电器学原理 第一章 电器导体的发热计算 ppt

§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 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35 ℃ ），据此在计算规定 的允许温升 ，若令零部件温度为 ，则有： 35
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 详细的规定！
钢 青铜 电解铜 铜 硬拉铝
100 80

0
60 40 O 100 200 / 0 C 300
400
500 600
图2-1 金属材料机械强度与温度的关系
2) 绝缘材料 绝缘材料的绝缘特性（例如击穿电压、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 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。
125 100 U j 100 75
U j0
50 25 O 20 40 60 80 100120 140 160 /0C
图1-2 瓷的击穿电压与温度的关系
3) 触头材料
除考虑机械强度外，还要考虑氧化和其他问题 —--- 电接触。
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§1-1 电器的允许温升
一、三种损耗及其影响 3、结论：
电 器 理 论 基 础-第一章
天津工业大学 电气工程与自动化学院
思考题
电器导体的发热
1. 何为电器发热的允许温升？ 2. 电器发热的允许温升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 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。 5. 集肤效应与邻近效应的实质是什么?交流电阻为什 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 股导线，而不是单股同截面导线。请解释其原因。 7. 扁平的母线和同样截面的圆导线，哪种载流量大？ 为什么？
§1-1 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 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。
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。
我国标准规定的电气绝缘材料的极限温升见表1-1。
§1-1 电器的允许温升
我国标准规定的电气绝缘材料的极限温度：
§1-2 电器的热源
3、集肤系数Kj：
A A 2 f Kj P b P
式中，A：导体截面积；P：导体周长。
由此式知，f越高，集肤效应越强。
§1-2 电器的热源
4、集肤系数Kj的查表求解：
（1）圆截面导体：先 求100m长导体的直流电阻 R100-，再求 图1-4，得Kj 。
f R100
＝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！
l
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)；J为导体电流密度；
R: 电阻，R=ρl/A
为导体材料的密度。
电阻率与温度之间的关系可表示为：ρ=ρ0（1+αθ+βθ2+…） 100℃以内时，电阻R=ρ0 (1+αθ)*l/ A
§1-2 电器的热源
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。
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
，查
§1-2 电器的热源
（2） 矩形截面导体的Kj值查表1-2得。其中, ke ＝510－2 fab /
4、一铜质圆截面导体，直径为6cm,当通过50Hz交流电流时工 作温度为100°C，试求导体的集肤系数和长100m的交流电阻。 交流R100∽(= Kj R100-)？
解：已知铜导体0℃时的阻率和电阻温度系数分别为：
§1-1 电器的允许温升
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250 ℃ 不和有机绝缘材料或油接触的 铜或黄铜部件不应超过300 ℃ 铝在任何情况下不应超过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 电器主触头温度限制在200 ℃以内 弧触头要求不熔焊
§1-1 电器的允许温升
三、电器极限允许温升
（按相关国家温升试验标准进行测量）： 1、电器中裸导体的极限允许温升应小于材料软化点 （机械性能显著下降即软化）。 2、对绝缘材料和外包绝缘的导体：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。 3、对于触头材料，除考虑机械强度外，还要考虑氧化 和其他问题（详见第6章电接触理论）
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。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，
→ → → →
电器的零部件材料老化； 电器的性能指标降低；
电器的使用寿命降低； 严重时，烧毁电器。
1) 金属材料 当金属材料的温度θ高达一定数值以后，其机械强度σ会 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。
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100~200 ℃；短时发
热时的软化温度为300 ℃
120
100 短时加热
100 80

0
长期加热
60
40 0
100 200 / 0 C 300
400
500 600
金属材料机械强度与温度的关系
不同金属材料的机械特性σ随温度θ变化不尽相同。 120 100
2、集肤效应：
交变磁通在导体内产生 反电势，中心部分的反电势 值比外表部分的大，导致导 体中心的电流密度比外表部 分小。
集肤效应的大小用电磁 波在导体中的渗入深度b表示
§1-2 电器的热源
渗入深度b的大小为：
b＝
2 f
式中，ρ：电阻率；f：频率；μ：磁导率。 由于b越小，集肤效应就越强。 由上式可知，当频率f越高时，渗入系数b越小，则 集肤效应越强。
§1-1 电器的允许温升
一、三种损耗及其影响 1、三种损耗：
导体（铜）的阻抗损耗
交变电磁场在导磁体（铁）中产生的磁滞与涡流损耗 绝缘材料的介质损耗。
散失到周围介质中 损耗
加热电器
2、 电器发热的危害 电器的各种损耗
→
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 限值时，其机械强度和绝缘强度将明显降低。
再求出
f/R100~ = 50/8.2 10-4 ( Hz / )1/ 2 =247( Hz / )1/ 2
由图1-4曲线查出：
K j 1.7
故当100时长100m导体交流电阻为
R100~ K j R100 1.7 8.2 104 ＝13.9 10－4
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、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。
§1-1 电器的允许温升
环境温度对电动车电池容量的影响
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。 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：：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。此外还有电器运动部分 产生的摩擦撞击损耗。 一、电阻损耗 二、铁磁损耗
三、介质损耗
§1-2 电器的热源
一、电阻损耗：也称焦耳损耗。
1、计算公式：
2 I2 Al K f J m P K f I 2R K f I 2 K f 2 Al K f J 2 A A
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 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缩小体积、减轻重量、节 约原材料、延长使用寿命等方面意义重大。