导体长期发热允许温度

最高允许温度： 是用一定方法测定的电器元件的最热温度，在此温度下，
整个电器能保持连续工作； 允许温度小于耐热温度； 分为正常最高允许温度和短路最高允许温度，后者较高； 电气设备的允许温度要考虑到它的最薄弱环节； 短路最高允许温度通常用来校验设备的热稳定性。
导体接触部分性能变坏
发热使导体接触面氧化，生成氧化层薄膜，接触 电阻增大，增大的速度随温度的升高而成倍增长； 使弹簧的弹力元件退火，压力降低，接触电阻增加； 可能导致局部过热火灾。
接触压力：
接触压力大—接触点数目增多； 每个接触点有效接触面积加大； 可使吸附膜分子层变薄； 表面膜裂缝； 收缩电阻和膜电阻都会减小。
触头密封结构：
减少污染和腐蚀，通常在密闭后冲入惰性气体或者 抽成真空，可防火防爆。
接触表面加工程度：
越光滑则接触点越多，有效接触面积越大，收缩 电阻越小。
加工方法主要有：
集肤效应
邻近效应
集肤效应
当交变电流流过导线时，导线周围变 化的磁场也要在导线中产生感应电流，从 而使沿导线截面的电流分布不均匀。尤其 当频率较高时，此电流几乎是在导线表面 附近的一薄层中流动，这就是所谓的集肤 效应现象。
邻近效应
相邻导线流过高频电流时,由于电磁作用使电 流偏向导线一侧分布的特性,称为邻近效应。
度上温度差 1 C时，所传导的热量；
SC——给定的热传导面积。
热传导示意图
2. 对流
Pc ( 0 )SL
Pc ——对流散出的热量；
——发热体表面温度 C ；
0 ——周围空气介质温度 C ；
——对流散热系数，单位时间内热面积上散出的热量；
单位：W/(m2 oC)
SL ——散热表面积（ m2 ）。
若两根导线流过的电流方向相反，则相邻近的 一侧电流密度比较大；
若两根导线流过的电流方向相同，则相邻的一 侧电流密度较小，相反的一侧电流密度较大。
磁滞损耗
基本磁滞回线
铁磁质物质内 的磁感强度
Br—— 剩余磁感应强度；
HC—— 矫顽力
这种B的变化滞
后于H变化的现象
称为磁滞现象。
外磁场强度
涡流损耗
减小涡流的方法
电气发热与 计算
主讲人：陈磊
主要内容
发热对载流导体的影响； 导体的长时发热与散热； 导体短时发热与散热；
第一节 发热对载流导体的影响
一．载流导体运行中的工作状态 二．载流导体工作中的损耗
1. 电阻损耗 2. 磁滞、涡流损耗 3. 介质损耗
三．发热对导体和电气的不良影响
1. 机械强度下降 2. 绝缘性能降低 3. 导体接触部分性能变坏
2
HB
nF
❖
——与材料形变情况有关的量；
❖
HB ——材料的布氏硬度，N/m3；
❖
F ——加于二导体的机械压力，N；
❖
n ——接触点的数目。
膜电阻
❖
在电接触的接触面上，由于污染覆盖着一层导
电性很差的物质，由此而形成的接触电阻称为膜电
阻。
膜电阻的影响：
1. 使接触电阻值增大； 2. 接触严重不稳定； 3. 破坏电接触的正常导电。
增大导体的散热面积；
提高散热系数：
❖ 采用强迫冷却； ❖ 合理布置导体； ❖ 导体表面涂漆； ❖ 加强自然通风；
热传导
❖ 凡依靠物体之间直接接触而传导热量或 者在物体内部各部分之间的传热，统称为热 传导。
对流
➢ 发热体置于气体或液体中，靠近发热体的流体 质点因温度升高而向上方升起，该处就由较冷的质 点补充，这个过程称为自然对流。如果依靠外力强 迫流体流动，则称为强迫对流。
若 d dy ，则认为导体在短路的时候是热稳定的；
d ——通过短路电流时的最高温度； dy ——导体规定的短时发热允许温度；
短路状态下载流部分发热的允许温度
三、短路电流热计算
一个假设：发热过程是处在绝热状态。 热平衡方程：
I
2 d
Rdt
Cmd
I
2 d
0
(1
)l S
dt
C
Sld
I
2 d
0
CS2
I 2R Kzh S
均质导体温升曲线
四、导体长期允许电流
❖ 导体长期允许电流：
Iy
Kzh S(y 0 )
R
I y ——导体长期允许电流；
y ——导体长期发热允许温度， y y 0 ；
五、导线绝缘层温升
❖ 根据傅立叶定律：
Q
Sr
d
dr
❖ Q——即导体散发功率P； ❖ Sr——半径r处表面积；Sr 2 rl
RJ= RS+Rb
接触的类型
❖ 固定接触：用紧固件压紧的电接触。工作过 程中无相对运动。
❖ 可分接触：在工作中可以分开的接触，又称 触头。
❖ 滑动及滚动接触：在工作中，触头间可以互 相滑动或滚动，但不能分断电路。
收 缩 电 阻
❖ 整个接触面的收缩电阻为：
❖ 各个接触点收缩电阻的并联值；
RS
Rac
K fj
[1 (
S
20)]
式中 K fj ——附加损耗系数；
——导体温度为20 C时的直流
电阻率； mm2/m
——电阻温度系数o C-1；
——导体运行温度 o C ；
S ——导体截面积 mm2 ；
1.热传导
二、导体散热
PC
SC
d
dL
——导热系数 W/(m C) ，即单位面积单位厚
电阻损耗
输电线或电磁线圈 的导体本身及连接处都 有电阻存在，当电流流 过时，就会电阻损耗， 将电能转变为热能。
交流电阻： R l
S
电阻系数与温度的关系：
0 (1 2 )
0—— 0C 时的电阻系数；
当
P=KfjI2R
100C
0(1)
Kfj——附加损耗系数，考虑交变电流集肤效 应和邻近效应的影响；
dt
d 1
1
d（1 ） 1
❖ 设时间积分区间为 t 0 至 t td ，
❖ 温度积分区间为 0至 d：
td 0
Id2 S2
dt
C0 0
d (1 )d 0 1
C0 0
[2
ln 1 d 1 0
(d
0 )]
一个等效
❖ 热稳定电流：在电器标准中热稳定电流是以稳态电流（额
定电流的倍数）表示；
t
t
(1 e T ) 0e T
t
t
W (1 e T ) 0e T
T m C ——发热时间常数 Kzh S
0
2. 用牛顿公式求导体发热稳定温升
牛顿公式：
PS KzhS
PS ——散热功率；
在热稳定状态下，线圈的发热应等与其散热，即:
I 2 R PS KzhSW
故可求得导体的稳定温升：
W
特点：
取决于金属的化学和电化学性质。其对电接触 的破坏性取决于膜的厚度和膜的性质（薄的膜在大 压力下易碎，有些膜又可在高温下分解）。
❖ 有机膜：
❖
从绝缘材料中析出的有机蒸气，在金属触头表面形成一
层粉状的不导电的有机聚合物薄膜，称之为有机膜。
❖ 特点：
其绝缘性能好，绝缘电阻大，击穿电压比无机膜大很多。
❖ 破坏膜的方法主要是：
❖ （1）利用机械力作用将膜压碎； ❖ （2）使用高温迫使膜分解或融化；
影响接触电阻的因素
接触形式：
按接触外形的几何形状不同，可分为三类：点 接触、线接触、面接触。
加在触头上的总压力是F，接触点的数目是n， 那么每个接触点上的压力值设为F1，则：
F1
F n
材料性质：
电阻率； 硬度； 化学性能； 生成金属化合物的机械强度与电阻率。
膜电阻的类型
尘埃膜： 指飞扬于空气中的固体微粒，由于静电
的吸引力而覆盖在接触表面形成的膜电阻。 特点：
在外力作用下，易脱落，具有随机性。
吸附膜：
指气体分子或水分子在接触表面的吸附层。
特点：
只有几个分子层厚，高压强时，可降低到1~2 个分子层，但无法完全消除。
该膜靠隧道效应导电。
无机膜：
暴露在空气中的金属触头，在化学腐蚀的作用 下，表面形成各种金属化合物的薄膜（如氧化膜， 与H2S反应生成硫化膜）。
粗加工，精加工，电化学或机械抛光等手法。
工作环境：
主要指环境的温度，是否有腐蚀性气体，是否 潮湿等等。
接触电阻的稳定性：
化学腐蚀； 电化学腐蚀。
第二节 导体的长时发热与散热 o C-1
一、导体发热
单位长度导体，通过导体的电流为I 时，由电阻损 耗产生的热量为：
PR I 2 Rac
式中的 Rac为交流电阻，可按下式计算：
铁损
交变磁通在铁心中产生的磁滞损耗和涡 流损耗的和称为铁磁损耗，简称为铁损。
介质损耗
电 介 质—— 电气绝缘材料； 介质损耗—— 交流电场中的电介质特性；
电导损耗+极化损耗； 电导损耗—— 由泄漏电流形成； 极化损耗—— 电介质中的带电粒子由于不
断、反复的极化消耗的电能所 转化成的热能。
金属材料机械强度与温度的关系
❖ 等值时间法：依据等效发热概念，设导体中通过热稳定电
流为 I ，等效时间为 tx ：
tx tx1 tx2
❖ 则短路电流对时间的积分可等效为：
td 0
I
2 d
dt
I 2 t x
I2tx
来自百度文库
C0 S 2 0
d (1 )d 0 1
C0 0
[2
ln 1 d 1 0
(d
0 )]
解上述微分方程：
➢ 对流只在流体中产生。
热辐射
➢ 热辐射是两物体间不需要直接接触，而通过电 磁波来传递能量的过程。
➢ 绝对黑体； ➢ 绝对白体。
第三节 通过短路电流时导体的热计算和 电器的热稳定性
一．短 时 发 热 过 程 分 析：
二．热稳定性的概念：
电气或导体必须能承受短路电流的热效应而不至被 破坏的能力，称为电气或导体的热稳定性。
结构
H
180
硅有机漆，云母、玻璃纤维、石棉等用硅有机树脂粘合材料以 及一切经过实验能用在此温度范围内的各种材料
以合适的树脂（如热稳定性特别优良的硅有机树脂）粘合或浸 C >180 渍涂覆后的云母、玻璃纤维等，以及未经浸渍处理的云母、陶
瓷、石英等材料或其混合物所组成的绝缘材料
绝缘材料寿命期
最高允许温度
2
P K zh S
P
Kzh 2 r2l
❖ 则：
1
P（ 1
2 l Kzhr2
1
ln
r2 r1
）
❖ 若圆导体外包有几层导热系数不同的绝缘层：
1
P（ 1
2 l K zhrn1
n i 1
1
i
ln
ri1） ri
六、提高导体长期允许电流的方法
减小导体电阻：
1. 采用电阻率小的材料； 2. 减小导体的接触电阻； 3. 增加导体的横截面积；
d
1
[(1
0
)
exp(
I2 0tx CS2
) 1]
➢ 电器的热稳定性以 I2tx 表示，则，在已知
给定的允许发热温度 d 和给定导体的截面积 S 时，载流导体热稳定性的表达式为：
I 2Rdt mCd +Kzh S( 0 )dt mCd +KzhS dt
K zh ——导体综合散热系数 W/(m2 C) ，非常数； S ——导体的有效散热面积；
——导体对周围环境的温升， 0 ；
上式可变为：
I2R
mC
d
dt
Kzh S
解该常系数非齐次一阶微分方程，可得：
其中：
I 2R Kzh S
❖ l ——导体长度；
❖ 以功率P代替Q，可得：
❖
P dr d
2 rl r
❖ 积绝分缘区层间中：的r温1 —度r降2 ，落绝为缘：层内表面温度 1 ，外表面温度 2 ，则
1
2
P
2l
r2 dr P ln r2
r r1 2l r1
❖ 绝缘层外表面的温升可用牛顿公式求得：
P KzhS 2
接 触 电 阻
产生接触电阻的原因：
1、 切面（接触面）表面的凹凸不平，金 属实际接触面积减小，使电流线在接触面 附近发生严重收缩现象； ➢ 2、 接触面在空气中可能迅速形成一层薄 膜附着于表面，使电阻增大。
接触电阻的组成
接触电阻RJ由两部分组成： （1）收 缩 电 阻——RS； （2）表面膜电阻 ——Rb；
120
80
40
0
200
400
600
C
铜
1、连续发热 2、短时发热
绝缘性能降低
绝缘材料的耐热温度； 绝缘材料的寿命周期； 绝缘材料的允许温度；
绝缘的耐热温度
绝缘材料的耐热温度： 该类材料所能承受而不致引起其机械特性、
电气特性和热性能降低的最高工作温度，也称 极限温度。
按我国标准将绝缘材料按耐热温度分为七 级，在该温度下能工作20000h而不致损坏。
3. 热辐射
❖ 玻尔兹曼公式：
Pf
5.7[( 273
100
)4
(
273 0
100
)4
]S
f
——发热体表面温度
0 ——接受热辐射物体表面温度
——辐射系数 W /(m2 C4 ) ，与发热体表面情况、
颜色有关；
S f ——热辐射面积。
三、导体的正常温升过程
1. 导体温度未达稳定时，热平衡方程：
各级绝缘材料的耐热温度
等级
耐热 温度
相应的材料
Y
90
未浸渍过的棉纱、丝及电工绝缘纸等材料或组合物所组成的绝 缘结构
A 105
浸渍过的Y及绝缘结构材料
E
120
合成的有机薄膜、合而成的有机瓷器等材料或其组合物组成的 绝缘结构
B 130 以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等。
以合适的树脂粘合或浸渍涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等， F 155 以及其他无机材料，合适的有机材料或其组合物所组成的绝缘