絕緣的耐熱溫度絕緣材料的耐熱溫度

1、電 氣 發(fā) 熱 與 計(jì) 算,主講人：陳磊,主要內(nèi)容,發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的影響； 導(dǎo)體的長時(shí)發(fā)熱與散熱； 導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱與散熱；,第一節(jié) 發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的影響,載流導(dǎo)體運(yùn)行中的工作狀態(tài)載流導(dǎo)體工作中的損耗 電阻損耗 磁滯、渦流損耗 介質(zhì)損耗,發(fā)熱對(duì)導(dǎo)體和電氣的不良影響機(jī)械強(qiáng)度下降絕緣性能降低導(dǎo)體接觸部分性能變壞,電阻損耗,輸電線或電磁線圈的導(dǎo)體本身及連接處都有電阻存在，當(dāng)電流流過時(shí)，就會(huì)電阻損耗，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?P

2、=KfjI2R,交流電阻：電阻系數(shù)與溫度的關(guān)系： —— 時(shí)的電阻系數(shù)；當(dāng),,,Kfj——附加損耗系數(shù)，考慮交變電流集膚效 應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響；集膚效應(yīng) 鄰近效應(yīng),,集 膚 效 應(yīng),當(dāng)交變電流流過導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線周圍變化的磁場也要在導(dǎo)線中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使沿導(dǎo)線截

3、面的電流分布不均勻。尤其當(dāng)頻率較高時(shí)，此電流幾乎是在導(dǎo)線表面附近的一薄層中流動(dòng)，這就是所謂的集膚效應(yīng)現(xiàn)象。,鄰近效應(yīng),相鄰導(dǎo)線流過高頻電流時(shí),由于電磁作用使電流偏向?qū)Ь€一側(cè)分布的特性,稱為鄰近效應(yīng)。 若兩根導(dǎo)線流過的電流方向相反，則相鄰近的一側(cè)電流密度比較大； 若兩根導(dǎo)線流過的電流方向相同，則相鄰的一側(cè)電流密度較小，相反的一側(cè)電流密度較大。,,磁滯損耗,基本磁滯回線

4、 Br—— 剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度； HC—— 矯頑力 這種B的變化滯 后于H變化的現(xiàn)象 稱為磁滯現(xiàn)象。,鐵磁質(zhì)物質(zhì)內(nèi)的磁感強(qiáng)度,外磁場強(qiáng)度,渦流損耗,減小渦流的方法,鐵 損,交變磁通在鐵心

5、中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗的和稱為鐵磁損耗，簡稱為鐵損。,,介質(zhì)損耗,電 介 質(zhì)—— 電氣絕緣材料； 介質(zhì)損耗—— 交流電場中的電介質(zhì)特性； 電導(dǎo)損耗+極化損耗； 電導(dǎo)損耗—— 由泄漏電流形成； 極化損耗—— 電介質(zhì)中的帶電粒子由于不 斷、反復(fù)的極化消耗的電能所 轉(zhuǎn)化成的熱能。,,金屬材料機(jī)械強(qiáng)度與溫度的關(guān)系,,絕緣性能降低,絕緣材料的耐熱溫

6、度； 絕緣材料的壽命周期； 絕緣材料的允許溫度；,絕緣的耐熱溫度,絕緣材料的耐熱溫度： 該類材料所能承受而不致引起其機(jī)械特性、電氣特性和熱性能降低的最高工作溫度，也稱極限溫度。 按我國標(biāo)準(zhǔn)將絕緣材料按耐熱溫度分為七級(jí)，在該溫度下能工作20000h而不致?lián)p壞。,各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度,,絕緣材料壽命期,,最高允許溫度,最高允許溫度： 是用一定方法測定的電器元件的最熱溫度，在此溫度下

7、，整個(gè)電器能保持連續(xù)工作；允許溫度小于耐熱溫度；分為正常最高允許溫度和短路最高允許溫度，后者較高；電氣設(shè)備的允許溫度要考慮到它的最薄弱環(huán)節(jié)；短路最高允許溫度通常用來校驗(yàn)設(shè)備的熱穩(wěn)定性。,,導(dǎo)體接觸部分性能變壞,發(fā)熱使導(dǎo)體接觸面氧化，生成氧化層薄膜，接觸 電阻增大，增大的速度隨溫度的升高而成倍增長；使彈簧的彈力元件退火，壓力降低，接觸電阻增加；可能導(dǎo)致局部過熱火災(zāi)。,接觸電阻,產(chǎn)生接觸電阻的原因： 1、 切面（

8、接觸面）表面的凹凸不平，金屬實(shí)際接觸面積減小，使電流線在接觸面附近發(fā)生嚴(yán)重收縮現(xiàn)象； 2、 接觸面在空氣中可能迅速形成一層薄膜附著于表面，使電阻增大。,接觸電阻的組成,接觸電阻RJ由兩部分組成：（1）收 縮 電 阻——RS；（2）表面膜電阻 ——Rb；RJ= RS+Rb,接觸的類型,固定接觸：用緊固件壓緊的電接觸。工作過程中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？煞纸佑|：在工作中可以分開的接觸，又稱觸頭?；瑒?dòng)及滾動(dòng)接觸：在工作中，觸頭間可以互相滑動(dòng)或

9、滾動(dòng)，但不能分?jǐn)嚯娐贰?收縮電阻,整個(gè)接觸面的收縮電阻為： 各個(gè)接觸點(diǎn)收縮電阻的并聯(lián)值； ——與材料形變情況有關(guān)的量； ——材料的布氏硬度，N/m3； ——加于二導(dǎo)體的機(jī)械壓力，N； ——接觸點(diǎn)的數(shù)目。,膜 電 阻,在電接觸的接觸面上，由于污染覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的物

10、質(zhì)，由此而形成的接觸電阻稱為膜電阻。 膜電阻的影響：使接觸電阻值增大；接觸嚴(yán)重不穩(wěn)定；破壞電接觸的正常導(dǎo)電。,膜電阻的類型,塵埃膜： 指飛揚(yáng)于空氣中的固體微粒，由于靜電的吸引力而覆蓋在接觸表面形成的膜電阻。特點(diǎn)： 在外力作用下，易脫落，具有隨機(jī)性。,吸附膜： 指氣體分子或水分子在接觸表面的吸附層。特點(diǎn)： 只有幾個(gè)分子層厚，高壓強(qiáng)時(shí)，可降低到1~2個(gè)分子層，但

11、無法完全消除。 該膜靠隧道效應(yīng)導(dǎo)電。,無機(jī)膜： 暴露在空氣中的金屬觸頭，在化學(xué)腐蝕的作用下，表面形成各種金屬化合物的薄膜（如氧化膜，與H2S反應(yīng)生成硫化膜）。特點(diǎn)： 取決于金屬的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)。其對(duì)電接觸的破壞性取決于膜的厚度和膜的性質(zhì)（薄的膜在大壓力下易碎，有些膜又可在高溫下分解）。,有機(jī)膜： 從絕緣材料中析出的有機(jī)蒸氣，在金屬觸頭表面形成一層粉狀的不導(dǎo)電的有機(jī)聚合物薄膜，稱之為有機(jī)膜。

12、 特點(diǎn)： 其絕緣性能好，絕緣電阻大，擊穿電壓比無機(jī)膜大很多。破壞膜的方法主要是：（1）利用機(jī)械力作用將膜壓碎；（2）使用高溫迫使膜分解或融化；,影響接觸電阻的因素,接觸形式： 按接觸外形的幾何形狀不同，可分為三類：點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸。 加在觸頭上的總壓力是F，接觸點(diǎn)的數(shù)目是n，那么每個(gè)接觸點(diǎn)上的壓力值設(shè)為F1，則：,,材料性質(zhì)： 電阻率； 硬度； 化學(xué)性能；

13、 生成金屬化合物的機(jī)械強(qiáng)度與電阻率。,接觸壓力：接觸壓力大—接觸點(diǎn)數(shù)目增多； 每個(gè)接觸點(diǎn)有效接觸面積加大； 可使吸附膜分子層變??； 表面膜裂縫； 收縮電阻和膜電阻都會(huì)減小。,觸頭密封結(jié)構(gòu)： 減少污染和腐蝕，通常在密閉后沖入惰性氣體或者抽成真空，可防火防爆。 接觸表面加工程度： 越光滑則接觸點(diǎn)越多，有

14、效接觸面積越大，收縮電阻越小。 加工方法主要有： 粗加工，精加工，電化學(xué)或機(jī)械拋光等手法。,工作環(huán)境： 主要指環(huán)境的溫度，是否有腐蝕性氣體，是否潮濕等等。 接觸電阻的穩(wěn)定性： 化學(xué)腐蝕； 電化學(xué)腐蝕。,第二節(jié) 導(dǎo)體的長時(shí)發(fā)熱與散熱,一、導(dǎo)體發(fā)熱單位長度導(dǎo)體，通過導(dǎo)體的電流為I 時(shí)，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量為：式中的 為交流電阻，可按

15、下式計(jì)算：,式中 ——附加損耗系數(shù)； ——導(dǎo)體溫度為 時(shí)的直流 電阻率； ——電阻溫度系數(shù) ； ——導(dǎo)體運(yùn)行溫度 ； ——導(dǎo)體截面積 ；,二、導(dǎo)體散熱,熱傳導(dǎo) ——導(dǎo)熱系數(shù) ，即單位面積單位厚度上溫度差 時(shí)，所傳導(dǎo)的熱量； ——給定的

16、熱傳導(dǎo)面積。,熱傳導(dǎo)示意圖,對(duì)流 ——對(duì)流散出的熱量； ——發(fā)熱體表面溫度 ； ——周圍空氣介質(zhì)溫度 ； ——對(duì)流散熱系數(shù)，單位時(shí)間內(nèi)熱面積上散出的熱量； 單位： ——散熱表面積（ ）。,熱輻射玻爾茲曼公式： ——發(fā)熱體表面溫度 ——接受熱輻射物體表面溫度 ——輻射系數(shù) ，與發(fā)熱

17、體表面情況、 顏色有關(guān)； ——熱輻射面積。,三、導(dǎo)體的正常溫升過程,導(dǎo)體溫度未達(dá)穩(wěn)定時(shí)，熱平衡方程： ——導(dǎo)體綜合散熱系數(shù) ，非常數(shù)； ——導(dǎo)體的有效散熱面積； ——導(dǎo)體對(duì)周圍環(huán)境的溫升， ；,上式可變?yōu)椋?解該常系數(shù)非齊次一階微分方程，可得：

18、 其中： ——發(fā)熱時(shí)間常數(shù),用牛頓公式求導(dǎo)體發(fā)熱穩(wěn)定溫升牛頓公式： ——散熱功率；在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，線圈的發(fā)熱應(yīng)等與其散熱，即:故可求得導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升：,均質(zhì)導(dǎo)體溫升曲線,四、導(dǎo)體長期允許電流,導(dǎo)體長期允許電流： ——導(dǎo)

19、體長期允許電流； ——導(dǎo)體長期發(fā)熱允許溫度， ；,,五、導(dǎo)線絕緣層溫升,根據(jù)傅立葉定律： Q——即導(dǎo)體散發(fā)功率P； Sr——半徑r處表面積； ——導(dǎo)體長度；以功率P代替Q，可得：,積分區(qū)間： — ，絕緣層內(nèi)表面溫度 ，外表面溫度 ，則絕緣層中的溫度降落為：絕緣層外表面的溫升可用牛頓公式求得：則：若圓導(dǎo)體外包有幾層導(dǎo)熱系數(shù)

20、不同的絕緣層：,六、提高導(dǎo)體長期允許電流的方法,減小導(dǎo)體電阻：采用電阻率小的材料；減小導(dǎo)體的接觸電阻；增加導(dǎo)體的橫截面積；增大導(dǎo)體的散熱面積；,,提高散熱系數(shù)：采用強(qiáng)迫冷卻；合理布置導(dǎo)體；導(dǎo)體表面涂漆；加強(qiáng)自然通風(fēng)；,,熱 傳 導(dǎo),凡依靠物體之間直接接觸而傳導(dǎo)熱量或者在物體內(nèi)部各部分之間的傳熱，統(tǒng)稱為熱傳導(dǎo)。,,對(duì) 流,發(fā)熱體置于氣體或液體中，靠近發(fā)熱體的流體質(zhì)點(diǎn)因溫度升高而向上方升起，該處就由較冷的質(zhì)點(diǎn)補(bǔ)充，這個(gè)過程

21、稱為自然對(duì)流。如果依靠外力強(qiáng)迫流體流動(dòng)，則稱為強(qiáng)迫對(duì)流。 對(duì)流只在流體中產(chǎn)生。,,熱 輻 射,熱輻射是兩物體間不需要直接接觸，而通過電磁波來傳遞能量的過程。 絕對(duì)黑體； 絕對(duì)白體。,,第三節(jié) 通過短路電流時(shí)導(dǎo)體的熱計(jì)算和電器的熱穩(wěn)定性,短時(shí)發(fā)熱過程分析：,,熱穩(wěn)定性的概念： 電氣或?qū)w必須能承受短路電流的熱效應(yīng)而不至被破壞的能力，稱為電氣或?qū)w的熱穩(wěn)定性。

22、 若 ，則認(rèn)為導(dǎo)體在短路的時(shí)候是熱穩(wěn)定的； ——通過短路電流時(shí)的最高溫度； ——導(dǎo)體規(guī)定的短時(shí)發(fā)熱允許溫度；,,短路狀態(tài)下載流部分發(fā)熱的允許溫度,,三、短路電流熱計(jì)算,一個(gè)假設(shè)：發(fā)熱過程是處在絕熱狀態(tài)。 熱平衡方程：,,設(shè)時(shí)間積分區(qū)間為 至 ，溫度積分區(qū)間為 至 ：,,,,熱穩(wěn)定

23、電流：在電器標(biāo)準(zhǔn)中熱穩(wěn)定電流是以穩(wěn)態(tài)電流（額定電流的倍數(shù)）表示；等值時(shí)間法：依據(jù)等效發(fā)熱概念，設(shè)導(dǎo)體中通過熱穩(wěn)定電流為 ，等效時(shí)間為 ：則短路電流對(duì)時(shí)間的積分可等效為：,,,,一個(gè)等效,解上述微分方程：,,,,電器的熱穩(wěn)定性以 表示，則，在已知給定的允許發(fā)熱溫度 和給定導(dǎo)體的截面積 時(shí)，載流導(dǎo)體熱穩(wěn)定性的表達(dá)式為：,,,,,在給定 、 和 時(shí)，導(dǎo)體的截面積為：,,,,,若給定

24、 、 和 ，則允許的熱穩(wěn)定時(shí)間為：,,,,,若給定 、 和 ，則允許的熱穩(wěn)定電流為：,,,,,若果考慮到比熱隨溫度的變化關(guān)系:則積分方程的表達(dá)式可變?yōu)椋?,,,,則，可求得導(dǎo)體的熱穩(wěn)定性為：,練 習(xí),某少油斷路器的4S熱穩(wěn)定電流為20A，導(dǎo)電桿材料為紫銅，導(dǎo)電桿置于變壓器油中，此桿極限允許溫度為250 ℃。短路發(fā)生前導(dǎo)電桿溫度為66.4℃。已知導(dǎo)電桿直徑為22m，