电器学夏天伟丁明道第1章节.ppt

电器学 第二章 电器学第一章 电器的理论基础 作者：欧阳森 EPC of SCUT 概述 电器的发热与电动力——热稳定性和电动稳定性 大型设备必须考虑的问题 电力系统中在线监测的主要内容之一 本章研究内容 热源 电器的工作制 允许温升 发热和散热的计算方法 电动力及其计算 交流电的电动力 短路电流的电动力 1.1 电器的发热与电动力 电器中的热源 1）载流体的导体损耗【交、直流】 2）铁损（磁滞、涡流） 【交流】 3）绝缘体的介质损耗【交流】 HVDC的优势之一： 只有第一种损耗 1.1.1 载流体的能量/导体损耗 焦耳定律（直流） 直流时电阻的计算 其中 实际中常常用简化了的二项公式 工程计算公式1－5 注意常用的铜和铝电阻计算的误差情况 P7 1.1.1 载流体的导体损耗 交流情况下的附加损耗——集肤效应和邻近效应 集肤效应（图1－1） 电流在导体截面的不均匀分布 本质：交变磁通在导体内感生反电势，阻止原电流的流通 电磁波在导体的渗入深度b（式1－7的由来） 一些结论： 越靠近表面电流密度越大 集肤效应还要考虑到截面形状的影响 集肤效应系数Ks ＝1 1.1.1 载流体的导体损耗 临近效应（图1-2） 本质：导线之间的相互影响使各自的电流密度不均有 影响因素：电流频率、导线间距、截面形状和尺寸等 附加损耗系数Ka 通过交变电流和通过直流电流时产生的损耗之比 其中，集肤效应：Ks，临近效应Kn 综合考虑集肤效应和临近效应 1.1.1非载流铁磁部件的损耗 铁损：非载流铁磁部件在交变电磁场作用下产生的的损耗 铁(磁)损(耗) ＝ 磁滞损耗＋ 涡流损耗 式（1－8）～（1－10） 损耗与f成正比例 工程上一般 通过试验确定 查手册求取 1.1.1 电介质损耗 (交变电磁场中的)(绝缘层的)介质损耗 式1－11 δ介质损耗 与电场强度、频率相关 影响因素： 材料、温度、环境状况 加工、处理工艺等 高压电器必须注意 低压电器可忽略 1.1.2 发热和温升 过度发热的危害： 机械强度降低——变形 图1－3，曲线1、2、3、4 促进氧化等化学反应 氧化物的电阻较大，发热增加——形成恶性循环 长期的持续温升的影响 绝缘性降低——电阻随温度上升指数下降 长期高温下，绝缘材料的老化经常发生，且不可逆 软化点 材料的机械强度明显下降的温度 如钢铁熔点约1000°C，但软化温度只需约500 °C 耐热等级（表1－1） 树脂类的物质比较耐热 目前的干式变压器、电抗器多采用酚醛树脂等材料 1.1.2 发热和温升 温升——发热的温度范畴 一般以温升来考核电器的相关质量指标 短路电流对应极限允许温升 全国统一的环境温度35°C 表1－2 各类电器的短时发热以该表为准则 热稳定性的考核以该表数据为标准 钢铜铝 1.1.3 电器的散热与综合散热系数 1）热传导 定义：热能在质点间的传递； 本质：质点间的直接作用（电子、分子等的热运动） 热能从物体的一部分向另一部分传递 热能从一物体向与之接触的另一物体传递 范围： 所有物质 固体物质的主要传热方式 金属热传导过程借助自由电子，比其它物质传热快 充要条件：存在温差 1.1.3 散热方式——热传导 相关物理量 温度阶梯 式1－13 两等温线温差与其距离之比 表征温度的升（降）方向 热流密度 式1－14 单位时间内通过垂直于热流方向单位面积的热量 傅立叶公式（热传导的基本定律） 式1－15 确立了热流密度与温度梯度之间的关系 表明沿热流方向单位长度上的温差为1K时在单位时间内通过单位面积的热量 1.1.3 散热方式——热传导 热导率(导热系数) 式1－16 注意：金属的 为负值 不同物质的热导率相差甚大 P11 银425、铜390、铝210、黄铜85 气体0.006~0.6 1.1.3 散热方式——对流 2）对流 定义：粒子的相对移动而产生的热能转移； 本质：高温区粒子密度比低温区低，使得粒子产生移动，而导致热能的转移。 范围：流体——气体、液体 关系：传导和对流并存 影响因素： 粒子运动的本质和状态 介质的物理性质 发热体的几何参数和状态 1.1.3 散热方式——对流 相关物理现象 图1-4 层流——稳定、平行的运动 注：贴近物体表面的层流一部分是热传导方式 紊流——紊乱 分类：自然对流和强迫对流 对流散热公式 解析式 c、r、v分别是比热容、密度、温度、速度 自然对流散热的经验式 1.1.3 散热方式——辐射 3）辐射 定义：以电磁波形式转移热量； 二重性本质：热能?辐射能?热能 范围：所有物质 特点：热辐射能穿越真空传输能量 无线电能传输 斯特藩－波耳兹曼公式 1－18 因此必须注意： 热辐射能量与T的四次方正比 高温物