1、第二章 导体的发热、电动力及开关电器的灭弧原理,2.1 导体的发热和散热,一、概 述,1.发热产生的原因： (1)电阻损耗 (2)介质损耗 (3)磁滞和涡流损耗2.发热对导体和电器产生的影响： (1) 机械强度下降 (2) 接触电阻增加 (3) 绝缘性能降低 3 两种发热状况： （1）长期发热正常工作情况下的持续发热 （2）短时发热故障情况下的短时发热,二、导体的发热,1.导体电阻损耗的热量QR （1） 单位长度（1m）的导体通过IW（A）时，由电阻损耗产生的热量为：Ks的求法： Ks与电流频率、导体的材料、形状和尺寸有关。分析计算较麻烦，实用上由查曲线而得。 横坐标： f电流频率； R010
2、00m长度导体在20时的直流电阻。,下一页,式中 R、Rdc导体的交、直流电阻，/m； Ks导体的集肤效应系数； 导体温度为20的直流电阻率，mm2/m； t20时电阻温度系数， 1； w导体的运行温度，； S导体的截面积，mm2。,返 回,2.太阳照射的热量QS：QSESASFS式中： ES太阳照射功率密度，我国取ES1000W/m2； AS导体对太阳照射热量的吸收率，与导体表面状况有关，对表面磨光的铝管取AS0.6； FS单位长度导体受太阳照射面积，m2； D导体外直径，数值上等于FS。,三、导体的散热,1对流传递的热量Qc（1） 的计算： 1）自然对流换热： W/(m2) 2）强迫对流换
3、热： W/(m2) （2）Fc的计算： 设单条矩形导体高h（mm），宽b（mm），A1、A2分别为单位长度导体在高度和宽度方向的表面积，则 A1h/1000(m2/m)，A2b/1000(m2/m) 单条矩形导体的计算： Fc2（A1A2）(m2/m),2.辐射传递的热量Qr（1）矩形导体Fr的计算。 Fr2（A1A2）(m2/m)（2）导体材料的相对辐射系数（又称黑度），与导体材料表面状态及温度有关，磨光表明的小，粗糙或有漆层，氧化层表面的大。 Fr 单位长度导体的辐射换热面积。 m2/m,2.2 导体的长期发热与载流量,一、导体的温升过程 能量守恒原理： QRQSQW（QcQrQd）二、导
4、体的载流量（1）屋内导体，不考虑日照的影响时，导体的载流量为： （2）屋外导体，记及日照影响时的载流量为：,（3）提高载流量的措施,1）减小导体电阻R 采用电阻率小的材料； 减小接触电阻； 增加截面积2）增大导体的换热面3）提高换热系数。,例：计算屋内配电装置中80mm10mm的矩形铝导体的长期允许载流量。导体正常最高允许温度为70，基准环境温度为25。解： (1) 时，1000m长导体的直流电阻：由 及 ，查曲线图得 交流电阻： 由于 Fc=Fr=2（A1A2）=2（80/100010/1000）0.18(m2/m) (2) 对流散热的热量：,（3）辐射散热的热量： 则导体的载流量为：,23
5、 导体的短时发热,一、短时发热过程1导体短时发热特点（1）短路电流大，持续时间短，导体内产生的热量全部被导体吸收用来升温；（2）短路时，导体温升很高，它的电阻、比热容是温度的函数。2导体中通过负荷电流和短路电流时的温度变化情况（如右图）(1) i的计算(2) f的计算,当实际环境温度为0，通过载流导体的负荷电流为Ifh时，稳定温度i可按下式计算： 式中 y长期允许最高温度，； Iy按时校正后的长期允许电流，A； Ifh导体长期通过的负荷电流，A。,返 回,导体短时发热最高温度f的计算：热稳定：一般把电气设备和载流导体在短路时，能承受短路电流发热的能力，称为热稳定。 根据：QRQW 即：其中：式
6、中：ikt短路全电流瞬时值，A； R时单位长度导体得电阻，/m； Ks导体的集肤效应系数； 00时导体的电阻率，m； 的温度系数，01； S导体的截面积，m2； m单位长度导体的质量，kg/m； W导体的材料密度，kg/m2； C时导体的比热容，J/（kg）； C00时导体的比热容，J/（kg）； 的温度系数，1。,将R、m、 C的表达式代入上式并整理得： 设时间由0到tk（tk为短路切除时间）时，导体由初始温度i升高到最终温度f ，有其中：tpr距短路点最近的断路器的后备继电保护动作时间，s； tab断路器全断开时间，s。 最严重情况，短路前， i已达到正常最高允许发热温度。 对上式两边积分
7、 ：,其中 ：一般形式：为了简化计算，可按上式作出常用材料的f（A）曲线。 若设导体短路前的温度为i，可查A曲线得出i对应的Ai值，如果再计算出Qk的值，则由上式可求出Af的值。再反查A曲线可得出Af对应的f值，f即为导体发热的最高温度。,下一页,返 回,二、热效应的QK计算,1短时发热量的计算公式：（1）周期分量的计算：式中 、 、 短路电流周期分量的起始值、时刻值及时刻值。 （2）非周期分量：不同短路点等效时间常数T的推荐值 2注意事项当t1s时，不计非周期分量的影响，即QKQp,下一页,返 回,例：某变电所的汇流铝母线规格为80mm10mm，其集肤效应系Ks1.05，在正常最大负荷时，母
8、线的温度i65。继电保护动作时间tpr=1.5s，断路器全断开时间tab0.1s，短路电流 。试计算母线的热效应和最高温度。解：（1）计算热效应QK ： 短路电流通过的时间为：tK=tpr+ tab1.50.11.6（s）由于 tK0.1S，可不计非周期分量的影响。即（2）由i65。查曲线得： Ai0.51016 J/（m4）（3）求 Af查曲线得f 80200，故满足热稳定。,二、 电器和载流体的电动力效应,1电动力效应 载流导体之间产生电动力的相互作用2短路电流所产生的巨大电动力的危害性：（1）电器的载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘
9、部件或载流部件损坏。（2）电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。3两平行导体电动力的计算方法（1）计算公式 ：式中 i1、 i2两平行导体中电流的瞬时值，A； l平行导体得长度，m； a导体轴线间距离，m； Kf形状系数； F电动力，N。,（2）电动力的方向 同向相吸，异向相斥（3）电动力的计算 形状系数与导体截面形状、尺寸及相互间距离有关。对于矩形截面的导体，如截面宽度为h，厚度为b，则对于不同的厚度与宽度的比值mb/h，形状系数随 而不同，变化曲线如图。 当m1时，Kf1；当增大时，即导体间的净距增大时，趋近于1；当导体间的净距足够大，即当 2时，Kf1，这相当于
10、电流集中在导体的轴线上，导体的截面形状对电动力无影响。1。对于圆形截面导体，形状系数Kf=1。,下一页,返 回,（4）两相短路和三相短路电动力大小的比较 两相短路时，故障两相导体中短路电流大小相等，方向相反，当导体平行布置时，故障相两导体间的电动力为排斥力，则通过短路冲击电流电动力的最大值为： 三相短路时，如三相导体平行布置在同一平面，中间相所受的电动力最大，其值为： 比较同一点发生两相短路或三相短路时的最大电动力，因为： ，代入上式得： 可见，F（2）ur(t)（一）弧隙介质强度的恢复1弧隙介质强度的恢复过程 在电弧电流过零之前，弧隙中的空间充满了电子和正离子。当电弧电流流过零熄灭后，电极极
11、性发生改变，弧隙中的电子迅速奔向新阳极，比电子质量大一千多倍的正离子，相对电子而言则基本未动，所以在新阴极附近形成正空间电荷。2电流过零后电荷和电压沿短弧隙的分布情况。如图所示，电压主要降落在阴极附近的薄层空间。此薄层空间的耐压约为150250V的介质强度。近阴极效应：阴极附近电介质强度出现突然升高的现象。,（二）、弧隙电压的恢复 弧隙电压的恢复过程，即恢复电压的变化过程，与电路参数、负荷性质有关。,2.9 熄灭交流电弧的基本方法1采用灭弧能力强的灭弧介质2利用气体或油吹弧3采用特殊的金属材料作灭弧介质4在断路器的主触头两端加装低值并联电阻5采用多断口熄弧6提高断路器触头的分离速度7低压开关的
12、灭弧方法 （1）利用金属灭弧栅灭弧 （2）利用固体介质狭缝灭弧,（1）变压器油:变压器油在电弧高温的作用下，分解出大量氢气和油蒸汽，氢气的绝缘和灭弧能力是空气的7.5倍。（2）压缩空气：压力：2MPa，分子密度大，质点的自由行程小，不易发生游离。（3）SF6气体：良好的负电性气体，氟原子吸附电子能力很强，能迅速捕捉自由电子形成负离子，对复合有利。 （4）真空：真空气体压力低于133.3104Pa，气体稀薄，弧隙中的自由电子和中性质点都很少，碰撞游离的可能性大大减少，而且弧柱内与弧柱外带电粒子的浓度差和温差都很大，有利于扩散。其绝缘能力比变压器油、1个大气压下的SF6 、空气都大。,返 回,高压
13、断路器中利用各种预先设计好的灭弧室，使气体或油在电弧高温下产生巨大压力，并利用喷口形成强烈吹弧。即起到对流换热、强烈冷却弧隙的作用，又起到部分取代原弧隙中游离气体或高温气体的作用。电弧被拉长、冷却变细，复合加强，同时吹弧也有利于扩散，最终使电弧熄灭。,返 回,常有的触头材料有铜、钨合金和银、钨合金等，在电弧高温作用下不易熔化和蒸发，有较高的抗电弧、抗熔焊能力，可以减少热电子发射和金属蒸汽，抑制游离的作用。,返 回,分闸时，主触头Q1先断开，辅助触头Q2后断开。合闸时，辅助触头Q2先断开，主触头Q1后断开。,返 回,采用多断口串联，可把电弧分割成多段，在相同的触头行程下电弧拉长速度和长度比单断口
14、大，从而弧隙电阻增大，同时加在每个断口上的电压降低，使弧隙恢复电压降低，因而有利于灭弧,返 回,加快断路器的触头分离速度可以迅速拉长电弧，使弧隙的电场强度骤降，同时使电弧的表面积突然增大，有利于电弧的冷却及带电质点的扩散和复合，从而加速电弧的熄灭。,返 回,灭弧栅由许多带缺口的钢片制成，当断开电路时，动、静触头间产生电弧，磁通对电弧产生一个向上的电磁力，将电弧拉入灭弧栅片，从而将电弧分割成一串短电弧。根据近阴极效应，当电流过零时，每个短电弧的阴极都会出现150250V的介质强度，如果其总和超过触头间的电压，则电弧熄灭。,返 回,灭弧栅由耐高温的绝缘材料制成，有多种形式，图中为最简单的直缝式，磁吹线圈与电路串联或并联。当触头断开而产生电弧后，在磁吹线圈磁场的作用下，对电弧产生电动力，将电弧拉入灭弧片的狭缝中。狭缝限制了电弧直径，增加了弧隙压力，同时电弧被拉长，并与灭弧片冷壁紧密接触，加强冷却作用，加强电弧内的复合过程，最终使电弧熄灭。,返 回,
