第3章电气发热与计算

第3章
电气发热与计算
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内容提要： 主要从理论上讲述发热对载流导体产生的不 良影响，以及防止电气发热的方法与措施。 载流导体长时和短时的发热与散热工程。 本章重点： 重点掌握电气发热的原因与危害，掌握防止 电气发热的方法与措施。 熟悉电气发热的各种计算和提高导体长期允 许通过载流量计算方法与措施。
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2 Pw f 2 Bm
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涡流
I
I
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3.1.3载流导体运行中的损耗
4、介质损耗 电气绝缘材料称电介质。 电介质能建立电场，储存电场能量，也能消 耗电场能量。短期较高的电场强度会引起电介质 击穿破坏，长期较低的电场强度会导致电介质老 化破坏。 交变电场的电导损耗和电介质被周期性反复 极化产生的损耗称为介质损耗。 在电场的作用下，电介质会发生极化、电导、 介质损耗和击穿四种基本物理过程。 电介质的功率损耗： PJ CU 2 tan
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105℃
104
103.6
用“八度规则”经验规律来大致估算绝缘 材料的使用寿命： 温度每上升8℃，其寿命降低一半。
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（3）绝缘材料的允许温度 为了防止过高的发热对电器及载流导体带 来的危害，人们对电器及载流导体在设计和运 行时，制定了一个允许温度。在此温度下，保 证电器及载流导体能够保持连续、正常地工作。 允许温度：是用一定方法测定的电器元件 允许达到的最高温度。 设备和导体上的任一部分都不能超过允许 温度。
3、铁磁损耗（铁损） （1）磁滞损耗 铁磁物质在交变磁场的反复磁化作用下， 由于内部的不可逆过程而使铁磁物质发热所造 成的损耗，称为磁滞损耗。 磁滞损耗经验公式： n P cz fBm
磁滞损耗与频率 f 的一次方成正比，与最大磁感 强度Bm的n次方成正比。
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磁滞回线
B
Bm Br
Br：剩磁 Hc：矫顽力 Hc Hm H
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2、表面膜电阻 在电接触的接触面上，由于污染而覆盖着一 层导电性很差的物质，这就是接触电阻的另一部 分——表面膜电阻。 表面膜电阻的类型； （1）尘埃膜 （2）吸附膜 （3）无机膜 （4）有机膜
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（ 1 ）尘埃膜：飘扬于空气中的团状微粒， 由于静电的吸力而覆盖于接触表面形成膜电阻。 被吸附的微粒在外力作用下极易脱落，使接 触重新恢复，因此其电阻值的变化是不稳定的， 具有随机的和统计的特点。 （ 2 ）吸附膜：水分子和气体分子在接触表 面的吸附层。 其厚度仅有几个分子层。当触头间的压力在 接触面上形成很高的压强时，其厚度可以减到 1～2个分子层(5～10Å)，但无法用机械的办法把 它完全排除。因此，无论采用何种触头材料，吸 附膜都是不可避免的。
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（1）绝缘材料的耐热温度 耐热温度：绝缘材料的绝缘性能开始显著降 低以前的温度。 导体的绝缘材料在温度的长期作用下会逐渐 老化，并逐渐丧失原有的机械性能和绝缘性能。 绝缘材料在其耐热温度下能工作20000h而不 致损坏。 危害：绝缘材料的老化，使绝缘材料变脆弱， 绝缘性能显著下降，就可能造成绝缘材料的击穿。 按国内标准，电气绝缘材料的耐热温度分为 七级。
－Hc
－Hm
O
磁感强度B的变化总是滞后于磁场强度 H的 变化，叫做磁滞现象。
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3.1.3载流导体运行中的损耗 （2）涡流损耗 当铁磁物质放置在变化着的磁场中，或者在 磁场中运动时，铁磁物质内部会产生感应电流。 感应电流在铁磁物质内部呈涡旋状，称为涡流。 由于铁磁材料也具有电阻，所以产生功率损 耗。 涡流损耗与电源频率 f 的二次方成正比，与 磁感强度最大值Bm的二次方成正比。
电器中的热源主要来自三个方面： 交流电器的导体中产生的电阻损耗； 交流电器的铁磁物质内产生的涡流和磁滞损耗； 交流电器绝缘体内产生的介质损耗。
1、电阻损耗 输电线或电磁线的导体本身和机械连接处 都有电阻存在。当直流电流通过时，即产生电 阻损耗。
电阻损耗的功率： PR = I R
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3.1.3 载流导体运行中的损耗 2、附加损耗 由导体内的趋肤效应和邻近效应所产生。 当直流电流流过导体时，电流线在导体中的 任一横截面处的分布都是均匀的，故金属导体能 得到充分地利用。 （1）趋（集）肤效应： 当导体中通过交流电 流时，产生使电流趋于表 面的现象。 交流电流的频率越高 ， 趋肤效应越强。
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（2）邻近效应： 由于两个相邻的载流导体之间磁场的相互 作用，而使导体截面中电流线分布改变。 如果两导体中电流方向相同，则在两导体 相邻近的一侧电流密度的较小，而相，则在两导体相 邻近的一侧电流密度的较大，而相反的一侧，电 流密度则较小。
2003年2月2日18时左右，哈尔滨市道外区天 潭酒店发生火灾。死亡33人，受伤10人。 事故原因：电器设备过载发热引起导线短路
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浙江省湖州市吴兴区“福音大厦”火灾 2006 年 14 日 4 时许，浙江省湖州市吴兴区织 里镇个体商厦 ——“福音大厦”发生火灾。火灾 造成15人死亡，1人失踪。
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3.1 电气发热的危害
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2、机械强度下降 当导体的温度超过一定允许值后，过高的 温度会导致导体材料退火，使其机械强度显著 下降。
铝和铜导体在温 度 分 别 超 过 100℃ 和 150℃ 后 ， 其 抗 拉 强 度急剧下降。当短路 时，在电动力的作用 下，就可能使导体变 形，甚至使导体结构 损坏。
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Al
Cu
1-连续发热 2-短时发热
动触头 静触头
触头是电器的 最薄弱环节，容易 发生故障。
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(3)滑动及滚动接触 在工作过程中触头可以互相滑动（或滚动） 的接触方式称为滑动(或滚动)接触。 高压断路器的中间触头、公共电车及电气火 车的电源引进部分。
高压断路器?
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3.2.2 接触电阻的组成 接触电阻Rj由收缩电阻Rs和表面膜电阻Rb两部 分组成 1、收缩电阻 无论用什么工艺切开导体， 或切开后对切面无论用什么工 艺实行精加工，切面表面总是 凸凹不平的，总是有宏观和微 观上的波纹,表面粗糙等。 当两个接触面接触时，实 际上只有若干个小块面积相接 触，而在每块小面积内，又只 有若干小的突起部分相接触， 称为接触点。
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在接触处，金属的实际 截面积减小了。 电流在流经电接触区域 时，从原来截面较大的导体 突然转入截面很小的接触点， 电流线发生剧烈收缩现象。 该现象所呈现的附加电 阻称为收缩电阻。
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因为接触点由多个组成， 所以整个接触面的收缩电阻 Rs ， 为各个接触点收缩电阻的并联 值。 整个接触面的收缩电阻 Rs 与材料的电阻率ρ成正比，与材 料硬度（HB值）的平方根成正 比，与压力 F和接触点的数目 n 的二次方根的乘积成反比。
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3、导体接触部分性能变坏 当接触连接处温度过高时，接触连接表面 会强烈氧化、硫化，并产生一层电阻率很高的 氧 ( 硫 ) 化层薄膜，从而使接触电阻增大，接触 连接处的温度更加升高。 当温度超过一定允许值后，就会形成恶性 循环，导致接触连接处烧红，松动甚至熔化。
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3.1.3
载流导体运行中的损耗
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各级绝缘材料的耐热温度 耐热 等 温度 级 /℃ F 相 应 的 材 料
以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的 云母、玻璃纤维、石棉等，以及其他 155 无机材料，合适的有机材料或其组合 物所组成的绝缘结构 硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等 用硅有机树脂黏合材料，以及一切经 180 过试验能用在此温度范围内的各种材 料
10
H
180
C
>180
各级绝缘材料的耐热温度 耐热 等 温度 级 /℃ Y A E B 相 应 的 材 料
未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等 90 材料或组合物质所组成的绝缘结构 105 浸渍过的Y等级绝缘结构材料
合成的有机薄膜、合成的有机磁漆等 120 材料或其组合物组成的绝缘结构
130 以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的 云母、玻璃纤维、石棉等
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3.2
接触电阻
当两个金属导体互相接触时，在接触区域内 存在着一个附加电阻，称为接触电阻。 3.2.1 接触的类型 (1)固定接触 用紧固件(如螺钉或铆钉等)压紧的电接触称 固定接触。这种接触工作时没有相对运动。
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(2)可分接触 工作中可以接通或分断的电接触称可分接触。 接触的双方是一对电触头，一个称静触头， 另一个称动触头。 触头的性能，对开关电器的分断能力、控制 电器的电气寿命、继电器的可靠性等起重要的作 用。
焦作市天堂录像厅特大火灾 2000 年 3 月 29 日凌晨 3 时许，位于焦作市中心 闹市区的天堂录像厅发生特大火灾，造成当时在 此观看录像的74名观众在大火中丧生。 火灾原因，系当日天堂录像厅 15 号包间内使 用石英电热器长时间发热、辐射，引燃周围易烧 物所致。
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哈尔滨市道外区天潭酒店火灾
3.1.1 载流导体运行中的工作状态 （1）正常工作状态 当电压和电流都不超过额定值时，导体能 够长期、安全、经济地运行。 （2）短路工作状态 当系统因绝缘故障发生短路时，流经导体 的短路电流比额定值要高出几倍甚至几十倍。 保护装置动作、将故障切除的短期内，导体将 承受短时发热和电动力的作用。
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3.1 电气发热的危害
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各级绝缘材料的耐热温度
等级 Y A E 耐热温 度 /℃ 90 105 120 相 应 的 材 料 未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等材料或组合物质所组成的绝缘 结构 浸渍过的Y等级绝缘结构材料 合成的有机薄膜、合成的有机磁漆等材料或其组合物组成的绝缘结 构
B
F
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以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等
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绝缘材料的允许温度的规定： 1)允许温度规定必须小于材料损坏的极限允 许温度(耐热温度)。 2)电气设备是由各种导体组合而成，允许温 度要考虑到它的最薄弱环节。 3)设备绝缘材料的老化和金属机械强度的变 坏，除了温度的高低外，还取决于发热持续时 间的长短，因此短时发热允许温度比长时发热 允许温度规定的要高。 短时发热：导体发热持续的时间极其短暂 （短路电流引起的发热）。 长时发热：导体长时间连续发热。