第二章电气发热与计算-消防工程-电气防火课件.ppt

1、内容发热对载流导体的影响导体的长时发热与散热导体的短时发热与散热2.1 发热对载流导体的影响电气发热电气发热 载流导体和周围介质发热载流导体和周围介质发热 工作环境恶化，绝缘老化工作环境恶化，绝缘老化 电电气设备的故障或事故气设备的故障或事故是引发火灾的直接或间接原因是引发火灾的直接或间接原因使得使得导致导致引起引起为什么电气会发热？主要是为什么电气会发热？主要是损耗损耗引起。引起。2.1 发热对载流导体的影响一、电气发热原因一、电气发热原因 1、电阻损耗电阻损耗(铜损铜损)2、附加损耗附加损耗 3、介质损耗介质损耗 4、磁滞、涡流损耗磁滞、涡流损耗（铁损）（铁损）1 1、电阻损耗、电阻损耗定

2、义：电流流过导体时克服定义：电流流过导体时克服电阻电阻作用所作用所消耗的功消耗的功 称称为电阻损耗。为电阻损耗。大小：电阻损耗大小与电流平方、电阻和时间成大小：电阻损耗大小与电流平方、电阻和时间成 正比。正比。2 2、附加损耗、附加损耗附加损耗定义：导体中通过交流电时，由于附加损耗定义：导体中通过交流电时，由于 集肤效应和邻近效应的作用集肤效应和邻近效应的作用 而产生的额外能量损耗。而产生的额外能量损耗。附加损耗系数：附加损耗系数：K Kf fj j=K=Kj jK Kl l K Kj j：K Kl l：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。与电流的频率有关：频率集肤效应

3、。邻近效应：相邻两载流导体之间磁场的相互作用，使导体截面中电流密度发生改变的现象。与电流的方向有关。邻近效应系数与导体之间的分布与距离有关，导体相距愈远，则邻近效应系数愈小。附加损耗产生与集肤效应、邻近效应有关。附加损耗产生与集肤效应、邻近效应有关。3 3、介质损耗、介质损耗组成：组成：电导损耗和电介质周期性极化消耗电导损耗和电介质周期性极化消耗 能量造成的损耗的统称。能量造成的损耗的统称。4 4、磁滞、涡流损耗、磁滞、涡流损耗定义：定义：磁滞损耗是铁磁磁滞损耗是铁磁物质在交变磁场作用下物质在交变磁场作用下由于内部的不可逆过程由于内部的不可逆过程使铁心发热而造成的一使铁心发热而造成的一种损耗。

4、种损耗。大小大小：磁滞损耗与铁磁材料：磁滞损耗与铁磁材料性质、磁感应强度性质、磁感应强度B B、磁场、磁场频率频率f f 成正比。成正比。B BH H磁滞、涡流损耗磁滞、涡流损耗定义定义：大小：大小：危害及预防措施：危害及预防措施：l 2、涡流损耗涡流损耗二、发热对载流导体的不良影响二、发热对载流导体的不良影响 （一）、（一）、绝缘材料性能降低绝缘材料性能降低 （二）、机械强度下降（二）、机械强度下降 （三）、导体接触部分性能下降（三）、导体接触部分性能下降（一）、绝缘材料性能降低（一）、绝缘材料性能降低 发热发热加速绝缘材料老化加速绝缘材料老化，缩短缩短绝缘材料绝缘材料 寿命寿命，降低降低绝

5、缘材料的绝缘材料的电气特性电气特性和和机械机械 特性特性。耐热温度耐热温度 允许温度允许温度绝缘材料性能降低绝缘材料性能降低耐热温度耐热温度 等级等级 耐热耐热 温度温度 等级等级耐热温度耐热温度 Y90（）F155（）A105 ）H180（）E120 ）C 180（）B130 ）绝缘材料性能降低绝缘材料性能降低耐热温度耐热温度v八度规则（估算绝缘材料的寿命）八度规则（估算绝缘材料的寿命）定义：定义：要点及不足：要点及不足：绝缘材料性能降低绝缘材料性能降低允许温度允许温度定义：定义：允许温度允许温度是用一定方法测得的电器元件最热是用一定方法测得的电器元件最热温度，并且在此温度下，整个电器能保持

6、连续工温度，并且在此温度下，整个电器能保持连续工作。作。规定：规定：允许温度小于耐热温度（允许温度小于耐热温度（5 5度）。度）。允许温度要考虑到电气设备的最薄弱环节。允许温度要考虑到电气设备的最薄弱环节。允许温度要考虑电气设备发热时间的长短。允许温度要考虑电气设备发热时间的长短。强度下降原因：强度下降原因：载流体长期处于高温状态，会使其载流体长期处于高温状态，会使其 慢性退火导致其变形或破坏。慢性退火导致其变形或破坏。（二）、机械强度下降（二）、机械强度下降对最高允许温度规定：对最高允许温度规定：裸导线的正常最高允许温度，一般裸导线的正常最高允许温度，一般不超过不超过7070，短路最高允许温

7、度可高于，短路最高允许温度可高于正常最高允许温度，硬铝不得超过正常最高允许温度，硬铝不得超过200 200，硬铜不得超过硬铜不得超过300 300 。（三）、导体接触部分性能变坏（三）、导体接触部分性能变坏 接触电阻定义：接触电阻定义：当当两个金属导体两个金属导体以某种机械方式互以某种机械方式互相接触时，在接触区域所呈现的相接触时，在接触区域所呈现的附加附加电阻电阻。接触电阻接触电阻=收缩电阻收缩电阻+表面膜电阻表面膜电阻收缩电阻与表面膜电阻收缩电阻与表面膜电阻电流收缩现象电流收缩现象收缩电阻：收缩电阻：电流流经电电流流经电接触区域时，从原来截接触区域时，从原来截面较大的导体突然转入面较大的导

8、体突然转入截面很小的接触点，电截面很小的接触点，电流线发生剧烈收缩所呈流线发生剧烈收缩所呈现出的附加电阻。现出的附加电阻。表面膜电阻：表面膜电阻：电接触面电接触面上，由于污染而覆盖的上，由于污染而覆盖的一层导电性很差的物质一层导电性很差的物质所呈现出的电阻。所呈现出的电阻。影响接触电阻的因素影响接触电阻的因素一、接触形式二、材料性质三、接触压力四、接触表面的光洁度五、触头密封结构六、腐蚀七、温度（三）、导体接触部分性能变坏（三）、导体接触部分性能变坏发热引起电接触部分发热引起电接触部分 R（接触面氧化形成氧化（接触面氧化形成氧化层薄膜）层薄膜）加剧发热加剧发热接触表面氧化加剧接触表面氧化加剧三

9、、导体散热形式三、导体散热形式 热传导热传导 基本质点间能量的相互作用基本质点间能量的相互作用 热对流热对流 不断运动着的冷介质不断运动着的冷介质气体或液体将气体或液体将热能带走的过程热能带走的过程 热辐射热辐射 电磁波传播能量的过程电磁波传播能量的过程（三）、导体散热形式（三）、导体散热形式总散热系数：总散热系数：将三种散热形式综合在一起，用一将三种散热形式综合在一起，用一个总散热系数个总散热系数K Kzhzh表示，即牛顿公式法：表示，即牛顿公式法：P PS S=K=KzhzhF F P PS S散热功率散热功率(w)F(w)F散热面积散热面积 (m(m2 2)导体对周围环境温升导体对周围环

10、境温升()=-0 0 K Kzhzh导体的总放热系数导体的总放热系数w/(mw/(m2 2)22 导体的长期发热1、热平衡遵循的基本物理定律：、热平衡遵循的基本物理定律：导体发热量导体发热量=导体自身温升所需热量导体自身温升所需热量 +散发到周围中去的热量散发到周围中去的热量 均质导体均质导体系指其全长有相同截面系指其全长有相同截面和材料的导体，母线、电缆均属此类。和材料的导体，母线、电缆均属此类。一、导体的温升一、导体的温升一、导体的温升 I I2 2R Rdt=mdt=mc cd d+K+KzhzhF F (-0 0)dtdt 令令 =-0 0，上式变为：，上式变为：I I2 2R Rdt

11、=mdt=mc cd d+K+KzhzhF F dtdt cmRIcmFKdtdzh 2 tcmFKtcmFKzhzhzheeFKRI 02)1(导体达到稳定温升后，热平衡方程式为：导体达到稳定温升后，热平衡方程式为：I2R=KzhF w=KzhF(-0)=ps I2Rdt dt=ps dtdt=I2R/KzhF=w(导体稳定温导体稳定温升升)limt一、导体的温升一、导体的温升 一、导体的温升 发热时间常数：发热时间常数：T=mc/KzhF一、导体的温升 根据牛顿公式变形根据牛顿公式变形I2R=KzhF(-0)导体的载流量与导体运行温度有关，导体的载流量与导体运行温度有关，当导体运行温度确定

12、，则导体载流量也将当导体运行温度确定，则导体载流量也将确定。确定。同样，当环境温度一定，在导体温同样，当环境温度一定，在导体温度给定条件下，对不同横截面的导体，有度给定条件下，对不同横截面的导体，有一个最大载流量与之对应。一个最大载流量与之对应。二、长期运行载流量1 1、牛顿公式应用：、牛顿公式应用：I Iy y:导体导体长期运行的长期运行的允许电流允许电流 y y:导体允许温度导体允许温度P PS S:导体表面放出总热量导体表面放出总热量RFKIyzhy)(0二、长期运行载流量2 2、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法RFKIyzhy)(0 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热

13、面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用电阻率小的导体采用电阻率小的导体减小导体接触电阻减小导体接触电阻增加导体的横截面积增加导体的横截面积二、长期运行载流量2 2、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法RFKIyzhy)(0 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y主要与导体几何形状主要与导体几何形状有关有关二、长期运行载流量2 2、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法RFKIyzhy)(0 减小导体电阻

14、减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y合理布置导体加强合理布置导体加强自然通风自然通风采取强迫冷却采取强迫冷却导体表面涂漆导体表面涂漆二、长期运行载流量2 2、提高导体载流量的方法提高导体载流量的方法RFKIyzhy)(0 减小导体电阻减小导体电阻R R 增加导体散热面积增加导体散热面积F F 提高散热系数提高散热系数K Kzhzh 提高导体允许温度提高导体允许温度 y y采用耐热绝缘材料采用耐热绝缘材料载流导体长期发热允许电流的修正01yyyyyIKII例题已知绝缘铝导线横截面已知绝缘铝导线

15、横截面S=25mmS=25mm2 2，环境温度，环境温度 =25=25，其允许温度，其允许温度 Y Y=65 =65 ，总放热，总放热系数系数 K Kzhzh=18w/m=18w/m2 2,电阻率电阻率=0.028=0.028*1010-6-6(m)m),求求 I Iy y=?=?已知已知:K:Kzhzh、y y 、0 0 ，S,S,RFKIyyzh)(0 解：解：R=L/S F=2 rL r=（S/）1/2 F=2（S/）1/2 L所以将各参数代入所以将各参数代入上式得：上式得：I Iy y=106.7A=106.7A如环境温度如环境温度 0=35 ，需修正：，需修正：tyyyyII 0(t

16、=25)得修正值：得修正值：Iy=92.4A例例 题：题：作业已知绝缘铝导线横截面已知绝缘铝导线横截面S=35mmS=35mm2 2，环境温度，环境温度 =35=35，其允许温度，其允许温度 Y Y=65 =65 ，总放热，总放热系数系数 K Kzhzh=20w/m=20w/m2 2,电阻率电阻率=0.028=0.028*1010-6-6(m)m),求求 I Iy y=?=?作业已知绝缘铝导线横截面已知绝缘铝导线横截面S=35mmS=35mm2 2，环境温度，环境温度 =30=30，其允许温度，其允许温度 Y Y=70 =70 ，总放热，总放热系数系数 K Kzhzh=22w/m=22w/m2

17、 2,电阻率电阻率=0.028=0.028*1010-6-6(m)m),求求 I Iy y=?=?2-3 导体短路时发热导体短路时发热一、短路发热时的特点二、短路时导体的热稳定性一、短路发热时的特点1、短路时发热，是、短路时发热，是指短路开始到短路切指短路开始到短路切除这一很短的时间内除这一很短的时间内导体的发热过程，可导体的发热过程，可看着一个绝热过程。看着一个绝热过程。2、短路时导体温度、短路时导体温度变化范围大，导体的变化范围大，导体的电阻和比热（热容）电阻和比热（热容）是温度的函数。是温度的函数。3、短路电流瞬时值、短路电流瞬时值id变化规律复杂。变化规律复杂。（一）、短路时的热平衡方

18、程式（一）、短路时的热平衡方程式1 1、方程式：、方程式：mdCdtRI2d I Id d短路电流全电流有效值（短路电流全电流有效值（A)A)R R-R R=0 0（1+1+）L/SL/S C C-C-C=C=C0 0（1+1+）m=m=sLsL2 2、方程解、方程解 d11CdtIs1dht0002d2 hh200ddd200dt02ddhd2d1CA1CAdtIQAASQlnln为为短短路路电电流流的的热热脉脉冲冲式式中中（二）、等值时间法求（二）、等值时间法求Q Qd d jfjz2j2t02ddttItIdtIQ 等值时间法：依据等效发热的概念，设导体中通等值时间法：依据等效发热的概念

19、，设导体中通过的短路电流的稳态值过的短路电流的稳态值I I2 2,其作用时间为其作用时间为t tj j时，导时，导体中产生的热效应与短路电流有效值的热效应相等。体中产生的热效应与短路电流有效值的热效应相等。t tj j就是短路电流作用的假想时间就是短路电流作用的假想时间,t,tj j=（t tjzjz+t+tjfjf)t tjzjz等于短路电流在导体上的作用时间，等于保护装等于短路电流在导体上的作用时间，等于保护装置动作时间与断路器切断电流的机械动作时间之和。置动作时间与断路器切断电流的机械动作时间之和。t tjfjf为非周期分量。为非周期分量。（三）、用曲线计算（三）、用曲线计算 d步骤：步

20、骤：1、已知初始温度、已知初始温度 h，查图，查图26，求出，求出A h2、用等值法求、用等值法求Qd，3、代入、代入Qd、A h，求出，求出A d；4、再查曲线图得、再查曲线图得 d；注：求注：求Qd时，对于非周期分量时，对于非周期分量tjf=0.05s，当短路电，当短路电流切断时间流切断时间t1s时，导体发热主要由周期分量决定，时，导体发热主要由周期分量决定，tjf可忽略；当可忽略；当t 1s时，时，tjf不可忽略不可忽略二、短路时导体热稳定性分析二、短路时导体热稳定性分析v1、热稳定性：、热稳定性：电器或导体必须能承受短路电流的热效应而不致破坏电器或导体必须能承受短路电流的热效应而不致破坏的能力。的能力。v2、当、当 d dy时，则认为导体在短路时是热稳定的，时，则认为导体在短路时是热稳定的，否则就应采取相应的措施，如增加导体截面或限制短否则就应采取相应的措施，如增加导体截面或限制短路电流等以保证路电流等以保证 d dy。一般未包绝缘的铝导体。一般未包绝缘的铝导体 dy为为2000C，铜导体为，铜导体为3000C。v3、工程应用：热稳定性校验最小允许截面：、工程应用：热稳定性校验最小允许截面：2jmmtCIS minI I短路电流短路电流C C与导体有关系数铜为与导体有关系数铜为175175，铝，铝9292t tj j短路电流的假想时间（短路电流的假想时间（s s）