電力開關(guān)技術(shù)2

1、第2章     電流的熱效應(yīng)和力效應(yīng)2.1  電流效應(yīng)對電器性能的影響2.2  電器的發(fā)熱和散熱規(guī)律2.3  導體的升溫與冷卻過程2.4  短時及短路情況下的熱計算2.5  少油斷路器導電系統(tǒng)的長期發(fā)熱計算舉例2.6  電器中電流的力效應(yīng)概述2.7  載流系統(tǒng)電動力的計算2.8 交流電動力,,2

2、.1　　電流效應(yīng)對電器性能的影響2.1.1　　概述凡是載流的導體或設(shè)備在常態(tài)下都會因自身導電回路的材料性質(zhì)級結(jié)構(gòu)特征而承受不同程度的電流熱效應(yīng)和力效應(yīng)。任何導電構(gòu)件（觸頭、母線、線圈等）都因有電阻而產(chǎn)生熱損耗，其周圍的鐵磁體都會在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，支撐導體的絕緣介質(zhì)在強電場作用下有介質(zhì)損耗，這些都是造成溫度升高的熱源。電弧是處于等離子態(tài)的導電體，開關(guān)電器中的電弧伴隨開關(guān)觸頭分離或即將合攏時產(chǎn)生，因而也會受到電動力

3、的作用，它同時又是大功率的熱源，當關(guān)合或開斷短路時伴隨巨大的短路電流形成。,2.1.2　　最大允許溫升的規(guī)定 電器各零部件及絕緣介質(zhì)的工作溫度對材料物理及化學性質(zhì)的變化有直接的影響。當溫度超過一過的范圍時，其機械性能和電氣性能會急劇下降，使用壽命也會降低。不同的材料及工作部位其所允許的溫度是不同的，確定允許溫度的原則是保證電器在設(shè)計的使用期限內(nèi)可能可靠的工作。 材料的允許溫度取決于其機械強度的變化及支撐絕緣的熱耐受能

4、力。溫度達一定值后，材料軟化，機械強度會明顯下降。,GB11021將電氣絕緣材料按其耐熱性能分為Y、A、E、B、F、H、C 7個等級，其長期工作下的極限溫度由Y～C依次增高，A級的極限溫度為105°C，B級為130°C，C級為180°C。絕緣材料的介質(zhì)損耗也隨溫度的上升而增加，其介質(zhì)強度即隨之下降。 導體連接處，尤其是開關(guān)的各類觸頭，其允許溫度比非接觸處要低得多。因為接觸面（或接觸點）的導電

5、狀態(tài)比非接觸處要惡劣得多，接觸處的電阻值是變化的、不穩(wěn)定的。若觸頭一旦焊接，開關(guān)將喪失其功能，后果不堪設(shè)想；觸頭間的接觸壓力通常靠彈簧施加，其接觸壓力有限，接觸電阻也不穩(wěn)定，溫度過高對彈簧的壓力也會有影響。因此，觸頭處的允許溫度規(guī)定得更低。 高壓斷路器通過短路電流的時間往往很短（當保護正常時，通常小于Is），允許溫度可高于長期工作的允許溫度而不受限制。,2.2　　電器的發(fā)熱和散熱規(guī)律,2.2.1　　電器中熱的產(chǎn)生高壓

6、開關(guān)設(shè)備發(fā)熱的來源主要是自身的能量損耗，降低開關(guān)電器工作溫度的主要徐徑也就是設(shè)法減小損耗，損耗的來源主要有電阻損耗、鐵磁損耗和介質(zhì)損耗三種形式。2.2.1.1　　電阻損耗當一具有直流電阻R的導體流過電流I時，它所損耗的功率為 P＝I2R但對交流電路而言，受集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，導體的截面并未得到有效的使用，其電阻值比直流時大，此時的功率損耗為P＝KfI2R,式中，Kf為附加的損耗系數(shù)，它等于集膚系數(shù)Kjf和鄰近系數(shù)K1j的

7、乘積。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使電流密度的分布不均勻。將導體截面分成內(nèi)外兩部分，流過圓周rx內(nèi)側(cè)的電流所交鏈的磁通比外側(cè)的要多。j（r），j（χ）定性地示出了導體中的電流密度分布?？紤]上述兩效應(yīng)后，交流電阻的表達式可寫為LRac=KjfKljp—S式中，Kjf為集膚系數(shù)，Klj為鄰近系數(shù)，p為導體的電阻率，Ω·m；L為導體的長度，m；S為導體截面積，m2。P與導體的溫度有關(guān)，通常取p=p20(1+a(T-20))或

8、 p=p0(1+aT)式中，p0為導體在0°C時的電阻率，Ω·m；a為電阻溫度系數(shù)，1/K；T為導體的溫度，°C。Kjf和klj的數(shù)值由導體的形狀、大小及相互間的位置決定。,2.2.1.2 鐵磁損耗,開關(guān)電器導電系統(tǒng)的周圍常存在由鋼鐵件構(gòu)成的鐵磁體，當導體通過交變電流時，這些鐵磁體會產(chǎn)生鐵磁損耗——渦流和磁滯損耗。在鐵磁體中垂直于磁通的截面上通常會存在感生的渦流，且渦流的磁場

9、方向總是抵消激磁磁通的，因此，磁場總是集中在鐵磁體的表層，稱之為磁通的趨表效應(yīng)。 在高壓電器中常要用到法蘭、部件外殼等環(huán)繞導體的鋼鐵件，為減小鐵磁損耗常用到以下措施。1）改用非磁性材料，如無磁鋼、無磁鑄鐵、黃銅和鋁合金等。2）采用非磁性間隙，使鐵磁材料不形成封閉環(huán)以增大磁阻。3）采用短路線圈。,2.2.1.3　　介質(zhì)損耗 交流高壓電場的作用下，無論固體、液體或氣體介質(zhì)原則上都會因介質(zhì)的極化或電導而產(chǎn)生發(fā)熱損耗

10、。,2.2.2　　熱的散失,因各種損耗而造成的導體溫度的升高將會使發(fā)熱體本身與周圍的物體或氣體介質(zhì)之間產(chǎn)生溫差，溫差造成的熱量從溫度高處往低處的流動稱之為熱流（或熱功率）。若發(fā)熱功率等于散失的熱功率就不會有溫度的升高了，稱之為達到了溫升的穩(wěn)態(tài)。散熱有傳導、對流、輻射三種方式。 熱傳導是物體與物體直接接觸或物體內(nèi)部各質(zhì)點間熱交換的一種形式，其機理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分間分子動能的相互傳遞。 熱對流是指靠

11、氣體或液體的流動而傳熱的一種方式，往往伴隨著流體微團的宏觀移動而發(fā)生。流體內(nèi)部存在溫差時，由于流體密度隨溫度改變而造成的不斷遷升填充現(xiàn)象稱為自然對流；依賴外力使流體強迫流動稱為強迫對流。 熱輻射在這里是指熱能以電磁波輻射的方式向外散逸。,2.2.3　　熱傳導的計算3根據(jù)傅立葉定律，在單位時間內(nèi)通過單位面積經(jīng)傳導散失的熱流與溫度梯度成正比，即—q=—λgradT式中，q為熱流量密度，W/ m2 ; “—’’表示熱流向溫

12、度降低的方向傳遞；λ為導熱系數(shù)，W/（m.k），表示物體導熱能力的大小，即單位時間、單位面積、每度溫差能傳導的熱量。In(r2/r1)RL=2πλL若絕緣外表面的溫度已知，導體的發(fā)熱功率已知，則由上式可求出在穩(wěn)定狀態(tài)下導體表面的溫度。,2.2.4　　固態(tài)發(fā)熱體對流體媒質(zhì)的散熱計算固體表面與流體間，當流體媒質(zhì)為液體時，以對流散熱為主。只有當氣體和液體的自由流動受到容器限制時，才以傳導散熱為主，所以流體薄層的散熱能力是很差的。在計

13、算發(fā)熱導體的散熱功率時，理應(yīng)分別計算三種散熱方式下的散熱功率，然后相加得其總散熱功率。牛頓散熱公式Ps=KsStPs為散熱功率，W；Ks為綜合散熱系數(shù)，W/（m2·K）；S為散熱面積，m2；τ為發(fā)熱體相對于周圍介質(zhì)的溫升，KsRr的表達式為1Rr＝KsS牛頓散熱公式的前提是將溫差與散熱功率設(shè)為線性關(guān)系，故只能在一定的溫度范圍適用。,2.3　　導體的升溫與冷卻過程2.3.1　　均質(zhì)導體的升溫與冷卻實際發(fā)熱體的溫升

14、與散熱總是同時發(fā)生的，現(xiàn)利用一置于空氣中的均質(zhì)長載流導傳來分析這種最普遍的發(fā)熱體升溫與冷卻過程。假定升溫過程電流I和電阻Rac都是不變的定值，以通電開始作為計時的起點，且在時間增量dt內(nèi)有溫度增量dT、溫升增量dτ，那么可得熱平衡方程Pdt=cGdτ+KsSτdt式中，P為發(fā)熱功率，W；c為比熱容，為1克重的該物體，其溫度升高一度所需的熱量，J/（g·k）；G為導體本身的重量，g；Ks為導體綜合散熱系數(shù)；S為散熱表面面積

15、，m2；τ為導體的溫升，K；t為電流通過的時間，s。,下式即為一常系數(shù)一階微分方程：dτ KsS P + τ=dt cG cG代入初始條件t＝0時，τ＝0，可得該方程的解τ＝τw(l—e-t/T)式中，τw＝P/KsS，K；T= cG /KsS，T是一個由導體特性參數(shù)所確定的一個常量，有時間的量綱，稱作導體的熱時間常數(shù)。,2.4　　短時及短路情況下的熱計算2.4.1　　電器的工作制及短時過

16、載能力,那么按長期通電運行設(shè)計的電器能否短時增加其工作負荷呢？設(shè)短時工作的時間為td，且短時工作的溫升τd與長期工作的穩(wěn)定溫升τw相等，則τd=τm(1—e-td/T) τw式中，τw為增大通流能力的情況下如長時間工作將會達到的穩(wěn)態(tài)溫升，但在某些情況下導體在溫升小于τm時就已熔化或燒斷。Pd Pc設(shè)τm= , τm= ,Pd、Pc分別為短時和長期工作下的發(fā)熱KsS KsS功率，因同一

17、導體的S為定值，且在其允許工作范圍內(nèi)可認為Ks亦為定值，泰勒級數(shù)展開并忽略高次項可得Pd T-- = ---Pc td,2.4.2　　短路電流下的熱計算短路時間td、電流Id的熱效應(yīng)，其溫度從Tw上升到Rd，則有Pdtd=cG(Td—Tw)t′d為將具式中，imax為短路開始時的短路電流最大峰值，A；Id為短路穩(wěn)態(tài)電流有效值，A。,2.4.3　　電器的短時電流耐受能力（即熱穩(wěn)定性） 除高壓熔斷器外，

18、所有的高壓開關(guān)電器都必須經(jīng)受短路電流的考驗，電器這種耐受一定時間內(nèi)短路電流熱效應(yīng)而不致?lián)p壞的能力就是電器的短時電流耐受能力，亦稱電器的熱穩(wěn)定性。電器的熱穩(wěn)定性通常以I2t值表示。經(jīng)驗表明，當t＝0.5～5s時，可近似認為其I2t的熱效應(yīng)對開關(guān)電器是等效的。,2.5　　少油斷路器導電系統(tǒng)的長期發(fā)熱計算舉例6,2.6　電器中電流的力效應(yīng)概述,載流導體在磁場中受到力的作用實質(zhì)是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)。高壓電器，尤其是高壓開關(guān)電器是由不同方式布置的

19、多個導體所組成，其中某個導體處在別的導體或自身其余部分導體電流的磁場中，各導體間必然存在電動力的作用。 任何載流導體微元所受的力都可用左手定則確定其受力方向，即當磁力線自手心進入時，其4指指向電流方向，垂直于4指的大拇指向受力方向。導體的受力方向也可依據(jù)導體兩側(cè)磁力線的疏密程度來判斷，磁力線密的一側(cè)總是把導體推向疏的一側(cè) 。,開關(guān)電器中導體的受力會給電器的運行造成不利的影響，但也可用于改善或加強電器的某些性能。說明其利弊的兩個典型

20、例子。多油斷路器一相的導電結(jié)構(gòu)，在關(guān)合過程中，可動觸頭（橫擔）在操動機構(gòu)帶動下，向上運動，當動、靜觸頭快接觸時，動、靜觸頭間的間隙被擊穿，出現(xiàn)短路電流，顯然導電回路給橫擔電動力。電路結(jié)構(gòu)中，電磁力也可被利用于熄滅電弧，圖中電弧受到箭頭所示方向的力，“磁吹滅弧”（b）是SF6磁旋弧式滅弧室的結(jié)構(gòu)原理圖。電弧在磁場的作用下旋轉(zhuǎn)運動，可加強電弧的冷卻并使電弧很快熄滅。 開關(guān)電器中利用電動力的例子還有很多，如利用感應(yīng)渦流時的磁場斥

21、力作快速分斷以及利用電動力補償觸頭等等。充分了解電磁力的特征性可化害為利，用之于改善電器的工作性能。,2.7　　載流系統(tǒng)電動力的計算2.7.1　用比奧－沙瓦定律計算電動力,任意放置的空間兩截流導體線段的電動力計算模型，l1在平面A上，l2以某角度穿過A。截流線段l1、l2的空間方程已知，可用比奧－沙瓦定律求得l1與l2間的相互電磁作用力。

22、μο電動力的通用表達式F= ----CI1I2= CI1I2×10-7，N 4π當導體為方形截面且較大而又靠得很近時，回路系數(shù)表中某些公式的計算結(jié)果可能有效大誤差，必須利用有關(guān)手冊中所給的“截面系數(shù)”預以修正；當導體間的距離大于導體截面的周長時，計算誤差很小，可以外忽略不計，滿足高壓開關(guān)電器電動力的計算要求。,2.7.2　　用能量平衡原

23、理計算電動力,在?任何載流系數(shù)中，導體受電動力作用向某一方向產(chǎn)生元位移時所做的功應(yīng)等于系統(tǒng)儲能的變化（虛位移法）：? ω為在電動力F作用下，載流系統(tǒng)沿廣義坐標，x變化? x時系統(tǒng)儲能的變化。 ? WF=---- ? x,2.7.3　　計算舉例2.7.3.1　　垂直導體間的電動力,L形垂直導體，流過導體的電流為I，求導體水平部分所受的電動力。由比奧－沙瓦定律，垂直部分導體在水平部分導體線段dx處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度為 μο

24、　IsinaB=------∫-------dy 4π 　r2因dy在整個沿h的移動過程中，a從a2＝90°變到a1，而r=x/sina，若取電流方向與I的正方向一致。2.7.3.2圓環(huán)形載流導體所受的電動力 2.7.3.3　　觸頭推斥電動力的計算,2.8　　交流電動力,交流電動力的計算方法與上節(jié)基本相同，但因交流電流隨時間變化，由其產(chǎn)生的電動力也隨時間變化，F(xiàn)=Ci1i2×10－7i1、i

25、2分別為通過兩段導體的交流電流瞬時值；C為回路系數(shù)。,2.8.1　　單相交流電動力,設(shè)同一回路的兩段導體中通過同一正弦交變電流，且i1＝i2＝Imsinω t，則其相互間的電動力為1-cos2ωtF=C(Imsinωt)2×10-7=CI2m( 2 )×10-7電動力的最大值對應(yīng)出現(xiàn)于電流峰值處，其值為Fm=CI2m×10-7電動力的平均值1Fav=2CI2m×10-7= C

26、I2×10-7Im、I分別交流電流最大值和有效值，單位為A。,2.8.2 三相正弦交流時的電動力,在工頻三相電路中，各相電流都按正弦變化，且相角依次相差120°，導體通常做三相同平面平行布置或不在同一平面角形布置，因此每相導體都同時受到其余兩相電磁耦合的作用力，在任一瞬間導體所受的力是兩個電動力的向量和，其大小和方向都隨時間而變化，且其變化規(guī)律必須與導體的布置方式相關(guān)。,電動力具有以下特性。1)兩側(cè)導體所受的電

27、動力最大值相同，最大值時力的方向向外，此時另兩相電流方向都與該相電流相反，都對該相推斥。2)中間相電動力要大對于這種平行導體，在做電動力計算時，只要導體長度l相對于兩者間的距間a足夠大，就可近似做無限長平行導體考慮，取回路系數(shù)為2l/a。,2.8.3　　短路時的電動力,單相 在單相交流短路電流中含有周期分量和非周期分量。若短路在電壓過零時發(fā)生，則短路電流的非周期分量最大，短路電流沖擊值也最大。三相 三相短路時的電流可簡單表示

28、為ida=Im(eatcos φ—cos(ω t+φ))idb=Im(eatcos (φ—120°)—cos(ωt+φ—120°))idb=Im(eatcos (φ—240°)—cos(ω t+φ—240°))　式中，φ為合閘時A相電源電壓的相位角。,2.8.4　　電器的峰值電流耐受性（動穩(wěn)定性）,當通過短路電流時，開關(guān)的載流部分將承受巨大的電動力作用。為保證其正常工作，各載流部分不允許產(chǎn)