1、电器导体的发热电器导体的发热 1.何为何为电器发热的允许温升电器发热的允许温升？2.电器发热的允许温升电器发热的允许温升和稳定温升在概念上是否相同和稳定温升在概念上是否相同?3.电器的温升与哪些因素有关？在何种条件下，电器电器的温升与哪些因素有关？在何种条件下，电器将达到其稳态温升？将达到其稳态温升？4.举例说明可能引起电器发热的主要热源。举例说明可能引起电器发热的主要热源。5.集肤效应与邻近效应的实质是什么集肤效应与邻近效应的实质是什么?交流电阻为什交流电阻为什么比直流电阻要大么比直流电阻要大?6.在中高频应用领域中，如果电流较大，通常采用多在中高频应用领域中，如果电流较大，通常采用多股导线
2、，而不是单股同截面导线。请解释其原因。股导线，而不是单股同截面导线。请解释其原因。7.扁平扁平的母线和同样截面的圆导线，哪种载流量大？的母线和同样截面的圆导线，哪种载流量大？为什么？为什么？思考题思考题 电器的允许温升电器的允许温升 1234电器表面的温升计算公式电器表面的温升计算公式电器中的热源电器中的热源电器中的热传递形式电器中的热传递形式第一章第一章 电器导体的发热计算电器导体的发热计算765 各种工作制形式下的电器热计算各种工作制形式下的电器热计算电器典型部件稳定温升的分布电器典型部件稳定温升的分布短路电流下的电器热计算和热稳定性短路电流下的电器热计算和热稳定性基基 本本 内内 容容1
3、-1 电器的允许温升 主要内容：主要内容：一、三种损耗及其影响一、三种损耗及其影响 二、电器各部件的极限允许温升二、电器各部件的极限允许温升 三、电器极限允许温升三、电器极限允许温升 四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升1 1、三种损耗：、三种损耗：导体（铜）的导体（铜）的阻抗损耗阻抗损耗交变电磁场在导磁体（铁）中产生的交变电磁场在导磁体（铁）中产生的磁滞与涡流损耗磁滞与涡流损耗绝缘材料的绝缘材料的介质损耗介质损耗。1-1 电器的允许温升 一、三种损耗及其影响一、三种损耗及其影响 加热电器加热电器散失到周围介质中散失到周围介质中损耗损耗2、电器发热的
4、危害电器发热的危害 电器的各种损耗电器的各种损耗 电器的零部件温度升高电器的零部件温度升高 电器中的金属材料和绝缘材料的温度超过一定极电器中的金属材料和绝缘材料的温度超过一定极限值时，其机械强度和绝缘强度将明显降低。限值时，其机械强度和绝缘强度将明显降低。电器的性能指标降低；电器的性能指标降低；电器的使用寿命降低；电器的使用寿命降低；严重时，烧毁电器。严重时，烧毁电器。电器的零部件材料老化；电器的零部件材料老化；1)金属材料金属材料当金属材料的温度当金属材料的温度高达一定数值以后，其机械强度高达一定数值以后，其机械强度会会显著降低。显著降低。软化点:机械强度开始显著下降时的温度称为材料的软化点
5、。软化点不仅与材料种类有关，还是加热时间的函数，加热时间越短，材料到达软化点的温度越高。以铜为例：长期发热时的软化温度为100200；短时发热时的软化温度为300 C/001002003004005006001000608010012040金属材料机械强度与温度的关系金属材料机械强度与温度的关系长期加热长期加热短时加热短时加热不同金属材料的机械特性不同金属材料的机械特性随温度随温度变化不尽相同。变化不尽相同。C/0O1002003004005006001000608010012040图图2-1 2-1 金属材料机械强度与温度的关系金属材料机械强度与温度的关系硬拉铝硬拉铝青铜青铜钢钢电解铜电解铜
6、铜铜 2)绝缘材料绝缘材料绝缘材料的绝缘特性（例如击穿电压绝缘材料的绝缘特性（例如击穿电压、材料老化等）易受温材料老化等）易受温度影响，当绝缘材料的温度超过一定极限后，其击穿电压明显度影响，当绝缘材料的温度超过一定极限后，其击穿电压明显下降。因此，绝缘材料的极限允许温度将取决于绝缘材料的老下降。因此，绝缘材料的极限允许温度将取决于绝缘材料的老化和击穿特性。化和击穿特性。1000jjUUC/0图图1-2 1-2 瓷的击穿电压与温度的关系瓷的击穿电压与温度的关系O204060 80 100120 140 1602550751001253)3)触头材料触头材料除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题
7、除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题 -电接触。电接触。HOMEHOME3 3、结论：、结论：发热计算研究意义重大：发热计算的目的是研究各种工作发热计算研究意义重大：发热计算的目的是研究各种工作状态的发热，保证这些部分最高温度不超过规定的极限允状态的发热，保证这些部分最高温度不超过规定的极限允许温度，以保证电器工作的可靠性。许温度，以保证电器工作的可靠性。另外发热计算在电气设计中对于另外发热计算在电气设计中对于缩小体积、减轻重量、节缩小体积、减轻重量、节约原材料、延长使用寿命约原材料、延长使用寿命等方面意义重大。等方面意义重大。1-1 电器的允许温升 一、三种损耗及其影响一、三种损耗及其影
8、响 一般铜线安全计算方法是2.5平方毫米铜电源线的安全载流量28A。4平方毫米铜电源线的安全载流量35A。6平方毫米铜电源线的安全载流量48A。10平方毫米铜电源线的安全载流量65A。16平方毫米铜电源线的安全载流量91A。25平方毫米铜电源线的安全载流量120A。如果是铝线，线径要取铜线的1.5-2倍。如果铜线电流小于28A，按每平方毫米10A来取肯定安全。如果铜线电流大于120A，按每平方毫米5A来取。1-1 电器的允许温升 铜的自然属性 铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上
9、的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。金属铜，元素符号CU，原子量63.54,比重8.92，熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。电动机铜线改铝线时，电机功率会降低，因为相同线径的铝线比铜线载流密度小，用大些的铝线嵌不下线。0.79平方铜线的电流密度等于1平方铝线的电流密度。铝具有特殊的化学、
10、物理特性，是当今最常用的工业金属之一，不仅重量轻，质地坚，而且具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和耐核辐射性，是国民经济发展的重要基础原材料。铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。二、电器温升和极限允许温升：二、电器温升和极限允许温升：1 1、“电器温升电器温升”的定义：的定义：电器温升电器温升=电器本身温度电器本身温度-周围环境温度周围环境温度2 2、“电器各部件极限允许温升电器各部件极限允许温升”的定义：的定义：电器极限允许温升电器极限允许温升=电器极限允许温度电器极限允许温度-周围环境温度周围环境温度 我
11、国标准规定周围空气的温度范围为我国标准规定周围空气的温度范围为40401-1 电器的允许温升 粒于运动速度高，形成旋涡式的紊乱运动。I：流过钢导体的电流，0085(5-25)1-2 电器的热源何为电器发热的允许温升？强迫对流是在外界因素强迫作用下形成的，例如用气流或液流进行强吹和强冷，这在某些强电流电器或高频电器中采用。（1）电流同向：相邻侧感应的反电势大些，故电流密度小些；3、单位体积流体介质由对流而散失的功率：电器的使用寿命降低；1-3 电器的热传递形式4、温升计算：温度决定电器各部件工作性能，但是考核电器质量时以温升作为指标。1-3 电器的热传递形式自然对流：流体质点因温度升高而上升形成
12、的对流；固定接触连接部分的发热不应超过其它部分载流导体的发热1、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点电器的允许温升4、绝对黑体、绝对白体与灰色体：集肤效应的大小用电磁波在导体中的渗入深度b表示0085(5-25)一般铜线安全计算方法是3 3、电器极限允许温升制定依据：、电器极限允许温升制定依据：保证电器的绝缘不致因温度过高而损坏不致因温度过高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力学性能，还要保证点接触性能可靠1-1 电器的允许温升 铅酸是采用酸的水溶液做电解液，低温导电性能影响很大，电极反应变慢。锂电池是有机电解液，它的容量在25度左右发挥的更好，温度超过35度，容量开
13、始下降，低于15度，容量也下降较大，但比铅酸的好多了，温度回到室温，容量又会恢复。环境温度对电动车电池容量的影响 在不同的环境温度下，实测的电池容量与25时的容量是不一致的，温度越低，电池的放电容量越小，反之越大。为了规范判别，应该把任意环境温度下的电池容量折算为25时的容量，计算公式为：Ce=Cr/1+K(t-25)式中：Ce为25下电池的放电容量 Cr为非标准温度下的放电容量 t为实际环境温度 K为温度系数，2小时率放电为0.0085/1-1 电器的允许温升 举例说明：放电时的环境温度为5，电池的放电时间为60分钟。那么Cr只有5Ah，折算成25的容量为：Ce5/1+0.0085(5-25
14、)5/1+0.0085(-20)5/1+(-0.17)5/0.83 6.02Ah 从以上计算可以看出，温度降低20，2小时率放电电池容量减少约1Ah。大家可以知道温度对电池容量的影响。现在的电池，大多是化学电池！在一定的温度范围内，电池液的化学性质才是活泼的！此时电量充足、漏电小。低于零下，大部分化学物质会部分结晶，造成电量大幅下降！而高于55度，电池负阳极物质间漏电加剧！也会造成电量下降！1-1 电器的允许温升 三、电器极限允许温升三、电器极限允许温升 （按相关国家温升试验标准进行测量）：（按相关国家温升试验标准进行测量）：1 1、电器中、电器中裸导体裸导体的极限允许温升应小于材料软化点的极
15、限允许温升应小于材料软化点 （机械性能显著下降即软化）。（机械性能显著下降即软化）。2 2、对绝缘材料和外包绝缘对绝缘材料和外包绝缘的导体：其极限允许温升的的导体：其极限允许温升的 大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。3 3、对于、对于触头材料触头材料，除考虑机械强度外，还要考虑氧化，除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题（详见第和其他问题（详见第6 6章电接触理论）章电接触理论）1-1 电器的允许温升 4、温升计算：温度决定电器各部件工作性能，但是考核电器质量、温升计算：温度决定电器各部件工作性能，但是考核电器质量时以温升作为指标。而电器运行场所的环境温
16、度因地而异，故只时以温升作为指标。而电器运行场所的环境温度因地而异，故只能规定一个统一的环境（我国规定为能规定一个统一的环境（我国规定为35 35 ），据此在计算规定），据此在计算规定的允许温升的允许温升 ，若令零部件温度为，若令零部件温度为 ，则有：，则有：1-1 电器的允许温升 35 我国的国家标准、部标准、企业标准中，按电我国的国家标准、部标准、企业标准中，按电器不同零部件的工作特性，对其允许温升都有器不同零部件的工作特性，对其允许温升都有详细的规定！详细的规定！6、短路通过短路电流时的极限允许温度：我国标准未作统一规定！一般要求：油中的裸导体不应超过油中的裸导体不应超过250 250
17、不和有机绝缘材料或油接触的不和有机绝缘材料或油接触的 铜或黄铜部件不应超过铜或黄铜部件不应超过300 300 铝在任何情况下铝在任何情况下不应超过不应超过200 200 固定接触连接部分的发热不应超过其它部分载流导体的发热固定接触连接部分的发热不应超过其它部分载流导体的发热 电器主触头温度限制在电器主触头温度限制在200 200 以内以内 弧触头要求不熔焊弧触头要求不熔焊1-1 电器的允许温升 虽然各种标准中对电器载流体于短路时通过短路电流时的极限允虽然各种标准中对电器载流体于短路时通过短路电流时的极限允许温度未作统一规定，但是多年来一直以不超过下表规定为准则。许温度未作统一规定，但是多年来一
18、直以不超过下表规定为准则。1-1 电器的允许温升 载流部件载流部件极限允许温度极限允许温度/铜铜黄铜黄铜铝铝钢钢未绝缘导体未绝缘导体300300200400包绝缘导体包绝缘导体Y级级200200200200未绝缘导体未绝缘导体A级级250250200250包绝缘导体包绝缘导体B、C级级3003002004001-1 电器的允许温升 四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升 电器各部分的温度是用一定的测量方法得到的，标准中电器各部分的温度是用一定的测量方法得到的，标准中所规定的允许温度和测量方法有关。所规定的允许温度和测量方法有关。电器各部分的允许温升及测
19、量方法具体可参考有关电器电器各部分的允许温升及测量方法具体可参考有关电器技术标准。技术标准。我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升见表我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升见表1-11-1。我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度：我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度：1-1 电器的允许温升 产生产生热源的三热源的三个个主要方面：主要方面：电阻电阻（含接触电阻）（含接触电阻）损耗损耗、交流电器导磁材料的交流电器导磁材料的涡流涡流和和磁滞损耗磁滞损耗，以及交以及交流电器绝缘材料的流电器绝缘材料的介质损耗介质损耗。此外还有电器运动部分此外还有电器运动部分产生的产生的摩擦撞击损耗摩擦撞击损耗。一、一、电阻损
20、耗电阻损耗 二、二、铁磁损耗铁磁损耗 三、三、介质损耗介质损耗 1-2 电器的热源 各种工作制形式下的电器热计算25平方毫米铜电源线的安全载流量120A。硅钢片单位质量铁磁损耗与磁感应强度的关系电器发热和冷却过程曲线（三条发热、一条冷却3）。“热稳定电流”定义：在规定的使用和性能条件下，开关电器在指定短时间内、于闭合位置上所能承受的电流。Kf:考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数，数值大小为Kf=Kl*Kj (Kl为邻近系数，Kj为集肤系数)；绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率f成比例，高压电器一般要考虑此损耗。1-5 不同工作制下电器的热计算其次，对于有效散热面的选取，也必须跟据不
21、同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。1-5 不同工作制下电器的热计算（按相关国家温升试验标准进行测量）：1-5 不同工作制下电器的热计算 1-3 电器的热传递形式电器这种温升不能随时间瞬时变化的现象称为电器的热惯性，而代表热惯性大小的主要参量就是热时间常数，它是研究电器动态热过程的重要物理量。分析电器的冷却过程：式中 div：向量，矢量；铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。“绝对黑体”：对辐射波全吸收、不反射的物体。4、温升计算：温度决定电器各部件工作性能，但是考核电器质量时以温升作为指标。式中 、0的单位为；一、电阻损耗：一、电阻损耗：也称焦耳损耗。
22、也称焦耳损耗。1、计算公式：、计算公式：Kf:考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数，考虑集肤效应和邻近效应的附加损耗系数，数值大小为数值大小为Kf=Kl*Kj (Kl为邻为邻近系数近系数，Kj为为集肤系数集肤系数)；J为导体电流密度；为导体电流密度；R:电阻，电阻，R=l/A l/A 为导体材料的密度。为导体材料的密度。电阻率与温度之间的关系可表示为：电阻率与温度之间的关系可表示为：=0 0（1+1+2 2+）100100以内时，电阻以内时，电阻R=R=0 0(1+)(1+)*l/l/A A1-2 电器的热源 mJKAlJKAlAIKAlIKRIKPfffff222222NoImage2 2、
23、集肤效应：、集肤效应：交变磁通在导体内产生交变磁通在导体内产生反电势，中心部分的反电势反电势，中心部分的反电势值比外表部分的大，导致导值比外表部分的大，导致导体中心的电流密度比外表部体中心的电流密度比外表部分小。分小。集肤效应的大小用电磁集肤效应的大小用电磁波在导体中的渗入深度波在导体中的渗入深度b b表示表示1-2 电器的热源 渗入深度渗入深度b b的大小为：的大小为：b b 2f式中，式中，：电阻率；：电阻率；f f：频率；：频率；：磁导率。：磁导率。由于由于b b越小，集肤效应就越强。越小，集肤效应就越强。由上式可知，当频率由上式可知，当频率f f越高时，渗入系数越高时，渗入系数b b越
24、小，则越小，则集肤效应越强。集肤效应越强。1-2 电器的热源 3 3、集肤系数、集肤系数K Kj j：2jAAfKP bP 式中，式中，A A：导体截面积；：导体截面积；P P：导体周长。：导体周长。由此式知，由此式知，f f越高，集肤效应越强。越高，集肤效应越强。1-2 电器的热源 4 4、集肤系数、集肤系数K Kj j的查表求解：的查表求解：（1 1）圆截面圆截面导体：先导体：先求求100m100m长导体的直流电阻长导体的直流电阻R R100-100-，再求，再求 ，查，查图图1-41-4，得，得K Kj j。1 0 0fR1-2 电器的热源（2 2）矩形截面导矩形截面导体的体的K Kj
25、j值查表值查表1-21-2得。其中得。其中,k ke e25 10/fab1-2 电器的热源 10m801.6210.0043oC100-0llR=(1+)AA100100时长时长100100米导体的直流电阻为米导体的直流电阻为4、一铜质圆截面导体，直径为、一铜质圆截面导体，直径为6cm,当通过当通过50Hz交流电流时工交流电流时工作温度为作温度为100C，试求导体的集肤系数和长，试求导体的集肤系数和长100m的交流电阻。的交流电阻。交流交流R100(=Kj R100-)？解：已知铜导体解：已知铜导体00时的阻率和电阻温度系数分别为：时的阻率和电阻温度系数分别为：2824101.62 10(1
26、 0.0043 100)6()1024102.8-41/21/2100f/R=50/8.210(/)=247(/)HzHz1.7jK再求出再求出由图由图1-41-4曲线查出：曲线查出：故当故当100100时长时长100m100m导体交流电阻为导体交流电阻为41001001.7 8.2 1010jRK R413.95 5、邻近效应邻近效应：由于相邻载流导体间磁场的相互作由于相邻载流导体间磁场的相互作用，使两导体内产生电流发布不均匀的现用，使两导体内产生电流发布不均匀的现象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向象。邻近效应与相邻载流导体内电流流向有关。有关。（1 1）电流同向：相邻侧感应的反电势）电流
27、同向：相邻侧感应的反电势大些，故电流密度小些；大些，故电流密度小些；（2 2）电流反向：相邻侧感应的反电势）电流反向：相邻侧感应的反电势小些，故电流密度大些，图小些，故电流密度大些，图1-51-5。1-2 电器的热源 6 6、对圆截面导体：邻近效应系数、对圆截面导体：邻近效应系数K Kl l，查表，查表1-31-3，其中系数，其中系数K Kx x=，l l是导体中心线距离，是导体中心线距离，d d是导体直径。是导体直径。100fR1-2 电器的热源 因此，在电器发热计算时，只要是通电(或断电)时间超过4T，即可按长期工作制考虑，一而不必要求工作时间大于8h。d：对应短时工作制通电时间t末时的短
28、时温升（t4T）；因此，在电器发热计算时，只要是通电(或断电)时间超过4T，即可按长期工作制考虑，一而不必要求工作时间大于8h。（2）辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化；不要试图测量电阻的功率！硅钢片单位质量铁磁损耗与磁感应强度的关系式中 t1：通电时间；电器的比热容C和质量m越大，散热系数KT和散热面积A越小时，T值越大。温差的存在是热交换的必要条件！一、外包绝缘层的圆截面导体求证：在绝缘条件下，当=w时，通电时间 t=T（T是电器的热时间常数）？电器的工作制有长期工作制、间断长期工作制、反复短时工作制和短时工作制四种。大小由绝缘材料的老化和击穿特性决定。第一章 电器导体的发热计算5/1+
29、0.（2）电流反向：相邻侧感应的反电势小些，故电流密度大些，图1-5。1-5 不同工作制下电器的热计算（2）电流反向：相邻侧感应的反电势小些，故电流密度大些，图1-5。产生热源的三个主要方面：电阻（含接触电阻）损耗、交流电器导磁材料的涡流和磁滞损耗，以及交流电器绝缘材料的介质损耗。1-5 不同工作制下电器的热计算 二、铁磁损耗：电器中的载流导体在附近的铁磁零电器中的载流导体在附近的铁磁零件中产生交变磁通，从而在铁磁体件中产生交变磁通，从而在铁磁体中产生涡流和磁滞损耗。中产生涡流和磁滞损耗。图图1-6 1-6 两种厚度不同的硅钢两种厚度不同的硅钢片（材料片（材料D31D31与与D43,D43,厚
30、度厚度0.5mm0.5mm（实（实线）与线）与0.35mm0.35mm（虚线）单位质量（虚线）单位质量的铁磁损耗与磁感应强度的关系图的铁磁损耗与磁感应强度的关系图。1-2 电器的热源 图图1-7 1-7 估算实心钢导体损耗曲线。图中，估算实心钢导体损耗曲线。图中，I I：流过钢导体的电流，：流过钢导体的电流，P P：导体截面周长，：导体截面周长，A A：外表面积，：外表面积，f f：电流频率，：电流频率，P Pmm：钢导体损耗。：钢导体损耗。1-2 电器的热源 二二.铁磁损耗铁磁损耗 电器中的载流导体有电器中的载流导体有时要从铁磁零件附近通时要从铁磁零件附近通过。由于铁的磁导率高过。由于铁的磁
31、导率高，磁通将通过铁磁零件，磁通将通过铁磁零件而成闭路。如果导体通而成闭路。如果导体通过的电流为交流，则交过的电流为交流，则交变磁通在铁磁体内产生变磁通在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。涡流和磁滞损耗。Bi1-2 电器中的热源iiiBBB00.51.01.51234TB/)kgW/(1mP硅钢片单位质量铁磁损耗与磁感应强度的关系硅钢片单位质量铁磁损耗与磁感应强度的关系D31D42实线实线:厚厚0.5mm0.5mm,虚线虚线:厚厚0.35mm0.35mm三、介质损耗：绝缘材料在交变电场中的损耗与电场强度E和频率f成比例，高压电器一般要考虑此损耗。其大小为：式中 p：介质损耗功率；f：电场交变频率；C
32、：介质的电容；U：外加电压；tan：绝缘材料重要特征之一，与温度、材料、工艺等有关。：介质损耗角；tan大时，介质损耗也大。22tanpf C U1-2 电器的热源 1-3 电器的热传递形式电器散热有三种形式，即 热传导、热对流和热辐射。电器的热损耗由它们散失到周围。一、热传导：一、热传导：热传导现象的热传导现象的实质实质是质点间的直接作用，把能量从一个质是质点间的直接作用，把能量从一个质点传递到另一个相邻质点。点传递到另一个相邻质点。它存在于绝缘的它存在于绝缘的液体、固体、气体液体、固体、气体中。中。在绝缘的液体和固体中，质点间的能量传递是通过在绝缘的液体和固体中，质点间的能量传递是通过弹性
33、波弹性波进行的。气体的热传导还伴随着原子和分子的扩散，金属中则进行的。气体的热传导还伴随着原子和分子的扩散，金属中则有电子的扩散。有电子的扩散。1-3 电器的热传递形式 1、两等温线的温差与等温线间距之比的极限称为温度梯度：在单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热量称为热流密度，即：Q:热量；A：面积；t:时间 gradnnn)(0limAtQq 热传导是固态物质传热的主要方式，热传导是固态物质传热的主要方式，温差的存在是热交换的必要条件！温差的存在是热交换的必要条件！1-3 电器的热传递形式 分析热传导现象必须用到著名的傅里叶定律: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，即
34、：gradnnnq)(0lim 式中 ：材料热导率，单位为w/(m*k)，各种物体有不同的热导率，由其物理性质决定。越大，物体的热传导能量越强，且有“金属非金属液气”。由于热量是向温度降低的方向扩散，而温度梯度则是指向温度升高的方向，故上式有一负号。2、热传导功率：式中 div：向量，矢量；：热导率，表征物体热传导能力的重要参数，它与材料、温度等许多因素有关。多数材料在一定温度范围内与温度近似呈线性关系。即：=，热导率范围甚大，银为425，铜为390。，铝为210，黄铜为85，某些气体为：0.006。见图1-8“金属和液体的热导率与温度的关系”。()cdPdivgrad 0(1)b 1-3 电
35、器的热传递形式 1-3 电器的热传递形式本节只分析导体和线圈的稳定温升分布。“绝对白体”：对辐射波全反射、不吸收的物体，因其本身缺乏大量热能，故其发射能力最强，发射率 =1，而放射能力三、电器极限允许温升能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。强迫对流：质点在外力作用下被迫流动形成的对流；1-5 不同工作制下电器的热计算dQ:在dt时间内以对流形式散出的热量1-1 电器的允许温升当图t=T时,=0.发热体附近流体介质的对流电器的允许温升空心线圈内部温升分布必然是：线圈内、外表面的温升较低，内部某一处的温升最高。
36、电器极限允许温升=电器极限允许温度-周围环境温度由于相邻载流导体间磁场的相互作用，使两导体内产生电流发布不均匀的现象。1-5 不同工作制下电器的热计算不要试图测量电阻的功率！不要试图测量电阻的功率！1-3 电器的热传递形式35mm（虚线）单位质量的铁磁损耗与磁感应强度的关系图。我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度：二、热对流：二、热对流：1 1、只存在于流体（液体和气体）中。本质是通过粒子互相移动而、只存在于流体（液体和气体）中。本质是通过粒子互相移动而产生热能转移，对流常伴有热传导现象，有产生热能转移，对流常伴有热传导现象，有自然对流自然对流和和强迫对流强迫对流两种方两种方式。式。定义：定义
37、：自然对流：流体质点因温度升高而上升形成的对流；自然对流：流体质点因温度升高而上升形成的对流；强迫对流：质点在外力作用下被迫流动形成的对流；强迫对流：质点在外力作用下被迫流动形成的对流；1-3 电器的热传递形式 自然对流发生在不均匀加热的流体中，在高温区，粒子密度比低温自然对流发生在不均匀加热的流体中，在高温区，粒子密度比低温区的小，温度较高的粒子向上迁移，温度较低的粒子向下迁移。这种因区的小，温度较高的粒子向上迁移，温度较低的粒子向下迁移。这种因粒子密度的不均匀性产生的自然上升力和下降力，导致了流体中的自然粒子密度的不均匀性产生的自然上升力和下降力，导致了流体中的自然对流和热交换。在中小容量
38、电器中，一般都采用自然对流散热。对流和热交换。在中小容量电器中，一般都采用自然对流散热。1-3 电器的热传递形式核裂变热量-加热水-蒸汽-汽轮机-电力危急冷却系统：为了应付核电站一回路主管道破裂的极端失水事故的发生，近代核电站都设有危急冷却系统。它是由注射系统和安全壳喷淋系统组成。一旦接到极端失水事故的信号后，安全注射系统向反应堆内注射高压含硼水，喷淋系统向安全壳喷水和化学药剂。便可缓解事故后果，限制事故蔓延。强迫对流是在外界因素强迫作用下形成的，例如用气流或液流进行强吹和强冷，这在某些强电流电器或高频电器中采用。热对流形式热对流形式 层流：层流：粒子运动速度较低，运动粒子运动速度较低，运动平
39、稳，平行分层运动。平稳，平行分层运动。紊流：紊流：粒于运动速度高，形成旋粒于运动速度高，形成旋涡式的紊乱运动。涡式的紊乱运动。发热体附近流体介质的对流发热体附近流体介质的对流 1-3 电器的热传递形式2 2、热对流时，散热能力主要决定于边界层，因为此处温度变、热对流时，散热能力主要决定于边界层，因为此处温度变化最大。热量传递随流体性质而异，直接影响此过程的因素化最大。热量传递随流体性质而异，直接影响此过程的因素有：热导率、比热容、密度和粘滞系数。有：热导率、比热容、密度和粘滞系数。对流形式热交换可按以下经验公式计算：对流形式热交换可按以下经验公式计算：式中式中 dQ:dQ:在在dtdt时间内以
40、对流形式散出的热量时间内以对流形式散出的热量 ：发热体和周围的介质温度：发热体和周围的介质温度 A A：散热面的面积；散热面的面积；：对流散热系数一般由实验方式确定。：对流散热系数一般由实验方式确定。AdtKdQC)(00、CK3、单位体积流体介质由对流而散失的功率：式中，c、v：分别为流体的比热容、密度、速度。1-3 电器的热传递形式4、实际电器的发热用分析方法计算对流散热往往比较困难。这时可根据相似理论，通过模型试验，求出散热系数。例如：自然散热对流可用下列公式计算：1-3 电器的热传递形式式中 ：发热体表和流体介质温度 A：散热面的面积；：对流散热系数，一般由实验方式确定。0、dlK例如
41、：空气中垂直安放的平板形导体，对流系数为：1-3 电器的热传递形式例如：空气中水平安放的平板形导体，发热面向上，对流系数为：例如：变压器油中垂直安放的平板导体，对流系数为：变压器油中垂直安放的平板导体，由于表面温度沿高度的分布不同，下面的温度低，上面的温度高，因而沿高度的散热系数也不同，下面的大，上面的小。三、热辐射三、热辐射：1、定义、定义 由电磁波传播能量，不需直接接触的传热方式。1-3 电器的热传递形式2、热辐射的方式：热能（发热）（转变为）辐射能（实质是一种电磁波）（转变为）热能（被吸收）3、热辐射时，单位面积上的热发射功率fs计算：发热体表面热力学温度，K；0：受热体的绝对温度，K。
42、式中 ：发射率，见表1-5；84405.67 10()fsff 1-3 电器的热传递形式 结论：由于电器极限允许温度低（仅有几百度），因而辐射功率较小，电器散热通常考虑的方式是：热传导和热对流。对于电弧而言，辐射功率不能忽视。电器典型部件稳定温升的分布电器在经受短路电流通过时应有一定的热稳定性。三、电器极限允许温升1-2 电器的热源自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。“热稳定电流”定义：在规定的使用和性能条件下，开关电器在指定短时间内、于闭合位置上所能承受的电流。强迫对流是在外界因素强迫作用下形成的，例如用气流或液流进
43、行强吹和强冷，这在某些强电流电器或高频电器中采用。t：工作周期，tt1+t2。KTAdt 在dt时间内电器的总散热量，四、我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升4平方毫米铜电源线的安全载流量35A。式中 div：向量，矢量；为了规范判别，应该把任意环境温度下的电池容量折算为25时的容量，计算公式为：表征温度上升和下降快慢的是热时间常数，热时间常数与发热体的质量和比热成正比，与散热系数和散热面积成反比。式中，wf：反复短时工作制通电时间下的稳定温升；在一定的温度范围内，电池液的化学性质才是活泼的！1-3 电器的热传递形式本节只分析导体和线圈的稳定温升分布。由于功率只有1/8w、1/4w、1/2、1
44、、2.推论2：由切线与w的交点作一垂线与曲线2相交，该交点对应的温升0.4 4、绝对黑体、绝对白体与灰色体：、绝对黑体、绝对白体与灰色体：“绝对黑体”：对辐射波全吸收、不反射的物体。因其含有大量：对辐射波全吸收、不反射的物体。因其含有大量热能，故其发射（即本身热辐射）和吸收能力最强，发射率热能，故其发射（即本身热辐射）和吸收能力最强，发射率 =1；“绝对白体”：对辐射波全反射、不吸收的物体，因其本身缺乏：对辐射波全反射、不吸收的物体，因其本身缺乏大量热能，故其发射能力最强，发射率大量热能，故其发射能力最强，发射率 =1，而放射能力 “灰色体”：相对处于中间状态的物体。：相对处于中间状态的物体。
45、ff 1-3 电器的热传递形式 5、热辐射的特点热辐射的特点（1 1）辐射换热不依赖物体的接触而进行热量传递辐射换热不依赖物体的接触而进行热量传递;（2 2）辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化辐射换热过程伴随着能量形式的两次转化；（3 3）一切物体只要其温度一切物体只要其温度T0K，都会不断地发射热射线。，都会不断地发射热射线。（4）物体吸收率）物体吸收率：投射到物体上而被吸收的热辐射能与投射到物体上的总投射到物体上而被吸收的热辐射能与投射到物体上的总热辐射能之比称为该物体的吸收率。热辐射能之比称为该物体的吸收率。1-3 电器的热传递形式（5）物体反射率）物体反射率：从非发光体表面反射的辐射
46、与入射到该表面的总辐射之比，从非发光体表面反射的辐射与入射到该表面的总辐射之比，它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为它是表征物体表面反射能力的物理量。绝对黑体的反射率为0，纯白物体的反射率为纯白物体的反射率为1，实际物体的反射率介于，实际物体的反射率介于0与与1之间。之间。（6）物体透射率）物体透射率：透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的透射是入射光经过折射穿过物体后的出射现象。被透射的物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。物体为透明体或半透明体，如玻璃，滤色片等。1-3 电器的热传递形式 牛顿公式牛顿公式 电器表面稳定温升与工作制有关。计算电器表面稳定温升时
47、，一般是将三种散热方式合在一起，用牛顿热计算公式求电器表面的稳定温升值，即：式中，Ps：总散热功率；A：有效散热面积；：发热体温升，-0，和0是发热体温度和周围环境温度。KT：导体表面综合散热系数，实验数据参见表1-6，单位w/m2。sTPK A 1-4 电器表面稳定温升计算方法 1-4 电器表面稳定温升计算方法 1-4 电器表面稳定温升计算方法 综合散热系数综合散热系数，包含了所有的散热形式，因而各种具，包含了所有的散热形式，因而各种具体条件对体条件对K KT T数值的影响极大，而数值的影响极大，而K KT T的实验数据往往又是在的实验数据往往又是在特定条件下得到的，这就要求在选用时必须镇重
48、对待。特定条件下得到的，这就要求在选用时必须镇重对待。其次，对于其次，对于有效散热面有效散热面的选取，也必须跟据不同的具的选取，也必须跟据不同的具体对象，对散热情况进行分析后确定。体对象，对散热情况进行分析后确定。1-4 电器表面稳定温升计算方法根据相似理论求得导体的综合散热系数数值计算公式如下：根据相似理论求得导体的综合散热系数数值计算公式如下：和0：是发热体表面和流体介质的温度，单位K;l0 ：导体单位长度，单位m;：发射率，无量钢量。f 1-4 电器表面稳定温升计算方法 对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：对于电器中的线圈，综合散热系数公式为：当散热面积为当散热面积为A=(1100)A
49、=(1100)1010-4-4 m m2 2 时，时，当散热面积为当散热面积为A=(0.010.05)mA=(0.010.05)m2 2 时，时，34046/10TKA1+0.005（）34023/10TKA1+0.05（）式中式中 、0 0的的单单位位为为；A A 的的单单位位为为mm2 2。国标规定电器有四种工作制国标规定电器有四种工作制：长期工作制长期工作制 间断长期工作制间断长期工作制 短时工作制短时工作制 反复短时工作制反复短时工作制 1-5 不同工作制下电器的热计算 1-5 不同工作制下电器的热计算cmddtAKPdtT 一、长期工作制：电器工作于长期工作制时，其工作时间常数大于8
50、h,有的连续工作几天，甚至几个月。实际上电器达到稳定温度的时间往往不需要8h或更长时间。电器通电产生的功率损耗一部分散失到周围介质中去，一部分加热电器电器通电产生的功率损耗一部分散失到周围介质中去，一部分加热电器使其温度升高。根据热平衡原理，电器的发热等于散热加吸热使其温度升高。根据热平衡原理，电器的发热等于散热加吸热(用于电器升用于电器升温温)，即，即Pdt在dt时间内电器的总发热量，KTAdt 在dt时间内电器的总散热量，cmd 在dt时间内电器温度升高d所吸收的热量c比热容，m发热体质量分析发热：当在分析发热：当在t=0，=0；t=，=w=P/KTA时的条件下，温时的条件下，温升发热计算
