第一章-电器导体的发热计算

LiaoningTechnicalUniversity辽宁工程技术大学电器理论基础FundamentalsofElectricalApparatus电气与控制工程学院王智勇2019/12/19第一章电器导体的发热计算2学时48：授课8：实验1周：课程设计考试：平时（20%）+卷面（80%）参考书：1、张冠生.电器理论基础2、夏天伟.电器学3、贺湘琰.电器学4、王其平.电器电弧理论5、程礼椿.电接触理论电器理论基础2019/12/19第一章电器导体的发热计算3电器（ElectricApparatus）电器的定义用于接通和断开电路断续或连续改变电路参数实现对电路或非电对象切换、控制、保护、检测、变换和调节的电气设备（Equipments)电器的分类交流、直流电器高压、低压电器工业、农用、航空、矿用电器（防爆电器……)控制电器、保护电器、切换电器2019/12/19第一章电器导体的发热计算4电器（ElectricApparatus）典型电器继电器：Relay（电磁式、半导体、数字）接触器：Contactor断路器：CircuitBreaker熔断器：Fuse隔离开关：Disconnector限流器：CurrentLimiter互感器：Transformer（PT、CT）2019/12/19第一章电器导体的发热计算5电器（ElectricApparatus）典型电器的结构原理从控制角度看：输入部分+输出部分从结构角度来看：感测器官+执行器官输入信号感测信号机构执行器官输出信号电流电压线圈双金属片电磁弹簧触头灭弧室分闸合闸举例2019/12/19第一章电器导体的发热计算6电器理论基础绪论第一章电器导体的发热计算第二章电器中的电动力计算第三章电弧的基本特性第四章交流电弧的熄灭原理第五章开关电器典型灭弧装置的工作原理第六章电接触理论第七章电磁系统2019/12/19第一章电器导体的发热计算7第一章电器导体的发热计算教学目的与要求：掌握电器的温升及电器中热源的主要来源，熟悉电器的热传递形式教学重点与难点：电器温升与温度的不同，电器中的热源主要来自三个方面：电阻损耗；涡流与磁滞损耗；介质损耗。教学基本内容：电器的允许温升电器中的热源电器中的热传递形式电器表面的稳定温升计算──牛顿公式不同工作制下电器的热计算电器典型部件的稳定温升分布短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算8第一章电器导体的发热计算§1-1电器的允许温升§1-2电器中的热源§1-3电器中的热传递形式§1-4电器表面稳定温升计算-牛顿公式§1-5不同工作制下电器的热计算§1-6电器典型部件的稳定温升分布§1-7短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算9§1-1电器的允许温升导体导体、铁磁体绝缘体周围介质设备涡流、磁滞损耗焦耳损耗介质损耗散发加热升温发热热平衡散热2019/12/19第一章电器导体的发热计算10§1-1电器的允许温升电器温度过高的影响绝缘材料的绝缘强度明显下降金属材料的机械强度显著降低（长时与短时发热不同）加速触头材料等的氧化、发生熔焊等2019/12/19第一章电器导体的发热计算11§1-1电器的允许温升极限允许温升(Temperaturerise)定义电器极限允许温度与工作环境温度之差0我国标准规定周围空气的温度范围为±40℃制定依据保证电器的绝缘不致因温度过高而损坏，或使工作寿命过分降低；导体和结构部分不致因温度过高而降低其机械性能。2019/12/19第一章电器导体的发热计算12第一章电器导体的发热计算§1-1电器的允许温升§1-2电器中的热源§1-3电器中的热传递形式§1-4电器表面稳定温升计算-牛顿公式§1-5不同工作制下电器的热计算§1-6电器典型部件的稳定温升分布§1-7短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算13§1-2电器中的热源热源涡流损耗电阻（焦耳）损耗介质损耗磁滞损耗电流通过导体产生交流电器导体中产生交流电器铁磁体中产生交流电器绝缘体中产生2019/12/19第一章电器导体的发热计算14§1-2电器中的热源电阻损耗（焦耳损耗）电流通过导体所产生的能量损耗Kf=KjKlP=KfI2RP：功率（W）I：电流（A）R：电阻（Ω）Kf：考虑交变电流集肤效应和邻近效应对电阻影响的系数，称为附加损耗系数Kj：集肤系数Kl：临近系数2019/12/19第一章电器导体的发热计算15§1-2电器中的热源集肤效应导体内部电流交链的磁通不同2019/12/19第一章电器导体的发热计算16§1-2电器中的热源)2/(fb导体内部电流交链的磁通不同交变磁通产生的反电势不同导体中电流分布不同透入深度集肤效应系数fpAKj2集肤效应A：截面积（m2）p：周长（m）f：电流频率（Hz）ρ：电阻率（Ωm）2019/12/19第一章电器导体的发热计算17§1-2电器中的热源邻近效应iΦ2i电流同向Φ1Φ2同向Φ1iΦ2i电流反向Φ1Φ2反向Φ12019/12/19第一章电器导体的发热计算18§1-2电器中的热源电阻损耗（焦耳损耗）RIKpf2A：导体截面积（m2）l：导体长度（m）ρ：电阻率（Ωm）（与温度有关）J：电流密度（A/m2）m：导体的质量（Kg）γ：密度（Kg/m3）AlRKJIlAmmJKPf22019/12/19第一章电器导体的发热计算19§1-2电器中的热源涡流（eddycurrent）损耗0dtdB0dtdB2019/12/19第一章电器导体的发热计算20§1-2电器中的热源涡流加热斥力机构涡流的应用2019/12/19第一章电器导体的发热计算21§1-2电器中的热源铁磁材料在交变磁场的作用下反复磁化时，内部的磁畴不停地往返倒转，磁畴之间不停地互相磨擦而消耗能量，引起的损耗磁滞（magnetichysteresis）损耗剩余磁感应强度矫顽力磁滞回线2019/12/19第一章电器导体的发热计算22§1-2电器中的热源电介质中的带电质点在交变电场的作用下，往复的移动和重新排列，而质点来回移动需要克服质点间的相互作用力，即分子之间的内摩擦力，由此造成的能量损耗称为介质损耗。与电场强度和频率有关介质损耗角（tanδ）表征介质损耗的大小:电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角的余角介质损耗2019/12/19第一章电器导体的发热计算23第一章电器导体的发热计算§1-1电器的允许温升§1-2电器中的热源§1-3电器中的热传递形式§1-4电器表面稳定温升计算-牛顿公式§1-5不同工作制下电器的热计算§1-6电器典型部件的稳定温升分布§1-7短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算24§1-3电器中的热传递形式傅里叶定律：单位时间内通过物体单位面积的热量与该处的温度梯度成正比。热导率与材料、温度等因素有关热传导q：能流密度（J/m2/s）λ：热导率（W/K/m）负号表示热量的传递方向与温度梯度相反，即向温度降低的方向传递2019/12/19第一章电器导体的发热计算25§1-3电器中的热传递形式仅在流体（液体和气体）中存在，常伴随着热传导有层流（Laminar)和紊流(Turbulence)两种形式热对流对流的方式：自然对流和强迫对流自然对流换热公式Pdl：功率（W）Kdl：对流换热系数（W/m2/K）θ：发热体表面温度（K）θ0：流体介质温度（K）A：冷却表面面积（m2）2019/12/19第一章电器导体的发热计算26§1-3电器中的热传递形式由电磁波传播能量的方式斯忒藩-玻尔兹曼定律热辐射Pfs：单位面积的辐射功率（W/m2）σ：斯忒藩-玻尔兹曼系数（5.67×10-8W/m2/K4）εf：发射率T2：发热体表面温度（K）T1：发热体表面温度（K）2019/12/19第一章电器导体的发热计算27第一章电器导体的发热计算§1-1电器的允许温升§1-2电器中的热源§1-3电器中的热传递形式§1-4电器表面稳定温升计算-牛顿公式§1-5不同工作制下电器的热计算§1-6电器典型部件的稳定温升分布§1-7短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算28§1-4电器表面稳定温升计算－牛顿公式工程上常把三种散热（传导、对流、辐射）合并考虑，用牛顿公式计算Ps：总散热功率（W）A：有效散热面积（m2）τ：发热体温升（K）τ=θ-θ0（θ：发热体温度；θ0：周围介质温度）KＴ：综合散热系数（W/m2/K）2019/12/19第一章电器导体的发热计算29§1-4电器表面稳定温升计算－牛顿公式电器中线圈的综合散热系数公式当散热面积为A=(1~100)×10-4m2时当散热面积为A=(0.01~0.05)m2时2019/12/19第一章电器导体的发热计算30第一章电器导体的发热计算§1-1电器的允许温升§1-2电器中的热源§1-3电器中的热传递形式§1-4电器表面稳定温升计算-牛顿公式§1-5不同工作制下电器的热计算§1-6电器典型部件的稳定温升分布§1-7短路电流的热计算和电器的热稳定性2019/12/19第一章电器导体的发热计算31§1-5不同工作制下电器的热计算电器有四种工作制长期工作制八小时工作制短时工作制反复短时工作制2019/12/19第一章电器导体的发热计算32§1-5不同工作制下电器的热计算根据热平衡原理发热散热升温+==+dt时间内的总发热量dt时间内的总散热量dt时间内的温度升高dτ时所吸收的热量dt：时间间隔（s）P：总发热功率（W）KT：综合散热系数（W/m2/K）A：有效散热面积（m2）τ：发热体温升（K）τ=θ-θ0（θ：发热体温度；θ0：周围介质温度）c：比热（J/kg/K）m：质量（kg）dτ：温升变化量（K）2019/12/19第一章电器导体的发热计算33§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制τw：电器经过无限长时间后的稳定温升（K）工作时间通常8小时一阶常系数线性微分方程T：电器的热时间常数（s）2019/12/19第一章电器导体的发热计算34§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制2019/12/19第一章电器导体的发热计算35§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制τw：电器经过无限长时间后的稳定温升（K）τ0：电器开始通电时的起始温升（K）t=0τ=τ0t=∞τ=τw2019/12/19第一章电器导体的发热计算36§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制2019/12/19第一章电器导体的发热计算37§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制τ0=0时2019/12/19第一章电器导体的发热计算38§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制2019/12/19第一章电器导体的发热计算39§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制若发热全被吸收，散热为零，即绝热过程t=T时2019/12/19第一章电器导体的发热计算40§1-5不同工作制下电器的热计算长期工作制-绝热情况绝热条件下τ达到τw所需时间恰好为T2019/12/19第一章电器导体的发热计算41§1-5不同工作制下电器的热计算热时间常数T的物理意义电器在绝热条件下温升达到τw所需的时间2019/12/19第一章电器导体的发热计算42§1-5不同工作制下电器的热计算热时间常数T的物理意义电器在绝热条件下温升达到τw所需的时间在非绝热情况下，温升从零上升到0.632τw所需的时间2019/12/19第一章电器导体的发热计算43§1-5不同工作制下电器的热计算热时间常数T的物理意义电器的稳定温升与初始温升无关热时间常数表征温升上升的快慢2019/12/19第一章电器导体的发热计算44§1-5