絕緣的耐熱溫度絕緣材料的耐熱溫度

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

2、=KfjI2R,交流電阻：電阻系數與溫度的關系： —— 時的電阻系數；當,,,Kfj——附加損耗系數，考慮交變電流集膚效 應和鄰近效應的影響；集膚效應 鄰近效應,,集 膚 效 應,當交變電流流過導線時，導線周圍變化的磁場也要在導線中產生感應電流，從而使沿導線截

3、面的電流分布不均勻。尤其當頻率較高時，此電流幾乎是在導線表面附近的一薄層中流動，這就是所謂的集膚效應現(xiàn)象。,鄰近效應,相鄰導線流過高頻電流時,由于電磁作用使電流偏向導線一側分布的特性,稱為鄰近效應。 若兩根導線流過的電流方向相反，則相鄰近的一側電流密度比較大； 若兩根導線流過的電流方向相同，則相鄰的一側電流密度較小，相反的一側電流密度較大。,,磁滯損耗,基本磁滯回線

4、 Br—— 剩余磁感應強度； 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。,鐵磁質物質內的磁感強度,外磁場強度,渦流損耗,減小渦流的方法,鐵 損,交變磁通在鐵心

5、中產生的磁滯損耗和渦流損耗的和稱為鐵磁損耗，簡稱為鐵損。,,介質損耗,電 介 質—— 電氣絕緣材料； 介質損耗—— 交流電場中的電介質特性； 電導損耗+極化損耗； 電導損耗—— 由泄漏電流形成； 極化損耗—— 電介質中的帶電粒子由于不 斷、反復的極化消耗的電能所 轉化成的熱能。,,金屬材料機械強度與溫度的關系,,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。 按我國標準將絕緣材料按耐熱溫度分為七級，在該溫度下能工作20000h而不致?lián)p壞。,各級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設備的熱穩(wěn)定性。,,導體接觸部分性能變壞,發(fā)熱使導體接觸面氧化，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；可能導致局部過熱火災。,接觸電阻,產生接觸電阻的原因： 1、 切面（

8、接觸面）表面的凹凸不平，金屬實際接觸面積減小，使電流線在接觸面附近發(fā)生嚴重收縮現(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。工作過程中無相對運動?？煞纸佑|：在工作中可以分開的接觸，又稱觸頭?；瑒蛹皾L動接觸：在工作中，觸頭間可以互相滑動或

9、滾動，但不能分斷電路。,收縮電阻,整個接觸面的收縮電阻為： 各個接觸點收縮電阻的并聯(lián)值； ——與材料形變情況有關的量； ——材料的布氏硬度，N/m3； ——加于二導體的機械壓力，N； ——接觸點的數目。,膜 電 阻,在電接觸的接觸面上，由于污染覆蓋著一層導電性很差的物

10、質，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；接觸嚴重不穩(wěn)定；破壞電接觸的正常導電。,膜電阻的類型,塵埃膜： 指飛揚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： 在外力作用下，易脫落，具有隨機性。,吸附膜： 指氣體分子或水分子在接觸表面的吸附層。特點： 只有幾個分子層厚，高壓強時，可降低到1~2個分子層，但

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

12、 特點： 其絕緣性能好，絕緣電阻大，擊穿電壓比無機膜大很多。破壞膜的方法主要是：（1）利用機械力作用將膜壓碎；（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：點接觸、線接觸、面接觸。 加在觸頭上的總壓力是F，接觸點的數目是n，那么每個接觸點上的壓力值設為F1，則：,,材料性質： 電阻率； 硬度； 化學性能；

13、 生成金屬化合物的機械強度與電阻率。,接觸壓力：接觸壓力大—接觸點數目增多； 每個接觸點有效接觸面積加大； 可使吸附膜分子層變??； 表面膜裂縫； 收縮電阻和膜電阻都會減小。,觸頭密封結構： 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，電化學或機械拋光等手法。,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： 化學腐蝕； 電化學腐蝕。,第二節(jié) 導體的長時發(fā)熱與散熱,一、導體發(fā)熱單位長度導體，通過導體的電流為I 時，由電阻損耗產生的熱量為：式中的 為交流電阻，可按

15、下式計算：,式中 ——附加損耗系數； ——導體溫度為 時的直流 電阻率； ——電阻溫度系數 ； ——導體運行溫度 ； ——導體截面積 ；,二、導體散熱,熱傳導 ——導熱系數 ，即單位面積單位厚度上溫度差 時，所傳導的熱量； ——給定的

16、熱傳導面積。,熱傳導示意圖,對流 ——對流散出的熱量； ——發(fā)熱體表面溫度 ； ——周圍空氣介質溫度 ； ——對流散熱系數，單位時間內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 ，與發(fā)熱

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

18、 其中： ——發(fā)熱時間常數,用牛頓公式求導體發(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)熱應等與其散熱，即:故可求得導體的穩(wěn)定溫升：,均質導體溫升曲線,四、導體長期允許電流,導體長期允許電流： ——導

19、體長期允許電流； ——導體長期發(fā)熱允許溫度， ；,,五、導線絕緣層溫升,根據傅立葉定律： Q——即導體散發(fā)功率P； Sr——半徑r處表面積； ——導體長度；以功率P代替Q，可得：,積分區(qū)間： — ，絕緣層內表面溫度 ，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：若圓導體外包有幾層導熱系數

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

21、稱為自然對流。如果依靠外力強迫流體流動，則稱為強迫對流。 對流只在流體中產生。,,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。 絕對黑體； 絕對白體。,,第三節(jié) 通過短路電流時導體的熱計算和電器的熱穩(wěn)定性,短時發(fā)熱過程分析：,,熱穩(wěn)定性的概念： 電氣或導體必須能承受短路電流的熱效應而不至被破壞的能力，稱為電氣或導體的熱穩(wěn)定性。

22、 若 ，則認為導體在短路的時候是熱穩(wěn)定的； ——通過短路電流時的最高溫度； ——導體規(guī)定的短時發(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、短路電流熱計算,一個假設：發(fā)熱過程是處在絕熱狀態(tài)。 熱平衡方程：,,設時間積分區(qū)間為 至 ，溫度積分區(qū)間為 至 ：,,,,熱穩(wěn)定

23、電流：在電器標準中熱穩(wěn)定電流是以穩(wěn)態(tài)電流（額定電流的倍數）表示；等值時間法：依據等效發(fā)熱概念，設導體中通過熱穩(wěn)定電流為 ，等效時間為 ：則短路電流對時間的積分可等效為：,,,,一個等效,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 和給定導體的截面積 時，載流導體熱穩(wěn)定性的表達式為：,,,,,在給定 、 和 時，導體的截面積為：,,,,,若給定

24、 、 和 ，則允許的熱穩(wěn)定時間為：,,,,,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系:則積分方程的表達式可變?yōu)椋?,,,,則，可求得導體的熱穩(wěn)定性為：,練 習,某少油斷路器的4S熱穩(wěn)定電流為20A，導電桿材料為紫銅，導電桿置于變壓器油中，此桿極限允許溫度為250 ℃。短路發(fā)生前導電桿溫度為66.4℃。已知導電桿直徑為22m，