場中的損耗與電場強度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：介質損耗功率；

f：電場交變頻率；C：介質的電容；U：外加電壓；tanδ：絕緣材料重要特征之一，與溫度、材料、工藝等有關。δ：介質損耗角；tanδ大時，介質損耗也大?！?-2電器的熱源三、介質損耗：§1-2電器的熱源41§1-3電器的熱傳遞形式電器散熱有三種形式，即熱傳導、熱對流和熱輻射。電器的熱損耗由它們散失到周圍。一、熱傳導：

熱傳導現象的實質是質點間的直接作用，把能量從一個質點傳遞到另一個相鄰質點。它存在于絕緣的液體、固體、氣體中。在絕緣的液體和固體中，質點間的能量傳遞是通過彈性波進行的。氣體的熱傳導還伴隨著原子和分子的擴散，金屬中則有電子的擴散?！?-3電器的熱傳遞形式電器散熱有三種形式，即熱傳導42§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為溫度梯度：在單位時間內通過垂直于熱流方向單位面積的熱量稱為熱流密度，即：

Q:熱量；A：面積；t:時間

熱傳導是固態(tài)物質傳熱的主要方式，溫差的存在是熱交換的必要條件！§1-3電器的熱傳遞形式1、兩等溫線的溫差與等溫線間43§1-3電器的熱傳遞形式分析熱傳導現象必須用到著名的傅里葉定律:單位時間內通過物體單位面積的熱量與該處的溫度梯度成正比，即：式中λ：材料熱導率，單位為w/(m*k)，各種物體有不同的熱導率，由其物理性質決定。λ越大，物體的熱傳導能量越強，且有“λ金屬>λ非金屬>λ液>λ氣”。由于熱量是向溫度降低的方向擴散，而溫度梯度則是指向溫度升高的方向，故上式有一負號?！?-3電器的熱傳遞形式分析熱傳導現442、熱傳導功率：式中div：向量，矢量；

λ：熱導率，表征物體熱傳導能力的重要參數，它與材料、溫度等許多因素有關。多數材料在一定溫度范圍內與溫度近似呈線性關系。即：λ=，熱導率范圍甚大，銀為425，銅為390。，鋁為210，黃銅為85，某些氣體為：0.006。見圖1-8“金屬和液體的熱導率與溫度的關系”?！?-3電器的熱傳遞形式2、熱傳導功率：§1-3電器的熱傳遞形式45§1-3電器的熱傳遞形式§1-3電器的熱傳遞形式46本節(jié)只分析導體和線圈的穩(wěn)定溫升分布。②“絕對白體”：對輻射波全反射、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，發(fā)射率=1，而放射能力＝０三、電器極限允許溫升能與鋅、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：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。強迫對流：質點在外力作用下被迫流動形成的對流；§1-5不同工作制下電器的熱計算dQ:在dt時間內以對流形式散出的熱量§1-1電器的允許溫升當圖t=T時,τ=0.發(fā)熱體附近流體介質的對流電器的允許溫升空心線圈內部溫升分布必然是：線圈內、外表面的溫升較低，內部某一處的溫升最高。電器極限允許溫升=電器極限允許溫度-周圍環(huán)境溫度由于相鄰載流導體間磁場的相互作用，使兩導體內產生電流發(fā)布不均勻的現象。§1-5不同工作制下電器的熱計算不要試圖測量電阻的功率！不要試圖測量電阻的功率！§1-3電器的熱傳遞形式35mm（虛線））單位質量的鐵磁損耗與磁感應強度的關系圖。我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫度：二、熱對流：1、只存在于流體（液體和氣體）中。本質是通過粒子互相移動而產生熱能轉移，對流常伴有熱傳導現象，有自然對流和強迫對流兩種方式。定義：自然對流：流體質點因溫度升高而上升形成的對流；強迫對流：質點在外力作用下被迫流動形成的對流；

§1-3電器的熱傳遞形式自然對流發(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生的自然上升力和下降力，導致了流體中的自然對流和熱交換。在中小容量電器中，一般都采用自然對流散熱。本節(jié)只分析導體和線圈的穩(wěn)定溫升分布。二、熱對流：§1-347§1-3電器的熱傳遞形式核裂變熱量->加熱水->蒸汽->汽輪機->電力危急冷卻系統(tǒng)：為了應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后，安全注射系統(tǒng)向反應堆內注射高壓含硼水，噴淋系統(tǒng)向安全殼噴水和化學藥劑。便可緩解事故后果，限制事故蔓延?！?-3電器的熱傳遞形式核裂變熱量->加熱水->蒸汽-48強迫對流是在外界因素強迫作用下形成的，例如用氣流或液流進行強吹和強冷，這在某些強電流電器或高頻電器中采用。強迫對流是在外界因素強迫作用下形成的，例如用氣流或液流進行強49

熱對流形式

①層流：

粒子運動速度較低，運動平穩(wěn)，平行分層運動。②紊流：

粒于運動速度高，形成旋渦式的紊亂運動。發(fā)熱體附近流體介質的對流熱對流形式發(fā)熱體附近流體介質的對流50§1-3電器的熱傳遞形式2、熱對流時，散熱能力主要決定于邊界層，因為此處溫度變化最大。熱量傳遞隨流體性質而異，直接影響此過程的因素有：熱導率、比熱容、密度和粘滯系數。對流形式熱交換可按以下經驗公式計算：式中dQ:在dt時間內以對流形式散出的熱量：發(fā)熱體和周圍的介質溫度A：散熱面的面積；：對流散熱系數一般由實驗方式確定?！?-3電器的熱傳遞形式2、熱對流時，散熱能力主要決定513、單位體積流體介質由對流而散失的功率：式中，c、γ、v：分別為流體的比熱容、密度、速度。

§1-3電器的熱傳遞形式3、單位體積流體介質由對流而散失的功率：式中，c、γ、v：分524、實際電器的發(fā)熱用分析方法計算對流散熱往往比較困難。這時可根據相似理論，通過模型試驗，求出散熱系數。例如：自然散熱對流可用下列公式計算：§1-3電器的熱傳遞形式式中：發(fā)熱體表和流體介質溫度A：散熱面的面積；：對流散熱系數，一般由實驗方式確定。4、實際電器的發(fā)熱用分析方法計算對流散熱往往比較困難。§153例如：空氣中垂直安放的平板形導體，對流系數為：§1-3電器的熱傳遞形式例如：空氣中水平安放的平板形導體，發(fā)熱面向上，對流系數為：例如：變壓器油中垂直安放的平板導體，對流系數為：變壓器油中垂直安放的平板導體，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也不同，下面的大，上面的小。例如：空氣中垂直安放的平板形導體，對流系數為：§1-354三、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電器的熱傳遞形式三、熱輻射：§1-3電器的熱傳遞形式552、熱輻射的方式：熱能（發(fā)熱）→（轉變?yōu)椋椛淠埽▽嵸|是一種電磁波）→（轉變?yōu)椋鸁崮埽ū晃眨?、熱輻射時，單位面積上的熱發(fā)射功率φfs計算：

θ：發(fā)熱體表面熱力學溫度，K；θ0：受熱體的絕對溫度，K。

式中：發(fā)射率，見表1-5；§1-3電器的熱傳遞形式

結論：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?？紤]的方式是：熱傳導和熱對流。

對于電弧而言，輻射功率不能忽視。2、熱輻射的方式：§1-3電器的熱傳遞形式結論：由56電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布電器在經受短路電流通過時應有一定的熱穩(wěn)定性。三、電器極限允許溫升§1-2電器的熱源自然銅及氧化銅的儲量少，現在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的，這種礦石含銅量極低，一般在2-3%左右?！盁岱€(wěn)定電流”定義：在規(guī)定的使用和性能條件下，開關電器在指定短時間內、于閉合位置上所能承受的電流。強迫對流是在外界因素強迫作用下形成的，例如用氣流或液流進行強吹和強冷，這在某些強電流電器或高頻電器中采用。t：工作周期，t＝t1+t2。KTAτdt—在dt時間內電器的總散熱量，四、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升4平方毫米銅電源線的安全載流量－－35A。式中div：向量，矢量；為了規(guī)范判別，應該把任意環(huán)境溫度下的電池容量折算為25℃時的容量，計算公式為：表征溫度上升和下降快慢的是熱時間常數，熱時間常數與發(fā)熱體的質量和比熱成正比，與散熱系數和散熱面積成反比。式中，τwf：反復短時工作制通電時間下的穩(wěn)定溫升；在一定的溫度范圍內，電池液的化學性質才是活潑的！§1-3電器的熱傳遞形式本節(jié)只分析導體和線圈的穩(wěn)定溫升分布。由于功率只有1/8w、1/4w、1/2、1、2.推論2：由切線與τ＝τw的交點作一垂線與曲線2相交，該交點對應的溫升τ＝0.電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布574、絕對黑體、絕對白體與灰色體：

①“絕對黑體”：對輻射波全吸收、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，發(fā)射率=1；②“絕對白體”：對輻射波全反射、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，發(fā)射率=1，而放射能力＝０

③“灰色體”：相對處于中間狀態(tài)的物體?！?-3電器的熱傳遞形式4、絕對黑體、絕對白體與灰色體：§1-3電器的熱傳遞58

5、熱輻射的特點（1）輻射換熱不依賴物體的接觸而進行熱量傳遞;（2）輻射換熱過程伴隨著能量形式的兩次轉化；（3）一切物體只要其溫度T＞0K，都會不斷地發(fā)射熱射線。（4）物體吸收率α：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為該物體的吸收率?！?-3電器的熱傳遞形式5、熱輻射的特點§1-3電器的熱傳遞形式59（5）物體反射率ρ：

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。絕對黑體的反射率為0，純白物體的反射率為1，實際物體的反射率介于0與1之間。（6）物體透射率τ：

透射是入射光經過折射穿過物體后的出射現象。被透射的物體為透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等?！?-3電器的熱傳遞形式§1-3電器的熱傳遞形式60牛頓公式

電器表面穩(wěn)定溫升與工作制有關。計算電器表面穩(wěn)定溫升時，一般是將三種散熱方式合在一起，用牛頓熱計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，＝θ-θ0，θ和θ0是發(fā)熱體溫度和周圍環(huán)境溫度。

KT：導體表面綜合散熱系數，實驗數據參見表1-6，單位w/m2·℃?！?-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法牛頓公式§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法61§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法62§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法

綜合散熱系數，包含了所有的散熱形式，因而各種具體條件對KT數值的影響極大，而KT的實驗數據往往又是在特定條件下得到的，這就要求在選用時必須鎮(zhèn)重對待。

其次，對于有效散熱面的選取，也必須跟據不同的具體對象，對散熱情況進行分析后確定?！?-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法綜63§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法根據相似理論求得導體的綜合散熱系數數值計算公式如下：θ和θ0

：是發(fā)熱體表面和流體介質的溫度，單位K;l0：導體單位長度，單位m;

：發(fā)射率，無量鋼量。§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法根據相似理論求得導體的64§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法對于電器中的線圈，綜合散熱系數公式為：當散熱面積為A=(1~100)×10-4m2時，

當散熱面積為A=(0.01~0.05)m2時，式中θ、θ0的單位為℃；A的單位為m2。

§1-4電器表面穩(wěn)定溫升計算方法對于電器中的線65國標規(guī)定電器有四種工作制：長期工作制間斷長期工作制短時工作制反復短時工作制§1-5不同工作制下電器的熱計算國標規(guī)定電器有四種工作制：§1-5不同工作制下電器的66§1-5不同工作制下電器的熱計算

一、長期工作制：電器工作于長期工作制時，其工作時間常數大于8h,有的連續(xù)工作幾天，甚至幾個月。實際上電器達到穩(wěn)定溫度的時間往往不需要8h或更長時間。電器通電產生的功率損耗一部分散失到周圍介質中去，一部分加熱電器使其溫度升高。根據熱平衡原理，電器的發(fā)熱等于散熱加吸熱(用于電器升溫)，即Pdt—在dt時間內電器的總發(fā)熱量，KTAτdt—在dt時間內電器的總散熱量，cmdτ—在dt時間內電器溫度升高dτ所吸收的熱量c—比熱容，m—發(fā)熱體質量§1-5不同工作制下電器的熱計算一、長期工作制：Pd67分析發(fā)熱：當在t=0，τ=τ0；t=∞，τ=τw=P/KT·A時的條件下，溫升發(fā)熱計算公式為：發(fā)熱曲線如下：式中，T：電器熱時間常數T=cm/（KTA）；τ0：起始溫升；τw：穩(wěn)定溫升?！?-5不同工作制下電器的熱計算分析發(fā)熱：當在t=0，τ=τ0；t=∞，τ=τw=P/KT68特別地，當t=0，τ＝0時，有：上式解答表明：電器通電以后，其溫升隨時間按指數規(guī)律增長，當圖t=4T時,τ=0.98τw，接近于穩(wěn)定溫升；當圖t=T時,τ=0.632τw；發(fā)熱曲線如下：

§1-5不同工作制下電器的熱計算特別地，當t=0，τ＝0時，有：69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τ

達到τ

w所需的時間恰好為T。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)，則熱平衡關系變?yōu)榉e分后§1-5不同工作制下電器的熱計算上式表明：電器在絕緣條件下的溫升曲線為一條直線（如圖70

求證：在絕緣條件下，當τ=τw時，通電時間t=T（T是電器的熱時間常數）？證明：絕熱(無熱量散失)條件下計算式：積分后，上式表明，電器在絕熱情況下溫升隨時間的增長為一直線，由牛頓公式，得代入上式，得：去掉公約數τw，有§1-5不同工作制下電器的熱計算求證：在絕緣條件下，當τ=τw時，通電時間t=71圖1-10電器發(fā)熱和冷卻過程曲線（三條發(fā)熱、一條冷卻3）?！?-5不同工作制下電器的熱計算圖1-10§1-5不同工作制下電器的熱計算72推論1：作圖法求熱時間常數的方法：從t=0，τ=0的發(fā)熱曲線起始點作一條切線與τ＝τw直線相交，則交點對應的時間即為熱時間常數T。

推論2：由切線與τ＝τw的交點作一垂線與曲線2相交，該交點對應的溫升τ＝0.632τw；§1-5不同工作制下電器的熱計算推論1：作圖法求熱時間常數的方法：從t=0，τ=73推論3：熱時間常數T的物理意義：是電器在絕熱條件下溫升達到τw所需的時間，它代表電器的熱慣性。電器的比熱容C和質量m越大，散熱系數KT和散熱面積A越小時，T值越大。

電器這種溫升不能隨時間瞬時變化的現象稱為電器的熱慣性，而代表熱慣性大小的主要參量就是熱時間常數，它是研究電器動態(tài)熱過程的重要物理量?！?-5不同工作制下電器的熱計算推論3：熱時間常數T的物理意義：是電器在絕熱條件下溫74分析電器的冷卻過程：（1）Pdt=0時：，解得：。與成鏡像關系（兩者以水平線為鏡面對稱）。

§1-5不同工作制下電器的熱計算分析電器的冷卻過程：§1-5不同工作制下電器的熱計算75§1-5不同工作制下電器的熱計算根據以上電器發(fā)熱和冷卻過程的理論分析，當通電或斷電時間超過4倍熱時間常數以后，電器的熱過程已基本達到穩(wěn)定，溫升趨于常數。因此，在電器發(fā)熱計算時，只要是通電(或斷電)時間超過4T，即可按長期工作制考慮，一而不必要求工作時間大于8h。（P35思考題3發(fā)熱時間常數與冷卻時間常數相等？）§1-5不同工作制下電器的熱計算根76電器的工作制有長期工作制、間斷長期工作制、反復短時工作制和短時工作制四種。當圖t=T時,τ=0.§1-3電器的熱傳遞形式在絕緣的液體和固體中，質點間的能量傳遞是通過彈性波進行的。第一章電器導體的發(fā)熱計算3、電器超過極限允許溫升會產生哪些危害？電器主觸頭溫度限制在200℃以內τwd：對應短時工作功率Pd下的電器穩(wěn)定溫升；圖2-1金屬材料機械強度與溫度的關系被透射的物體為透明體或半透明體，如玻璃，濾色片等。3、圖1-11短時工作熱計算曲線圖，t是通電總時間?！?-1電器的允許溫升當圖t=T時,τ=0.正品的電阻上都標有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質同體積的功率都一樣。結論：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?？紤]的方式是：熱傳導和熱對流。軟化點不僅與材料種類有關，還是加熱時間的函數，加熱時間越短，材料到達軟化點的溫度越高。（2）電流反向：相鄰側感應的反電勢小些，故電流密度大些，圖1-5。由于功率只有1/8w、1/4w、1/2、1、2.Pdt—在dt時間內電器的總發(fā)熱量，環(huán)境溫度對電動車電池容量的影響長期工作制下，電器發(fā)熱達到穩(wěn)定（吸熱量為零）后，計算公式與計算電器表面穩(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算電器的工作制有長期工作制、間斷長期工作制、反復短時工作制和短77二、短時工作制：

1、一次通電時間短于4T(熱時間常數)；

2、因電器溫升達不到穩(wěn)定溫升τw，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、實際）溫升值與長期工作制下的穩(wěn)定溫升相等。

§1-5不同工作制下電器的熱計算二、短時工作制：§1-5不同工作制下電器的78

3、圖1-11短時工作熱計算曲線圖，t是通電總時間。§1-5不同工作制下電器的熱計算3、圖1-11短時工作熱計算曲線圖，t是通電總時間794、公式：式中:

τd：對應短時工作制通電時間t末時的短時溫升（t≤4T）；

τwd：對應短時工作功率Pd下的電器穩(wěn)定溫升；

τwc：對應長期工作制下Pc下的穩(wěn)定溫升?！?-5不同工作制下電器的熱計算4、公式：§1-5不同工作制下電器的熱計算805、功率過載系數：電流過載系數：（t?T）§1-5不同工作制下電器的熱計算5、功率過載系數：81三、反復短時工作制：

1、電器通電和斷電交替進行，通電和斷電的時間短于4T；2、圖1-12反復短時工作下的溫升曲線。圖中，t1：通電時間；t2：斷電時間，t1+t2＝t，稱為工作周期。

§1-5不同工作制下電器的熱計算三、反復短時工作制：§1-5不同工作制下電器82反復短時工作制升溫過程2§1-5不同工作制下電器的熱計算反復短時工作制升溫過程2§1-5不同工作制下電器的熱83

3、第k個周期，（1）t1時間內電器發(fā)熱溫升為：

式中，τwf：反復短時工作制通電時間下的穩(wěn)定溫升；（2）t2時間（冷卻）＝，

、的計算公式推導參見賀湘琰老師的《電器學》?！?-5不同工作制下電器的熱計算3、第k個周期，§1-5不同工作制下電器的熱計844、功率過載系數PP和電流過載系數Pi：

§1-5不同工作制下電器的熱計算4、功率過載系數PP和電流過載系數Pi：§1-855、通電持續(xù)率TD%:

在電器標準中常用通電持續(xù)率TD%反映反復工作制的繁重程度。值越大，工作時間越長，任務越繁重。計算公式為

式中t1：通電時間；t：工作周期，t＝t1+t2?！?-5不同工作制下電器的熱計算5、通電持續(xù)率TD%:§1-5不同工作制下電器的熱計866、功率過載系數PP、電流過載系數Pi和通電持續(xù)率TD%的關系：§1-5不同工作制下電器的熱計算6、功率過載系數PP、電流過載系數Pi和通電持續(xù)率TD%的關87電器中典型的發(fā)熱部件有導體(包括均勻截面和變截面裸導體，外包絕緣層的導體），觸頭和線圈(包括空心線圈或帶有鐵心的線圈)等。本節(jié)只分析導體和線圈的穩(wěn)定溫升分布?！?-6電器典型部件的穩(wěn)定溫升分布電器中典型的發(fā)熱部件有導體(包括均勻截面和變截面裸導88一、外包絕緣層的圓截面導體§1-6電器典型部件的穩(wěn)定溫升分布1、溫升分布導體徑向和軸向溫度基本相等；

絕緣層由于熱導率很小，因此造成了很大的溫度降落，使得導體絕緣層外的溫度低于絕緣層內溫度很多。一、外包絕緣層的圓截面導體§1-6電器典型部件的穩(wěn)定89根據傅里葉熱傳導定律，可以導出"熱阻”的概念，利用熱阻概念分析外包絕緣導體這類熱計算問題有很大的方便，這就是“場”問題“路”化的思想。設有熱量P通過厚為Δl截面積為A的平板向外傳導，板的熱導率為λ，板兩端的溫差為Δτ=τ1-τ2，由傅里葉定律式中RT——熱阻，根據傅里葉熱傳導定律，可以導出"熱阻”的概90用式(1-45)進行外包絕緣導體的溫升計算，對于已知的熱量P，只要求出熱阻RT便可算出絕緣層中的溫差。因絕緣層外導體的溫升可用牛頓公式計算，如果求出Δτ，則絕緣層內導體的溫升即可決定。用式(1-45)進行外包絕緣導體的溫升計算，對于已知91單位長度導體絕緣層的熱阻為所以根據傅里葉定律，可得：單位長度導體絕緣層的熱阻為92例題：矩形截面100x10mm2銅母排每厘米長的損耗為2.5W/cm,母線外包絕緣厚度為1mm，其熱導率λ=1.14W/(m.℃)，求每厘米的絕緣層的溫度降。解：每厘米長的總散熱面積為：絕緣層的熱阻為：（℃

/W）每厘米長的絕緣層的溫度降為：（℃

/cm）例題：矩形截面100x10mm2銅母排每厘米長的損耗為2.593二、空心線圈溫升分布空心線圈內部溫升分布必然是：線圈內、外表面的溫升較低，內部某一處的溫升最高。二、空心線圈溫升分布空心線圈內部溫升分布必然是：線圈內、外表94一、電器的熱穩(wěn)定性：

1、“電器的熱穩(wěn)定性”定義：電力網發(fā)生短路時，在一定時間內電器承受短路電流的熱作用而不損壞的能力。

2、特點：時間短、允許溫度高。

3、校核手段：短路電流下導體的熱計算。

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)時間”(簡稱“允通能量”)表示，即?！?-7短路電流下的熱計算和電器的熱穩(wěn)定性一、電器的熱穩(wěn)定性：§1-7短路電流下的熱95電阻（器）的瓦數，就是他最大散熱功率。他的材質固定后，最高工作溫度就固定了。在常溫下他的表面積決定了它的散熱功率。因此相同材質的電阻只有屈指可數的幾種，只要根據他的體積大小就可以知道。電阻（器）的瓦數，就是他最大散熱功率。他的材質固定后，最高工96正品的電阻上都標有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質同體積的功率都一樣。由于功率只有1/8w、1/4w、1/2、1、2.....數目不多的幾種規(guī)格，他們的體積區(qū)別有很大，所以上述方法不會產生錯誤。不要試圖測量電阻的功率！正品的電阻上都標有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質同體97二、熱穩(wěn)定電流：

1.“熱穩(wěn)定電流”定義：在規(guī)定的使用和性能條件下，開關電器在指定短時間內、于閉合位置上所能承受的電流。

2.表示方式：熱穩(wěn)定電流一般有：1s、5s和10s熱穩(wěn)定電流，記為I1、I5和I10。根據熱效應相等的原則，可將不同時間的熱穩(wěn)定電流加以換算。

三種電流之間存在如下關系：

二、熱穩(wěn)定電流：98三、實際情況：

因比熱容和短路過渡電流分別隨溫度和時間變化，故選用電器并作導體熱穩(wěn)定校驗時，可用熱效應不變原則將短路變化電流下的熱效應換算成穩(wěn)定電流下的熱效應：

式中，短路電流等效時間，：周期分量；：非周期分量。

三、實際情況：99小結電器在工作時由于有電流通過導體而產生電阻損耗;對于交流電器由于考慮導體的集膚效應和鄰近效應，在導磁體中除電阻損耗外還有磁滯和渦流損耗;對于高壓交流電器還要考慮介質損耗。所有這些損耗幾乎全變?yōu)闊?，一部分散失到周圍介質中去，一部分加熱電器，使它的溫度升高。電器的零部件溫升過高，會導致機械強度降低和絕緣損壞，因此標準中對不同工作制下電器各零部件的極限允許溫升有明確規(guī)定。

小結電器在工作時由于有電流通過導體而產生電阻損耗;100電器的散熱有傳導、對流和輻射三種方式，可以用一個綜合的散熱系數來考慮，這就是牛頓公式。計算電器溫升的基本方程是熱平衡方程，其中包含發(fā)熱、散熱和吸熱三項。在穩(wěn)定狀態(tài)下吸熱項為零，短時發(fā)熱時可不考慮散熱項。電器的工作制有長期工作制、間斷長期工作制、反復短時工作制和短時工作制四種。電器加熱和冷卻對應的溫度上升和下降的過程是指數曲線。表征溫度上升和下降快慢的是熱時間常數，熱時間常數與發(fā)熱體的質量和比熱成正比，與散熱系數和散熱面積成反比。電器的散熱有傳導、對流和輻射三種方式，可101當電器的通電時間超過4倍熱時間常數以后，溫升已基本穩(wěn)定，即可按長期工作制處理，此時可用牛頓公式和傅里葉定律計算溫升。若電器短時通電或反復短時通電和斷電的時間小于4倍熱時間常數，即可視為短時工作制或反復短時工作制，在這兩種工作制下電器有一定的過載能力。電器在經受短路電流通過時應有一定的熱穩(wěn)定性。在此情況下，電器的極限允許溫升一可以高一些。當電器的通電時間超過4倍熱時間常數以后，1021、電器的發(fā)熱原因及散熱方式？2、思考題與習題：2-6、2-93、電器超過極限允許溫升會產生哪些危害？4、開關柜中垂直安放的鋁母線尺寸為80*6mm2,表面涂漆在85℃時的散熱系數KT為12.5W/(m2.

℃)，電阻率，求該鋁母線最大長期允許直流電流。作業(yè)

1、電器的發(fā)熱原因及散熱方式？作業(yè)103第一章電器導體的發(fā)熱計算本章

結束第一章電器導體的發(fā)熱計算本章104電器的允許溫升1234電器表面的溫升計算公式電器中的熱源電器中的熱傳遞形式第一章電器導體的發(fā)熱計算765各種工作制形式下的電器熱計算電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性基本內容電器的允許溫升1234電器表面的溫105§1-1電器的允許溫升主要內容：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、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升§1-1電器的允許溫升主要內容：1063、單位體積流體介質由對流而散失的功率：式中，c、γ、v：分別為流體的比熱容、密度、速度。

§1-3電器的熱傳遞形式3、單位體積流體介質由對流而散失的功率：式中，c、γ、v：分1074、絕對黑體、絕對白體與灰色體：

①“絕對黑體”：對輻射波全吸收、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，發(fā)射率=1；②“絕對白體”：對輻射波全反射、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，發(fā)射率=1，而放射能力＝０

③“灰色體”：相對處于中間狀態(tài)的物體。§1-3電器的熱傳遞形式4、絕對黑體、絕對白體與灰色體：§1-3電器的熱傳遞108推論1：作圖法求熱時間常數的方法：從t=0，τ=0的發(fā)熱曲線起始點作一條切線與τ＝τw直線相交，則交點對應的時間即為熱時間常數T。

推論2：由切線與τ＝τw的交點作一垂線與曲線2相交，該交點對應的溫升τ＝0.632τw；§1-5不同工作制下電器的熱計算推論1：作圖法求熱時間常數的方法：從t=0，τ=109推論3：熱時間常數T的物理意義：是電器在絕熱條件下溫升達到τw所需的時間，它代表電器的熱慣性。電器的比熱容C和質量m越大，散熱系數KT和散熱面積A越小時，T值越大。

電器這種溫升不能隨時間瞬時變化的現象稱為電器的熱慣性，而代表熱慣性大小的主要參量就是熱時間常數，它是研究電器動態(tài)熱過程的重要物理量?！?-5不同工作制下電器的熱計算推論3：熱時間常數T的物理意義：是電器在絕熱條件下溫110§1-5不同工作制下電器的熱計算根據以上電器發(fā)熱和冷卻過程的理論分析，當通電或斷電時間超過4倍熱時間常數以后，電器的熱過程已基本達到穩(wěn)定，溫升趨于常數。因此，在電器發(fā)熱計算時，只要是通電(或斷電)時間超過4T，即可按長期工作制考慮，一而不必要求工作時間大于8h。（P35思考題3發(fā)熱時間常數與冷卻時間常數相等？）§1-5不同工作制下電器的熱計算根111正品的電阻上都標有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質同體積的功率都一樣。由于功率只有1/8w、1/4w、1/2、1、2.....數目不多的幾種規(guī)格，他們的體積區(qū)別有很大，所以上述方法不會產生錯誤。不要試圖測量電阻的功率！正品的電阻上都標有額定功率，用它的體積作參考，其余同材質同體112電器導體的發(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？在何種條件下，電器將達到其穩(wěn)態(tài)溫升？4.舉例說明可能引起電器發(fā)熱的主要熱源。5.集膚效應與鄰近效應的實質是什么?交流電阻為什么比直流電阻要大?6.在中高頻應用領域中，如果電流較大，通常采用多股導線，而不是單股同截面導線。請解釋其原因。

7.扁平的母線和同樣截面的圓導線，哪種載流量大？為什么？思考題電器導體的發(fā)熱1.何為電器發(fā)熱的允許溫升？思考題113電器的允許溫升1234電器表面的溫升計算公式電器中的熱源電器中的熱傳遞形式第一章電器導體的發(fā)熱計算765各種工作制形式下的電器熱計算電器典型部件穩(wěn)定溫升的分布短路電流下的電器熱計算和熱穩(wěn)定性基本內容電器的允許溫升1234電器表面的溫114§1-1電器的允許溫升主要內容：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、我國標準規(guī)定的電氣絕緣材料的極限溫升§1-1電器的允許溫升主要內容：1151、三種損耗：導體（銅）的阻抗損耗交變電磁場在導磁體（鐵）中產生的磁滯與渦流損耗絕緣材料的介質損耗。§1-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響

加熱電器散失到周圍介質中損耗1、三種損耗：§1-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響1162、

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一定極限值時，其機械強度和絕緣強度將明顯降低。

電器的性能指標降低；→電器的使用壽命降低；→嚴重時，燒毀電器?！娖鞯牧悴考牧侠匣?；2、電器發(fā)熱的危害→→電器的零部件溫度升高電器中的金屬1171)金屬材料當金屬材料的溫度θ高達一定數值以后，其機械強度σ會顯著降低。軟化點:機械強度開始顯著下降時的溫度稱為材料的軟化點。軟化點不僅與材料種類有關，還是加熱時間的函數，加熱時間越短，材料到達軟化點的溫度越高。以銅為例：長期發(fā)熱時的軟化溫度為100~200℃；短時發(fā)熱時的軟化溫度為300℃1)金屬材料軟化點:機械強度開始顯著下降時的溫度稱為材料1180100200300400500600608010012040金屬材料機械強度與溫度的關系長期加熱短時加熱010020030040050060060801001204119不同金屬材料的機械特性σ隨溫度θ變化不盡相同。O100200300400500600608010012040圖2-1金屬材料機械強度與溫度的關系硬拉鋁青銅鋼電解銅銅不同金屬材料的機械特性σ隨溫度θ變化不盡相同。O1002001202)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，當絕緣材料的溫度超過一定極限后，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系O204060801001201401602550751001252)絕緣材料圖1-2瓷的擊穿電壓與溫度的關系O20401213)觸頭材料除考慮機械強度外，還要考慮氧化和其他問題—---電接觸。HOMEHOME1223、結論：發(fā)熱計算研究意義重大：發(fā)熱計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)熱計算在電氣設計中對于縮小體積、減輕重量、節(jié)約原材料、延長使用壽命等方面意義重大?！?-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響

3、結論：§1-1電器的允許溫升一、三種損耗及其影響123一般銅線安全計算方法是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來取肯定安全。如果銅線電流大于120A，按每平方毫米5A來取?！?-1電器的允許溫升一般銅線安全計算方法是§1-1電器的允許溫升124銅的自然屬性銅是人類最早發(fā)現的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開始使用銅。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量少，現在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的，這種礦石含銅量極低，一般在2-3%左右。金屬銅，元素符號CU，原子量63.54,比重8.92，熔點1083Co。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有許多可貴的物理化學特性，例如其熱導率都很高，化學穩(wěn)定性強，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細的銅絲，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：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。銅的自然屬性125電動機銅線改鋁線時，電機功率會降低，因為相同線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。電動機銅線改鋁線時，電機功率會降低，因為相同線徑的鋁線比銅線126鋁具有特殊的化學、物理特性，是當今最常用的工業(yè)金屬之一，不僅重量輕，質地堅，而且具有良好的延展性、導電性、導熱性、耐熱性和耐核輻射性，是國民經濟發(fā)展的重要基礎原材料。鋁元素在地殼中的含量僅次于氧和硅，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，為第二大類金屬。鋁具有特殊的化學、物理特性，是當今最常用127二、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-周圍環(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-周圍環(huán)境溫度

我國標準規(guī)定周圍空氣的溫度范圍為±40℃§1-1電器的允許溫升二、電器溫升和極限允許溫升：§1-1電器的允許溫升128粒于運動速度高，形成旋渦式的紊亂運動。I：流過鋼導體的電流，0085(5-25)}§1-2電器的熱源何為電器發(fā)熱的允許溫升？強迫對流是在外界因素強迫作用下形成的，例如用氣流或液流進行強吹和強冷，這在某些強電流電器或高頻電器中采用。（1）電流同向：相鄰側感應的反電勢大些，故電流密度小些；3、單位體積流體介質由對流而散失的功率：電器的使用壽命降低；§1-3電器的熱傳遞形式4、溫升計算：溫度決定電器各部件工作性能，但是考核電器質量時以溫升作為指標。§1-3電器的熱傳遞形式自然對流：流體質點因溫度升高而上升形成的對流；固定接觸連接部分的發(fā)熱不應超過其它部分載流導體的發(fā)熱1、電器中裸導體的極限允許溫升應小于材料軟化點電器的允許溫升4、絕對黑體、絕對白體與灰色體：集膚效應的大小用電磁波在導體中的滲入深度b表示0085(5-25)}一般銅線安全計算方法是3、電器極限允許溫升制定依據：保證電器的絕緣不致因溫度過高而損壞不致因溫度過高使工作壽命過分降低導體和結構部分不致因溫度過高而降低其力學性能，還要保證點接觸性能可靠§1-1電器