電力開關(guān)技術(shù)2

1、第2章     電流的熱效應(yīng)和力效應(yīng)2.1  電流效應(yīng)對電器性能的影響2.2  電器的發(fā)熱和散熱規(guī)律2.3  導(dǎo)體的升溫與冷卻過程2.4  短時(shí)及短路情況下的熱計(jì)算2.5  少油斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)的長期發(fā)熱計(jì)算舉例2.6  電器中電流的力效應(yīng)概述2.7  載流系統(tǒng)電動(dòng)力的計(jì)算2.8 交流電動(dòng)力,,2

2、.1　　電流效應(yīng)對電器性能的影響2.1.1　　概述凡是載流的導(dǎo)體或設(shè)備在常態(tài)下都會(huì)因自身導(dǎo)電回路的材料性質(zhì)級(jí)結(jié)構(gòu)特征而承受不同程度的電流熱效應(yīng)和力效應(yīng)。任何導(dǎo)電構(gòu)件（觸頭、母線、線圈等）都因有電阻而產(chǎn)生熱損耗，其周圍的鐵磁體都會(huì)在交變磁場的作用下產(chǎn)生渦流和磁滯損耗，支撐導(dǎo)體的絕緣介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下有介質(zhì)損耗，這些都是造成溫度升高的熱源。電弧是處于等離子態(tài)的導(dǎo)電體，開關(guān)電器中的電弧伴隨開關(guān)觸頭分離或即將合攏時(shí)產(chǎn)生，因而也會(huì)受到電動(dòng)力

3、的作用，它同時(shí)又是大功率的熱源，當(dāng)關(guān)合或開斷短路時(shí)伴隨巨大的短路電流形成。,2.1.2　　最大允許溫升的規(guī)定 電器各零部件及絕緣介質(zhì)的工作溫度對材料物理及化學(xué)性質(zhì)的變化有直接的影響。當(dāng)溫度超過一過的范圍時(shí)，其機(jī)械性能和電氣性能會(huì)急劇下降，使用壽命也會(huì)降低。不同的材料及工作部位其所允許的溫度是不同的，確定允許溫度的原則是保證電器在設(shè)計(jì)的使用期限內(nèi)可能可靠的工作。 材料的允許溫度取決于其機(jī)械強(qiáng)度的變化及支撐絕緣的熱耐受能

4、力。溫度達(dá)一定值后，材料軟化，機(jī)械強(qiáng)度會(huì)明顯下降。,GB11021將電氣絕緣材料按其耐熱性能分為Y、A、E、B、F、H、C 7個(gè)等級(jí)，其長期工作下的極限溫度由Y～C依次增高，A級(jí)的極限溫度為105°C，B級(jí)為130°C，C級(jí)為180°C。絕緣材料的介質(zhì)損耗也隨溫度的上升而增加，其介質(zhì)強(qiáng)度即隨之下降。 導(dǎo)體連接處，尤其是開關(guān)的各類觸頭，其允許溫度比非接觸處要低得多。因?yàn)榻佑|面（或接觸點(diǎn)）的導(dǎo)電

5、狀態(tài)比非接觸處要惡劣得多，接觸處的電阻值是變化的、不穩(wěn)定的。若觸頭一旦焊接，開關(guān)將喪失其功能，后果不堪設(shè)想；觸頭間的接觸壓力通?？繌椈墒┘樱浣佑|壓力有限，接觸電阻也不穩(wěn)定，溫度過高對彈簧的壓力也會(huì)有影響。因此，觸頭處的允許溫度規(guī)定得更低。 高壓斷路器通過短路電流的時(shí)間往往很短（當(dāng)保護(hù)正常時(shí)，通常小于Is），允許溫度可高于長期工作的允許溫度而不受限制。,2.2　　電器的發(fā)熱和散熱規(guī)律,2.2.1　　電器中熱的產(chǎn)生高壓

6、開關(guān)設(shè)備發(fā)熱的來源主要是自身的能量損耗，降低開關(guān)電器工作溫度的主要徐徑也就是設(shè)法減小損耗，損耗的來源主要有電阻損耗、鐵磁損耗和介質(zhì)損耗三種形式。2.2.1.1　　電阻損耗當(dāng)一具有直流電阻R的導(dǎo)體流過電流I時(shí)，它所損耗的功率為 P＝I2R但對交流電路而言，受集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，導(dǎo)體的截面并未得到有效的使用，其電阻值比直流時(shí)大，此時(shí)的功率損耗為P＝KfI2R,式中，Kf為附加的損耗系數(shù)，它等于集膚系數(shù)Kjf和鄰近系數(shù)K1j的

7、乘積。集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)使電流密度的分布不均勻。將導(dǎo)體截面分成內(nèi)外兩部分，流過圓周rx內(nèi)側(cè)的電流所交鏈的磁通比外側(cè)的要多。j（r），j（χ）定性地示出了導(dǎo)體中的電流密度分布。考慮上述兩效應(yīng)后，交流電阻的表達(dá)式可寫為LRac=KjfKljp—S式中，Kjf為集膚系數(shù)，Klj為鄰近系數(shù)，p為導(dǎo)體的電阻率，Ω·m；L為導(dǎo)體的長度，m；S為導(dǎo)體截面積，m2。P與導(dǎo)體的溫度有關(guān)，通常取p=p20(1+a(T-20))或

8、 p=p0(1+aT)式中，p0為導(dǎo)體在0°C時(shí)的電阻率，Ω·m；a為電阻溫度系數(shù)，1/K；T為導(dǎo)體的溫度，°C。Kjf和klj的數(shù)值由導(dǎo)體的形狀、大小及相互間的位置決定。,2.2.1.2 鐵磁損耗,開關(guān)電器導(dǎo)電系統(tǒng)的周圍常存在由鋼鐵件構(gòu)成的鐵磁體，當(dāng)導(dǎo)體通過交變電流時(shí)，這些鐵磁體會(huì)產(chǎn)生鐵磁損耗——渦流和磁滯損耗。在鐵磁體中垂直于磁通的截面上通常會(huì)存在感生的渦流，且渦流的磁場

9、方向總是抵消激磁磁通的，因此，磁場總是集中在鐵磁體的表層，稱之為磁通的趨表效應(yīng)。 在高壓電器中常要用到法蘭、部件外殼等環(huán)繞導(dǎo)體的鋼鐵件，為減小鐵磁損耗常用到以下措施。1）改用非磁性材料，如無磁鋼、無磁鑄鐵、黃銅和鋁合金等。2）采用非磁性間隙，使鐵磁材料不形成封閉環(huán)以增大磁阻。3）采用短路線圈。,2.2.1.3　　介質(zhì)損耗 交流高壓電場的作用下，無論固體、液體或氣體介質(zhì)原則上都會(huì)因介質(zhì)的極化或電導(dǎo)而產(chǎn)生發(fā)熱損耗

10、。,2.2.2　　熱的散失,因各種損耗而造成的導(dǎo)體溫度的升高將會(huì)使發(fā)熱體本身與周圍的物體或氣體介質(zhì)之間產(chǎn)生溫差，溫差造成的熱量從溫度高處往低處的流動(dòng)稱之為熱流（或熱功率）。若發(fā)熱功率等于散失的熱功率就不會(huì)有溫度的升高了，稱之為達(dá)到了溫升的穩(wěn)態(tài)。散熱有傳導(dǎo)、對流、輻射三種方式。 熱傳導(dǎo)是物體與物體直接接觸或物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間熱交換的一種形式，其機(jī)理是不同溫度的物體或物體不同溫度的各部分間分子動(dòng)能的相互傳遞。 熱對流是指靠

11、氣體或液體的流動(dòng)而傳熱的一種方式，往往伴隨著流體微團(tuán)的宏觀移動(dòng)而發(fā)生。流體內(nèi)部存在溫差時(shí)，由于流體密度隨溫度改變而造成的不斷遷升填充現(xiàn)象稱為自然對流；依賴外力使流體強(qiáng)迫流動(dòng)稱為強(qiáng)迫對流。 熱輻射在這里是指熱能以電磁波輻射的方式向外散逸。,2.2.3　　熱傳導(dǎo)的計(jì)算3根據(jù)傅立葉定律，在單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積經(jīng)傳導(dǎo)散失的熱流與溫度梯度成正比，即—q=—λgradT式中，q為熱流量密度，W/ m2 ; “—’’表示熱流向溫

12、度降低的方向傳遞；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m.k），表示物體導(dǎo)熱能力的大小，即單位時(shí)間、單位面積、每度溫差能傳導(dǎo)的熱量。In(r2/r1)RL=2πλL若絕緣外表面的溫度已知，導(dǎo)體的發(fā)熱功率已知，則由上式可求出在穩(wěn)定狀態(tài)下導(dǎo)體表面的溫度。,2.2.4　　固態(tài)發(fā)熱體對流體媒質(zhì)的散熱計(jì)算固體表面與流體間，當(dāng)流體媒質(zhì)為液體時(shí)，以對流散熱為主。只有當(dāng)氣體和液體的自由流動(dòng)受到容器限制時(shí)，才以傳導(dǎo)散熱為主，所以流體薄層的散熱能力是很差的。在計(jì)

13、算發(fā)熱導(dǎo)體的散熱功率時(shí)，理應(yīng)分別計(jì)算三種散熱方式下的散熱功率，然后相加得其總散熱功率。牛頓散熱公式Ps=KsStPs為散熱功率，W；Ks為綜合散熱系數(shù)，W/（m2·K）；S為散熱面積，m2；τ為發(fā)熱體相對于周圍介質(zhì)的溫升，KsRr的表達(dá)式為1Rr＝KsS牛頓散熱公式的前提是將溫差與散熱功率設(shè)為線性關(guān)系，故只能在一定的溫度范圍適用。,2.3　　導(dǎo)體的升溫與冷卻過程2.3.1　　均質(zhì)導(dǎo)體的升溫與冷卻實(shí)際發(fā)熱體的溫升

14、與散熱總是同時(shí)發(fā)生的，現(xiàn)利用一置于空氣中的均質(zhì)長載流導(dǎo)傳來分析這種最普遍的發(fā)熱體升溫與冷卻過程。假定升溫過程電流I和電阻Rac都是不變的定值，以通電開始作為計(jì)時(shí)的起點(diǎn)，且在時(shí)間增量dt內(nèi)有溫度增量dT、溫升增量dτ，那么可得熱平衡方程Pdt=cGdτ+KsSτdt式中，P為發(fā)熱功率，W；c為比熱容，為1克重的該物體，其溫度升高一度所需的熱量，J/（g·k）；G為導(dǎo)體本身的重量，g；Ks為導(dǎo)體綜合散熱系數(shù)；S為散熱表面面積

15、，m2；τ為導(dǎo)體的溫升，K；t為電流通過的時(shí)間，s。,下式即為一常系數(shù)一階微分方程：dτ KsS P + τ=dt cG cG代入初始條件t＝0時(shí)，τ＝0，可得該方程的解τ＝τw(l—e-t/T)式中，τw＝P/KsS，K；T= cG /KsS，T是一個(gè)由導(dǎo)體特性參數(shù)所確定的一個(gè)常量，有時(shí)間的量綱，稱作導(dǎo)體的熱時(shí)間常數(shù)。,2.4　　短時(shí)及短路情況下的熱計(jì)算2.4.1　　電器的工作制及短時(shí)過

16、載能力,那么按長期通電運(yùn)行設(shè)計(jì)的電器能否短時(shí)增加其工作負(fù)荷呢？設(shè)短時(shí)工作的時(shí)間為td，且短時(shí)工作的溫升τd與長期工作的穩(wěn)定溫升τw相等，則τd=τm(1—e-td/T) τw式中，τw為增大通流能力的情況下如長時(shí)間工作將會(huì)達(dá)到的穩(wěn)態(tài)溫升，但在某些情況下導(dǎo)體在溫升小于τm時(shí)就已熔化或燒斷。Pd Pc設(shè)τm= , τm= ,Pd、Pc分別為短時(shí)和長期工作下的發(fā)熱KsS KsS功率，因同一

17、導(dǎo)體的S為定值，且在其允許工作范圍內(nèi)可認(rèn)為Ks亦為定值，泰勒級(jí)數(shù)展開并忽略高次項(xiàng)可得Pd T-- = ---Pc td,2.4.2　　短路電流下的熱計(jì)算短路時(shí)間td、電流Id的熱效應(yīng)，其溫度從Tw上升到Rd，則有Pdtd=cG(Td—Tw)t′d為將具式中，imax為短路開始時(shí)的短路電流最大峰值，A；Id為短路穩(wěn)態(tài)電流有效值，A。,2.4.3　　電器的短時(shí)電流耐受能力（即熱穩(wěn)定性） 除高壓熔斷器外，

18、所有的高壓開關(guān)電器都必須經(jīng)受短路電流的考驗(yàn)，電器這種耐受一定時(shí)間內(nèi)短路電流熱效應(yīng)而不致?lián)p壞的能力就是電器的短時(shí)電流耐受能力，亦稱電器的熱穩(wěn)定性。電器的熱穩(wěn)定性通常以I2t值表示。經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)t＝0.5～5s時(shí)，可近似認(rèn)為其I2t的熱效應(yīng)對開關(guān)電器是等效的。,2.5　　少油斷路器導(dǎo)電系統(tǒng)的長期發(fā)熱計(jì)算舉例6,2.6　電器中電流的力效應(yīng)概述,載流導(dǎo)體在磁場中受到力的作用實(shí)質(zhì)是洛侖茲力的宏觀表現(xiàn)。高壓電器，尤其是高壓開關(guān)電器是由不同方式布置的

19、多個(gè)導(dǎo)體所組成，其中某個(gè)導(dǎo)體處在別的導(dǎo)體或自身其余部分導(dǎo)體電流的磁場中，各導(dǎo)體間必然存在電動(dòng)力的作用。 任何載流導(dǎo)體微元所受的力都可用左手定則確定其受力方向，即當(dāng)磁力線自手心進(jìn)入時(shí)，其4指指向電流方向，垂直于4指的大拇指向受力方向。導(dǎo)體的受力方向也可依據(jù)導(dǎo)體兩側(cè)磁力線的疏密程度來判斷，磁力線密的一側(cè)總是把導(dǎo)體推向疏的一側(cè) 。,開關(guān)電器中導(dǎo)體的受力會(huì)給電器的運(yùn)行造成不利的影響，但也可用于改善或加強(qiáng)電器的某些性能。說明其利弊的兩個(gè)典型

20、例子。多油斷路器一相的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，在關(guān)合過程中，可動(dòng)觸頭（橫擔(dān)）在操動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)動(dòng)、靜觸頭快接觸時(shí)，動(dòng)、靜觸頭間的間隙被擊穿，出現(xiàn)短路電流，顯然導(dǎo)電回路給橫擔(dān)電動(dòng)力。電路結(jié)構(gòu)中，電磁力也可被利用于熄滅電弧，圖中電弧受到箭頭所示方向的力，“磁吹滅弧”（b）是SF6磁旋弧式滅弧室的結(jié)構(gòu)原理圖。電弧在磁場的作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可加強(qiáng)電弧的冷卻并使電弧很快熄滅。 開關(guān)電器中利用電動(dòng)力的例子還有很多，如利用感應(yīng)渦流時(shí)的磁場斥

21、力作快速分?jǐn)嘁约袄秒妱?dòng)力補(bǔ)償觸頭等等。充分了解電磁力的特征性可化害為利，用之于改善電器的工作性能。,2.7　　載流系統(tǒng)電動(dòng)力的計(jì)算2.7.1　用比奧－沙瓦定律計(jì)算電動(dòng)力,任意放置的空間兩截流導(dǎo)體線段的電動(dòng)力計(jì)算模型，l1在平面A上，l2以某角度穿過A。截流線段l1、l2的空間方程已知，可用比奧－沙瓦定律求得l1與l2間的相互電磁作用力。

22、μο電動(dòng)力的通用表達(dá)式F= ----CI1I2= CI1I2×10-7，N 4π當(dāng)導(dǎo)體為方形截面且較大而又靠得很近時(shí)，回路系數(shù)表中某些公式的計(jì)算結(jié)果可能有效大誤差，必須利用有關(guān)手冊中所給的“截面系數(shù)”預(yù)以修正；當(dāng)導(dǎo)體間的距離大于導(dǎo)體截面的周長時(shí)，計(jì)算誤差很小，可以外忽略不計(jì)，滿足高壓開關(guān)電器電動(dòng)力的計(jì)算要求。,2.7.2　　用能量平衡原

23、理計(jì)算電動(dòng)力,在?任何載流系數(shù)中，導(dǎo)體受電動(dòng)力作用向某一方向產(chǎn)生元位移時(shí)所做的功應(yīng)等于系統(tǒng)儲(chǔ)能的變化（虛位移法）：? ω為在電動(dòng)力F作用下，載流系統(tǒng)沿廣義坐標(biāo)，x變化? x時(shí)系統(tǒng)儲(chǔ)能的變化。 ? WF=---- ? x,2.7.3　　計(jì)算舉例2.7.3.1　　垂直導(dǎo)體間的電動(dòng)力,L形垂直導(dǎo)體，流過導(dǎo)體的電流為I，求導(dǎo)體水平部分所受的電動(dòng)力。由比奧－沙瓦定律，垂直部分導(dǎo)體在水平部分導(dǎo)體線段dx處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 μο

24、　IsinaB=------∫-------dy 4π 　r2因dy在整個(gè)沿h的移動(dòng)過程中，a從a2＝90°變到a1，而r=x/sina，若取電流方向與I的正方向一致。2.7.3.2圓環(huán)形載流導(dǎo)體所受的電動(dòng)力 2.7.3.3　　觸頭推斥電動(dòng)力的計(jì)算,2.8　　交流電動(dòng)力,交流電動(dòng)力的計(jì)算方法與上節(jié)基本相同，但因交流電流隨時(shí)間變化，由其產(chǎn)生的電動(dòng)力也隨時(shí)間變化，F(xiàn)=Ci1i2×10－7i1、i

25、2分別為通過兩段導(dǎo)體的交流電流瞬時(shí)值；C為回路系數(shù)。,2.8.1　　單相交流電動(dòng)力,設(shè)同一回路的兩段導(dǎo)體中通過同一正弦交變電流，且i1＝i2＝Imsinω t，則其相互間的電動(dòng)力為1-cos2ωtF=C(Imsinωt)2×10-7=CI2m( 2 )×10-7電動(dòng)力的最大值對應(yīng)出現(xiàn)于電流峰值處，其值為Fm=CI2m×10-7電動(dòng)力的平均值1Fav=2CI2m×10-7= C

26、I2×10-7Im、I分別交流電流最大值和有效值，單位為A。,2.8.2 三相正弦交流時(shí)的電動(dòng)力,在工頻三相電路中，各相電流都按正弦變化，且相角依次相差120°，導(dǎo)體通常做三相同平面平行布置或不在同一平面角形布置，因此每相導(dǎo)體都同時(shí)受到其余兩相電磁耦合的作用力，在任一瞬間導(dǎo)體所受的力是兩個(gè)電動(dòng)力的向量和，其大小和方向都隨時(shí)間而變化，且其變化規(guī)律必須與導(dǎo)體的布置方式相關(guān)。,電動(dòng)力具有以下特性。1)兩側(cè)導(dǎo)體所受的電

27、動(dòng)力最大值相同，最大值時(shí)力的方向向外，此時(shí)另兩相電流方向都與該相電流相反，都對該相推斥。2)中間相電動(dòng)力要大對于這種平行導(dǎo)體，在做電動(dòng)力計(jì)算時(shí)，只要導(dǎo)體長度l相對于兩者間的距間a足夠大，就可近似做無限長平行導(dǎo)體考慮，取回路系數(shù)為2l/a。,2.8.3　　短路時(shí)的電動(dòng)力,單相 在單相交流短路電流中含有周期分量和非周期分量。若短路在電壓過零時(shí)發(fā)生，則短路電流的非周期分量最大，短路電流沖擊值也最大。三相 三相短路時(shí)的電流可簡單表示

28、為ida=Im(eatcos φ—cos(ω t+φ))idb=Im(eatcos (φ—120°)—cos(ωt+φ—120°))idb=Im(eatcos (φ—240°)—cos(ω t+φ—240°))　式中，φ為合閘時(shí)A相電源電壓的相位角。,2.8.4　　電器的峰值電流耐受性（動(dòng)穩(wěn)定性）,當(dāng)通過短路電流時(shí)，開關(guān)的載流部分將承受巨大的電動(dòng)力作用。為保證其正常工作，各載流部分不允許產(chǎn)