第3章
电气发热与计算
1
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。
2
2 Pw f 2 Bm
30
涡流
I
I
31
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
15
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。
16
（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。
28
磁滞回线
B
Bm Br
Br：剩磁 Hc：矫顽力 Hc Hm H
41
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
42
（ 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。
8
（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。
29
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
22
2
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。
23
（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
4
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。
5
3.1 电气发热的危害
18
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。
19
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。
35
(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?
36
37
38
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。
39
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。
40
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。
20
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。
21
3.1.3
载流导体运行中的损耗
11
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
32
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。
33
34
(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。
3
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。
6
3.1 电气发热的危害
9
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
130
155
以合适的树脂黏合或浸渍、涂覆后的云母、玻璃纤维、石棉等
17
17
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。