導體載流量和運行溫度計算

第三章常用計算的

基本理論和方法第一節(jié)導體載流量和運行溫度計算教學內容本節(jié)教學內容一、概述二、導體的發(fā)熱和散熱三、導體載流量的計算首頁一.概述一、概述

1）當電流通過導體時，在導體電阻中所產生的電阻損耗。2）絕緣材料在電壓作用下所產生的介質損耗。3）導體周圍的金屬構件，特別是鐵磁物質，在電磁場作用下，產生的渦流和磁滯損耗。（1）長期發(fā)熱：導體和電器中長期通過正常工作電流所引起的發(fā)熱。（2）短時發(fā)熱：由短路電流通過導體和電器時引起的發(fā)熱。

發(fā)熱的分類

第一節(jié)導體載流量和運行溫度計算

一.概述發(fā)熱對電器設備的影響

（1）機械強度下降高溫會使金屬材料退火軟化，機械強度下降。

（2）接觸電阻增加高溫將造成導體接觸連接處表面氧化，使接觸電阻增加，溫度進一步升高，產生惡性循環(huán)，可能導致連接處松動或燒熔。（3）絕緣性能降低有機絕緣材料（如電纜紙、橡膠等）長期受高溫的作用，將逐漸變脆和老化，使用年限縮短，甚至碳化而燒壞。一.概述

為了保證導體在長期發(fā)熱和短時發(fā)熱作用下能可靠、安全地工作，應使其發(fā)熱的最高溫度不超過導體的長期發(fā)熱和短時發(fā)熱最高允許溫度。

（1）導體的長期發(fā)熱最高允許溫度不應超過+70℃，在計及日照影響時，鋼心鋁線及管形導體可按不超過+80℃考慮。當導體接觸面處有鍍（搪）錫的可靠覆蓋層時，可提高到+85℃。

（2）導體的短時最高允許溫度，對硬鋁及鋁錳合金可取+200℃，硬銅可取+300℃。一.概述（3）影響長期發(fā)熱最高允許溫度的因素主要是保證導體接觸部分可靠地工作。發(fā)生短路故障時，除了引起發(fā)熱外，還會產生很大的電動力，造成導體變形或損壞。（4）影響短時發(fā)熱最高允許溫度的因素主要是機械強度和帶絕緣導體的絕緣耐熱度（如電纜），機械強度的下降還與發(fā)熱持續(xù)時間有關，發(fā)熱時間越短，引起機械強度下降的溫度就越高，故短時發(fā)熱最高允許溫度遠高于長期發(fā)熱最高允許溫度。二.導體的發(fā)熱和散熱二、導體發(fā)熱和散熱的計算

導體的發(fā)熱計算,是根據能量守恒原理,即導體產生的熱量與耗散的熱量應相等來進行計算的。在穩(wěn)定狀態(tài)時,導體電阻損耗的熱量及吸收太陽熱量之和應等于導體輻射散熱和空氣對流散熱之和(對空氣的導熱可略去不計),即:式中QR–單位長度導體電阻損耗的熱量,W/m;Qt–單位長度導體吸收太陽日照的熱量,W/m;Ql–單位長度導體的對流散熱量,W/m;Qf–單位長度導體向周圍介質輻射散熱量,W/m;二.導體的發(fā)熱和散熱1．導體電阻損耗產生的熱量QR單位長度導體的交流電阻：

單位長度的導體，通過有效值為Iw的交流電流時，由電阻損耗產生的熱量：(W/m)(/m)式中Rac－導體的交流電阻（/m）；－導體溫度為20℃時的直流電阻率（·mm2/m）；t－電阻溫度系數（℃－1）；w－導體的運行溫度（℃）；Kf－集膚系數：S－導體截面積（mm2）。二.導體的發(fā)熱和散熱矩形截面導體的集膚系數曲線示于圖3-1中。圓管形截面導體的集膚系數曲線示于圖3-2中。圖中f為電源頻率，Rdc為1000m長導體的直流電阻。

導體的集膚系數Kf與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關。

常用電工材料的電阻率及溫度系數，列于表3-l。二.導體的發(fā)熱和散熱表3－1電阻率及溫度系數t

二.導體的發(fā)熱和散熱圖3－1矩形導體的集膚系數

導體的集膚系數與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關。矩形截面導體的集膚系數，示于圖3－1。二.導體的發(fā)熱和散熱

圓柱及圓管導體的集膚系數，示于圖3－2。f為電源頻率，Rdc為1000m長導體的直流電阻。圖3－2圓柱及管形導體的集膚系數

二.導體的發(fā)熱和散熱2．導體吸收太陽輻射的熱量Qt

太陽照射（輻射）的熱量也會造成導體溫度升高，安裝在屋外的導體，一般應考慮日照的影響，圓管形導體吸收的太陽日照熱量為：(W/m)式中Et－太陽輻射功率密度，取Et＝1000（W/m2）；At－導體的吸收率，對鋁管取At＝0.6；D－導體的直徑（m）。二.導體的發(fā)熱和散熱3．導體對流散熱量Ql

(W/m)式中l(wèi)－對流換熱系數[W／(m2·℃)]；w－導體溫度(℃)；0－周圍空氣溫度(℃)；Fl－單位長度導體散熱面積（m2/m)。對流換熱所傳遞的熱量，與溫差及換熱面積成正比，即對流換熱量為二.導體的發(fā)熱和散熱對流換熱系數αl的計算

（1）自然對流換熱量的計算屋內空氣自然流動或屋外風速小于0.2m/s，屬于自然對流換熱。此種情況的對流換熱系數取:[W／(m2·℃)]單位長度導體的對流換熱面積Fl是指有效面積，它與導體形狀、尺寸、布置方式和多條導體的間距等因素有關。圖3-3二.導體手的發(fā)仰熱和蛾散熱單條逆矩形微導體質豎放脈時（靠如圖3-設3a所示疑）的羅對流善散熱皇面積轉（單球位為m2/m）為:圓管許形導瞎體(直徑赴為D)，如軌圖5-財3d所示蔽，的汪對流廢換熱計面積若為兩條閱矩形貿導體系豎放醋時（燭如圖3-葬3b所示懂）的律對流厚散熱欄面積測（單歌位為m2/m）為:二.導體述的發(fā)舟熱和煉散熱（2）強脾迫對宮流散擺熱量灑的計笨算屋內狠人工點通風忍或屋言外導那體處燃在風眾速較炸大的敢環(huán)境東時，偏可以陷帶走腐更多首的熱蝴量，復屬于幫強迫亭對流醬換熱參。圓冷管形雙導體累的對趁流散查熱系地數為:式中－空氣撫的導厲熱系犧數，踢當氣購溫為20價℃時，＝2.勤52尋×1盲0－2〔W／（m·戲℃）〕；D－圓管構外徑(m葛)；Nu—努謝紹爾特補準則茫數，蒼這是扶傳熱誰學中粥表示黑對流岸換熱淹強度異的一虎個數屆據于；V－風速(m/梯s)；D－圓管頃外徑(m冒)；－空氣博的運淋動粘漂度系燃數，辨當空熱氣溫恐度為20℃時，＝15喝.7×1蔬0－6（m2/s）。二.導體命的發(fā)絞熱和科散熱風向與導體不垂直的修正系數

當0o<≤24o時，A=0.42，B=0.68，n=1.08；當24o<≤90o時，A=0.42，B=0.58，n=0.9。

將式(3－7)代入式(3－5)，即得強迫對流散熱量Qf為:(W/m)二.導體兇的發(fā)殼熱和欄散熱4．輻切射換語熱量詞的計糠算根據里斯蒂啟芬—玻爾侵茲曼賺定律覽，導乒體向窯周圍增空氣旬輻射繪的熱決量為譽：θW、θ0——導體禽溫度織和周哀圍空顛氣溫秀度（℃）；ε—導體鋪材料傘的輻算射系酒數，孕如表3-副2所示暢；Ff—單位角長度醫(yī)導體局的輻鹿射換筐熱面被積（m2/m）。(W/m)二.導體序的發(fā)倒熱和妖散熱表3－2導體收材料遍的輻園射換辛熱系角數二.導體宋的發(fā)曾熱和燥散熱5.導熱歷散熱侵量Qd固體絡中由門于晶臂格振而動和襖自由教電子磁運動農，使嘴熱量落由高敘溫區(qū)辨?zhèn)髦劣驳蜏叵^(qū)。篩而在跌氣體革中，譜氣體榮分子麥不停哪地運惠動，折高溫炭區(qū)域改的分葬子具練有較徐高的荒速度兔，分當子從稍高溫滑區(qū)運駛動到柿低溫仿區(qū)，顏便將筋熱量流帶至局低溫顆區(qū)，聰這種鬼傳遞巴能量碼的過疊程，繞稱為愚導熱棕。導移熱量Qd為（W）

式中－涌導熱拉系數〔W摸/（m.℃）〕；Fd－導熱勸面積龍（m2）；－物體憑厚度我（m）；1、2－分別叨為高雷溫區(qū)科和低找溫區(qū)暖的溫它度（℃）。三、興導體陡載流暖量的魯計算三.導體紋載流早量的批計算1、導魯體的籃溫升艘過程導體奔的溫分度由恒最初哄溫度嫌開始罰上升昏，經貿過一番段時們間后悉達到牧穩(wěn)定葡溫度曉。導霞體的位升溫團過程然，可疫按熱倘量平丙衡關辣系來倡描述種。導體從散到爆周圍撿介質暖的熱水量，糾為對病流換忍熱量QI與輻奇射換和熱量Qf之和券（一快般導嗎熱量透很小姐可以累忽略熔），脊這是提一種垃復合魯換熱仗。工浙程上粘為了芹便于喪分析胡與計魔算，正常把密輻射格換熱籃量表辜示成每與對快流換掏熱量怒相似戚的計花算形弦式，嫂故用就一個垂總換凳熱系兩數w來包鞠括對細流換熄熱與儲輻射剩換熱午的作附用，艱即三、么導體幅載流優(yōu)量的繭計算在導設體升汁溫的形過程閉中，功導體澡產生母的熱健量（QR），患一部鎮(zhèn)分用有于本傍身溫雪度升槽高所肝需的涉熱量漲（Qc），獲一部聞分散冠失到橫周圍辨介質濁中（QI+Qf）。肆由此蔽可寫罩出熱保量平真衡方濾程式魔如下(W/m)在時濫間dt內，嚇由上君式可工得：(J/m)式中I－流止過導明體的賠電流(A遠)；R－導尋體的亮電阻()；m－導損體的服質量(k鉤g)；c－導辱體的千比熱莊容〔J斧/(醋kg圈·℃勾)〕；w－導抹體的介總換舞熱系話數〔w／(m2·℃獅)〕；F－導經體的鄰換熱帽面積(m扁2/琴m)；w－導秀體的厚溫度(℃掩)；0－周圍抵空氣叨的溫牌度(℃柱)。三、旦導體膽載流繳量的近計算導體破通過券正常徑工作慘電流喂時，慶其溫閥度變基化范野圍不暴大，耐因此幼，電當阻R、比罷熱容C及換回熱系翅數均可宇視為證常數覆。式影（3－13）經號整理法后，舉即得對上礙式進隱行積散分，元當時凍間由0t時，酸溫度針從開共始溫驢度i上升鑼至相武應溫籍度，故解之得：三、初導體簡載流畢量的偽計算設開習始溫狡升為k＝k－0，對應普于時牧間t的溫柳升為＝卸－0，代禮入式（3－14），昨可求予得經過姜很長兇時間謊后t，導體原的溫紙升亦敵趨于室穩(wěn)定礙值s，故穩(wěn)定些溫升稈為三、執(zhí)導體咬載流隙量的球計算式中Tr－導語體的挑發(fā)熱砍時間班常數沉。得出演升溫項過程陷的表飲達式簡為

此式說明，升溫過程是按指數曲線變化，如圖3－5所示。大約經過t＝（3～4）Tr時間，便趨近穩(wěn)定溫升w。令三、臺導體煮載流鑒量的寺計算2.導體畜的載限流量上面吸已推獸導出評，導賣體長猾期通耗過電諸流I時，束穩(wěn)定徒溫升蜓為w＝I2R/F。由保此可洪知：豎導體偉的穩(wěn)塌定溫錄升，輩與電劇流的股平方芽、導啟體材縣料的瞎電阻摟成正濁比，齡而與股總散威熱系債數和饑散熱司面積趁成反小比。根據豬穩(wěn)定姜溫升惑的公餅式，桂可計忽算出某導體之的載羊流量惹。因杜：故導騰體的鉤載流執(zhí)量為談：三、蒜導體插載流略量的彎計算上式扭并未訊考慮胸日照恢的影掙響。鉗對于逐屋外裙導體疊，計鋤及日墳照作取用時握導體設的載級流量賞為:（A）

為了文提高沃導體庫的載屬流量直，宜筑采用拘電阻扭率小測的材謙料，頃如鋁瘦、鋁帖合金踏等。廢導體錦的形令狀，喚在同冬樣截滿面積笨的條拔件下躲，圓辨形導讀體的左表面益積較步小，尋而矩乏形、唇槽形尼的表娘面積鏡則較斑大。脈導體僅布置塌應采