电器的发热理论ppt课件.ppt

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1、电器理论基础,Fundamentals of Electrical Apparatuses,海南大学机电工程学院教学讲义,20162017学年第一学期,电气工程及其自动化2014级,张玲 ling_,2014年10月10日,电器（Electric Apparatus）,电器的定义,用于接通或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、船用、矿用电器控制电器、保护电器、切换电器、限制电器、变换电器,1,2014年10月10日,电器（Electric Apparat

2、us）,典型电器,继电器：Relay（电磁式、半导体、数字）接触器：Contactor断路器：Circuit Breaker熔断器：Fuse隔离开关：Disconnector限流器：Current Limiter互感器：Transformer（PT、CT）,2,2014年10月10日,电器（Electric Apparatus）,典型电器的结构原理,从控制角度来看：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,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,3,2014年10月10日,电器理论基础,第1章 绪论第2章 电器的发热理论第3章 电器的电动力理论第4章 电

3、器的电接触理论第5章 电器的电弧理论第6章 电器的电磁机构理论,4,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,5,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,热源,涡流损耗,磁滞损耗,电阻（焦耳）损耗,电流通过导体产生,介质损耗,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,6,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,电阻损耗（焦耳损耗）,电流通过导体所产生的能量损耗电阻电流质量,

4、P:功率（W）I:电流（A）R:电阻（W）Kf:附加损耗系数:电阻率（Wm）l:导体长度（m）A:导体截面积（m2）J:电流密度（A/m2）m:导体的质量（kg）:密度（kg/m3）,7,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,电阻率,r0:导体0C时的电阻率（Wm）、：电阻温度系数：导体的温度（C）,8,导体的电阻率与温度之间的关系,当温度，忽略 的高次项，则,Kj:集肤系数 Kl:邻近系数,附加损耗系数,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,集（趋）肤效应,导体内部电流交链的磁通不同,导体外部仅交链：f2,导体内部交链：f1 f2,9,2014年10月10日,2-1 电器

5、的发热现象,集（趋）肤效应,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,r:电阻率（Wm）f:电流频率（Hz）m:磁导率（H/m）,透入深度,10,电流频率越高，集肤效应越强；导体材料的导磁率越高，集肤效应越强；导体的电阻率越高，集肤效应越弱。,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,集（趋）肤效应,集肤系数,A:导体截面积（m2）p:导体周长（m）b:透入深度（m）f:电流频率（Hz）r:电阻率（Wm）m:磁导率（H/m）,11,集肤效应的应用,电磁场屏蔽空心导线,钢芯铝绞线表面淬火,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,邻近效应,在电抗器和变压

6、器的发热计算中需要特别注意,12,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,涡流（eddy current）损耗,13,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,涡流的应用,涡流加热斥力机构,电动斥力,14,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,磁滞（magnetic hysteresis）损耗,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。,剩余磁感应强度,矫顽力,15,2014年10月10日,2-1 电器的发热现象,介质损耗,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

7、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（tand）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,16,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,17,2014年10月10日,热传递（Thermal transportation）,2-2 电器的散热,18,2014年10月10日,2-2 电器的散热,热传导,傅里叶定律：单

8、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。,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,:能流密度（J/(m2/s)）l:热导率（W/(K.m)）,热导率与材料、温度等因素有关,银（418.6）铜（393.5）铝（211.9）,19,2014年10月10日,2-2 电器的散热,热对流,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)）q:发热体表面温度（K）q0:流体介质温度（K）A:冷却表面积（m2

9、）,20,2014年10月10日,2-2 电器的散热,热辐射,由电磁波传播能量的方式斯忒藩-玻尔兹曼定律,Pfs:单位面积的辐射功率（W/m2）s:斯忒藩-玻尔兹曼系数（5.6710-8 W/m2/K4）ef:发射率T2:发热体表面温度（K）T1:接收辐射物体的温度（K）,21,2014年10月10日,2-2 电器的散热,高温物体,低温物体,传导,Conduction,对流,Convection,辐射,Radiation,22,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升

10、2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,23,2014年10月10日,2-3 电器的允许温升,发热,耗热,导体,散发,加热升温,热平衡,导体、铁磁体,绝缘体,24,2014年10月10日,2-3 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,25,2014年10月10日,2-3 电器的允许温升,极限允许温升(Temperature rise),定义,电器极限允许温度与工作环境温度之差,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

11、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。,26,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,27,2014年10月10日,2-4 电器的稳定温升计算,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）t:发热体温升（K）t=q-q0（q：发热体温度；q0：周围介质温度）Kt:综合散热系数（W/m2/K）,28,2014年10月10日

12、,电器中线圈的综合散热系数公式,当散热面积为A=(1100)10-4m2时,当散热面积为A=(0.010.05)m2时,2-4 电器的稳定温升计算,29,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,30,2014年10月10日,2-5 典型电器的温升计算,典型发热部件,31,2014年10月10日,外包绝缘层的均匀截面导体,2-5 典型电器的温升计算,裸导体热导率大表面与内部温度基本相同,绝缘层热导率小产生较大温

13、度降落,32,2014年10月10日,“场”问题“路”化,外包绝缘层的均匀截面导体,2-5 典型电器的温升计算,单位时间传导的热量？,P,33,2014年10月10日,“场”问题“路”化,外包绝缘层的均匀截面导体,2-5 典型电器的温升计算,单位时间传导的热量？,热阻：,平板厚度:l截面积：A热导率：l温度差：t=t1-t2,l,t,A,l,P,34,2014年10月10日,“场”问题“路”化,外包绝缘层的均匀截面导体,2-5 典型电器的温升计算,欧姆定律,k,U,A,l,I,导体长度:l截面积：A电导率：k电位差：U,电阻：,35,2014年10月10日,“场”问题“路”化,外包绝缘层的均匀

14、截面导体,2-5 典型电器的温升计算,电路和热路的对应关系,36,2014年10月10日,外包绝缘层的均匀截面导体,2-5 典型电器的温升计算,单位长度导体绝缘层的热阻,n层绝缘层,?,37,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,对细高线圈忽略两端散热只考虑径向的传热和散热,线圈内、外表面温升较低内部某一处温升最高,38,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,P0:线圈单位体积产生的功率（W/m3）l:线圈的热导率（W/K/m）,热平衡关系,:能流密度（J/m2/s)）l:热导率（W/K/m）,39,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型

15、电器的温升计算,40,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,41,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,(1),(2),未知量,1:tw2:tn3:tm4:rm,最关心哪个量?,42,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,在线圈表面的热平衡关系,(3),(4),43,2014年10月10日,(1),(2),空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,(3),(4),44,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,(1),(2),(1)(2),45,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,

16、(3)(4),(3),(4),46,2014年10月10日,(5),空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,(6),(6)(5),47,2014年10月10日,空心线圈,2-5 典型电器的温升计算,(7),(3),(7)(3),48,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,导体常会因需要而设置变截面，如熔断器的熔片等。,中间收细的变截面导体模型,49,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,粗截面部分长度无限延伸忽略径向温度变化只考虑轴向温度分布,收细部分很短可假定为等温体,50,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,研究

17、粗导体中离原点（截面过渡处）x 处、厚为dx 薄层的热平衡。,dPg:dx 薄层导体的发热功率（W）dPx:传入dx 薄层的功率（W）dPx+dx:传出dx 薄层的功率（W）dPk:由dx 薄层侧表面散失的的功率（W）,51,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,p:侧表面单位长度的散热面积，即截面周长（m）,52,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,53,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,解,tm:x=0 处的温升tw:x=处的稳定温升,?,54,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算

18、,55,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,解,56,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,轴向温升分布为一指数曲线收细处温升最高远处与均匀导体温升相等,57,2014年10月10日,变截面导体,2-5 典型电器的温升计算,阶梯形变截面导体:分别对粗、细导体列热平衡方程，求解可得轴向温升分布,58,第2章 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,59,2014年1

19、0月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,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,60,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,根据热平衡原理,dt 时间内的总发热量,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）t:发热体温升（K）t=q-q0（q：发热体温度；q0：周围介质温度）c:比热（J/kg/K）m:质量（kg）dt:温升变化量（K）,dt 时间内的总散热量,dt 时间内的温度升高dt 时所吸收的热量,61,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,工作时间通常

20、8小时,一阶常系数线性微分方程,tw:电器经过无限长时间后的稳定温升（K）,T:电器的热时间常数（s）,62,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,63,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,tw:电器经过无限长时间后的稳定温升（K）t0:电器开始通电时的起始温升（K）,64,2014年10月10日,t,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,65,2014年10月10日,t0=0时,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,66,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,67,2014年10月10日,

21、2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制,若发热全被吸收，散热为零，即绝热过程,t=T 时,68,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,长期工作制绝热情况,绝热条件下t 达到tw 所需时间恰好为T,69,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,热时间常数T 的物理意义,电器在绝热条件下温升达到 tw 所需的时间,70,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,热时间常数T 的物理意义,电器在绝热条件下温升达到 tw 所需的时间,在非绝热情况下，温升从零上升到0.632 tw所需的时间,71,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升

22、,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,72,2014年10月10日,发热曲线,2-6 不同工作制下电器的温升,已知发热曲线，求热时间常数T 的作图法,如果真是绝热情况，发热过程会怎样？,?,73,2014年10月10日,2-6 不同工作制下电器的温升,电器的热惯性,温升不能随时间瞬时变化的现象称为电器的热惯性热时间常数T 是代表热惯性大小的主要参量,比热 c 和质量 m 越大，则时间常数越大综合散热系数 Kt 和散热面积 A 越小，则时间常数越大,74,2014年10月10日,长期工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,切断电源，温升下降，则热平

23、衡方程变为冷却方程,解,冷却曲线是发热曲线的镜像,75,2014年10月10日,长期工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,通电或断电时间超过4T 时，电器的热过程已基本达到稳定。通电（或断电）时间超过4T，即可按长期工作制考虑，不必要求工作时间大于8小时。长期工作制下发热计算公式,76,2014年10月10日,短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,工作时间 4T，t 不会达到tw,为使电器得到充分利用，运行电流可超载（Pd Pc）,只要温升不超过长期通电时的稳定温升即可,?,77,2014年10月10日,t,短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,使短时发热的温升td 小于长时发热

24、的稳定温升twc,td:对应于短时通电时间t 末的短时温升twd:对应于短时工作功率Pd下的电器稳定温升twc:对应于长期工作功率Pc下的电器稳定温升,78,2014年10月10日,短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,使短时发热的温升td 小于长时发热的稳定温升twc,功率过载系数,电流过载系数,79,2014年10月10日,短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,若短时工作时间远小于热时间常数（t T）,过载能力,80,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,通电断电交替循环，通电和断电时间均4T,t1:通电时间t2:断电时间t:工作周期（t=t1

25、+t2）,?,81,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,Pf:反复短时工作的功率twf:功率Pf 对应的稳定温升,t,82,2014年10月10日,反复短时工作制,Pf:反复短时工作的功率twf:功率Pf 对应的稳定温升,2-6 不同工作制下电器的温升,83,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,Pf:反复短时工作的功率twf:功率Pf 对应的稳定温升,第1个周期,升温：,降温：,84,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,第1个周期,升温：,降温：,第2个周期,升温：,降温：,85,201

26、4年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,第2个周期,升温：,降温：,第k个周期,升温：,降温：,86,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,第k个周期,升温：,降温：,功率过载系数,第k个周期的温升tk,?,87,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,功率过载系数,若t T，且 k,电流过载系数,88,2014年10月10日,反复短时工作制,2-6 不同工作制下电器的温升,功率过载系数,电流过载系数,电器标准中通常用通电持续率TD%表示反复短时工作制的繁重程度,功率过载系数,电流过载系数,89,第2章

27、 电器的发热理论,2-1 电器的发热现象2-2 电器的散热2-3 电器的允许温升2-4 电器的稳定温升计算2-5 典型电器的温升计算2-6 不同工作制下电器的温升2-7 电器的热稳定性2-9 小结,2014年10月10日,90,2014年10月10日,2-7 电器的热稳定性,电器的热稳定性,在一定时间内，电器承受短路电流引起的热作用而不至损伤电器的能力,短路电流通过导体时发热的特点,时间短（如：短路时间 tk0.005T）,可按绝热(adiabatic)条件对待,导体允许温度高（如：铜导体为300）,需考虑电阻率随温度的变化,91,2014年10月10日,2-7 电器的热稳定性,短路时导体的热

28、计算,绝热：焦耳发热全部用于升温,Kf:交流附加损耗系数r0:0时导体的电阻率（W.m）a:电阻温度系数（K-1）g:密度（kg/m3）c:比热容（J/kg/K）,92,2014年10月10日,2-7 电器的热稳定性,短路时导体的热计算,解,短路瞬间的起始温度为周围介质温度加上额定电流下的稳定温升,93,2014年10月10日,2-7 电器的热稳定性,电器的热稳定性,电器的热稳定性用 Ik2tk 来表示,解,热稳定时间tk一般取0.5s、1s、2s、4s 等,94,2014年10月10日,2-7 电器的热稳定性,电器的热稳定性,根据能量（热效应）不变（即Ik2tk不变）的原则，对应不同tk 相应的Ik的关系为,短路时导体允许的电流密度为,实际情况更复杂：比热容和短路电流随时间变化,95,2014年10月10日,96,2014年10月10日,97,2014年10月10日,98,2014年10月10日,99,2014年10月10日,100,2014年10月10日,101,2014年10月10日,作业,开关柜中垂直安放的铝母线尺寸为806mm2，表面涂漆，在85时的散热系数KT为12.5W/(m2.)，电阻率r3.7510-8W.m，求该铝母线最大长期允许通过的直流电流。,102,