一、概 述
有觸點(diǎn)電器是由導(dǎo)電材料、導(dǎo)磁材料和絕緣材料等組成的。
電器在工作時由于有電流通過導(dǎo)體和線圈而產(chǎn)生電阻損耗。如果電器工作于交流電路，則由于交變電磁場的作用，在鐵磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流和磁滯損耗。在絕緣體內(nèi)產(chǎn)生介質(zhì)損耗。所有這些損耗幾乎全部都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。其中一部分散失到周圍介質(zhì)中，另一部分加熱電器本身，使其溫度升高。
電器溫度升高后，其本身溫度與周圍環(huán)境溫度之差，稱為溫升。
電器的溫度超過某一極限值后，其中金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度會明顯下降，絕緣材料的絕緣強(qiáng)度會受到破壞。若電器溫度過高，會使其使用壽命降低，甚至遭到破壞。反之，電器工作時的溫度也不宜過低，因?yàn)殡娖鞴ぷ鲿r溫度太低，說明材料沒有得到充分利用，經(jīng)濟(jì)性差。相對體積大、重量重。
由此可見，研究電器的發(fā)熱問題，對保證電器正?？煽康倪\(yùn)行及縮小電器體積、節(jié)約原材料、降低成本、增長使用壽命等方面具有重要意義。
為了確保電器的工作性能和使用壽命，各國電器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了電器各部件的發(fā)熱溫度極限及允許溫升。
所謂發(fā)熱溫度極限就是保證電器的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電、導(dǎo)磁性以及介質(zhì)的絕緣性不受危害的極限溫度。
允許溫升是發(fā)熱溫度極限與最高環(huán)境溫度的差值。
因?yàn)殡娖鞯墓ぷ鳝h(huán)境直接影響電器的散熱過程。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高環(huán)境溫度為+40℃(一般為35℃)，即
允許溫升＝發(fā)熱溫度極限－40℃
當(dāng)海拔1 000m時，各種不同材料和部件的發(fā)熱溫度極限列于表1－1。
關(guān)于短時發(fā)熱溫度極限，目前尚未制定國家標(biāo)準(zhǔn)，表1－2所列數(shù)據(jù)可供參考。
表1－1 電器部件及材料發(fā)熱溫度極限
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項(xiàng) |
零 部 件 名 稱 |
材 料 和 形 式 |
發(fā)熱溫度極限(℃) |
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1 |
發(fā)熱溫度不影響接觸壓力的觸頭 |
紫銅或銅合金 銀或銀合金觸頭 |
115 以不損害相鄰部件為限 |
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2 |
發(fā)熱溫度影響接觸壓力的觸頭 |
磷青銅 彈簧負(fù)片構(gòu)成的簧片 夾形觸頭刀形開關(guān)銅質(zhì)觸頭 |
75 75 90 |
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3 |
用螺釘、鉚釘緊固的導(dǎo)電連接 |
紫銅或黃銅 紫銅或黃銅接觸處鍍锝 紫銅或黃銅接觸處鍍銀 鋁 質(zhì) |
95 100 105 80 |
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4 |
單層電流線圈 |
銅 質(zhì) |
145 |
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5 |
軟連接線 |
銅質(zhì)鍍(或搪)錫 |
130 |
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6 |
電 阻 |
康銅或類似的電阻帶、絲 |
390 |
|
鐵路鋁電阻帶、絲 |
640 |
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鎳絡(luò)電阻帶、絲 |
690 |
||
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7 |
絕緣線圈及與絕緣材料接觸的 金屬零件 |
A級絕緣 E級絕緣 B級絕緣 F級絕緣 H級絕緣 |
120 135 145 170 195 |
表1－2 電器部件及材料短時發(fā)熱極限溫度
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部件名稱及材料 |
短時最高允許溫度(℃) |
部件名稱及材料 |
短時最高極限溫度(℃) |
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油中未絕緣的載流導(dǎo)體 |
250 |
任何情況下的鋁導(dǎo)體 |
200 |
|
不和有機(jī)絕緣材料及油接觸的銅和黃銅部件 |
300 |
閉合情況下的主觸頭 |
200 |
在環(huán)境溫度為40℃時，絕緣線圈及包有絕緣材料的金屬導(dǎo)體的允許溫升見表1－3。
表1－3 絕緣線圈的允許溫升
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絕緣材料耐熱等級 |
線圈在空氣中允許沮升(℃) |
線圈在油中允許溫升(℃) |
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長期工作制 |
反復(fù)短時、間斷長期及短時工作制 |
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A |
65 |
80 |
60 |
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E |
80 |
95 |
60 |
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B |
90 |
105 |
60 |
|
F |
115 |
130 |
－ |
|
H |
140 |
155 |
－ |
關(guān)于表中絕緣等級的說明：由于絕緣材料的品種繁多，耐熱性各不相同。為此國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定按耐熱性將絕緣材料分為7個等級，見表1－4。
1－4 絕緣材料的最高允許溫度
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絕緣等級 |
Y |
A |
E |
B |
F |
H |
C |
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最高允許溫度(℃) |
90 |
105 |
120 |
130 |
155 |
180 |
>180 |
二、電器的發(fā)熱
電器工作時，電流通過導(dǎo)電部分將產(chǎn)生電阻損耗。載流導(dǎo)體的功率損耗為：
P=I2R (1－1)
式中 P——電阻損耗功率(W)；
I——通過導(dǎo)體的電流(A)；
R——導(dǎo)體電阻(Ω)。
當(dāng)導(dǎo)體中流進(jìn)交變電流時，考慮集膚和鄰近效應(yīng)時，R應(yīng)為交流電阻。
此損耗將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。正常狀態(tài)時，其中一部分散發(fā)到周圍介質(zhì)中去，另一部分使導(dǎo)體的溫度升高，形成溫升。如果發(fā)熱時間極短(如短路時的發(fā)熱)，由于來不及散熱，可認(rèn)為損耗功率全部用來加熱導(dǎo)體，提高導(dǎo)體的溫升。此時可得出能量平衡公式為
Pt＝Gcτ (W·s) (1－2)
式中 P——電阻損耗功率(W)；
t——發(fā)熱時間(s)；
G——導(dǎo)體質(zhì)量(kg)；
c——導(dǎo)體的比熱[W·s／(kg·℃)]；
τ－——導(dǎo)體的溫升(℃)；
上式可用于計(jì)算短路電流導(dǎo)體的溫升。
鐵磁體在交變磁通的作用下，會在鐵磁零件中產(chǎn)生一定的渦流。這是因?yàn)殍F的導(dǎo)磁率很高，而磁通變化速度又快，因而產(chǎn)生相應(yīng)的電動勢和渦流損耗。同時，磁通的方向和數(shù)值變化使鐵磁材料反復(fù)磁化，產(chǎn)生磁滯與渦流損耗可以導(dǎo)致鐵質(zhì)零件發(fā)熱。一般來說，這個損耗不大。但如果制造不當(dāng)；如材料較差、鐵片較厚或片間絕緣不好，則渦流損耗就比較大。
磁滯與渦流損耗一般與磁通密度大小、磁通變化率及鐵磁材料有關(guān)。工程上為了簡化計(jì)算過程且要取得較符合實(shí)際情況的結(jié)果，通常采用公式來計(jì)算。
式中
表1－5 鐵心材料的磁滯、渦流損耗系數(shù)
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鋼的類別 |
普通電機(jī)鋼 |
高 硅 鋼 |
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片厚(mm) |
1.0 |
0.5 |
0.35 |
0.5 |
0.35 |
|
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4.4 |
4.4 |
4.7 |
3.0 |
2.4 |
|
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22.5 |
5.9 |
3.0 |
1.3 |
0.7 |
在交流電器中常采用硅鋼片迭成導(dǎo)磁鐵心。所以也可根據(jù)選用導(dǎo)磁材料的型號，直接由YB73—70、YB73—63(冶金部關(guān)于電工用熱軋鋼片及冷軋鋼薄板部標(biāo))查得相應(yīng)型號材料的單位鐵損，經(jīng)過計(jì)算而得整個鐵心的損耗。
絕緣介質(zhì)中的介質(zhì)損耗一般與電場強(qiáng)度及頻率有關(guān)。電場強(qiáng)度和頻率愈高則介質(zhì)損耗也愈大。對于電場強(qiáng)度較小的低壓電器而言，介質(zhì)損耗小到實(shí)際上可以忽略不計(jì)。但在高壓電器中，由于電壓高，介質(zhì)中的電場強(qiáng)度大，必須考慮介質(zhì)損耗并計(jì)算介質(zhì)的發(fā)熱。
三、電器的散熱
電器工作時，只要電器溫度高于周圍介質(zhì)及接觸零件的溫度，它便向周圍介質(zhì)散熱。所以發(fā)熱和散熱同時存在于電器發(fā)熱過程中。
當(dāng)電器產(chǎn)生的熱量與散失的熱量相平衡時，電器的溫升維持不變，這時稱電器處于熱穩(wěn)定狀態(tài)。此時的溫升稱為穩(wěn)定溫升。若溫升隨著時間而變化，則稱為不穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)。
電器的散熱以傳導(dǎo)、對流與輻射三種基本方式進(jìn)行。
熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是通過具有一定內(nèi)部能量的物質(zhì)基本質(zhì)點(diǎn)間的直接相互作用，使能量從一個質(zhì)點(diǎn)傳遞到另一相鄰質(zhì)點(diǎn)。熱傳導(dǎo)的方向是由較熱部分向較冷部分傳播；或由發(fā)熱體向與它接觸的物體傳播。熱傳導(dǎo)是固體傳熱的主要方式，它也可在氣體和液體中進(jìn)行。
對流是通過流體(液體與氣體)的運(yùn)動而傳遞熱量。熱量的轉(zhuǎn)移和流體本身的轉(zhuǎn)移結(jié)合在一起。根據(jù)流體流動的原因，對流分為自然對流和強(qiáng)迫對流。機(jī)車的電機(jī)、電器等因受安裝空間的限制，較多采用強(qiáng)迫對流(強(qiáng)迫風(fēng)冷卻或強(qiáng)迫油循環(huán)冷卻)，可加強(qiáng)散熱，縮小體積。
熱輻射是發(fā)熱體的熱量以電磁波形式傳播能量的過程。熱輻射可穿越真空和氣體而傳播，但不能透過固體和液體物質(zhì)。
熱傳導(dǎo)、對流、熱輻射三種傳熱過程可通過一定的公式或經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行計(jì)算，但是分別進(jìn)行熱計(jì)算是相當(dāng)復(fù)雜的，而且結(jié)果不十分準(zhǔn)確。所以在實(shí)際計(jì)算發(fā)熱體表面溫升時，不進(jìn)行單獨(dú)考慮，而是在一定表面情況和周圍介質(zhì)條件下，把三種散熱方式綜合起來，用綜合散熱系數(shù)KT考慮散熱，這就是通常采用的牛頓公式：
式中
通過上式可得出，散熱功率和溫升及有效散熱面積成正比，溫升越高，有效散熱面越大，則散熱功率越大。綜合散熱系數(shù)是指溫度升高1℃，發(fā)熱體單位面積發(fā)散到周圍介質(zhì)的功率。綜合散熱系數(shù)
和發(fā)熱體結(jié)構(gòu)、工作制、布置方式及周圍介質(zhì)密度，傳熱系數(shù)等諸多因素有關(guān)。值由實(shí)驗(yàn)方法確定。表1－6為的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，供參考。在應(yīng)用牛頓公式時重要的問題在于正確地選取綜合散熱系數(shù)。
表1－6 綜合散熱系數(shù)KT的實(shí)驗(yàn)值
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序號 |
散熱體表面及其特性 |
KT[W/(cm2·℃)] |
附 注 |
|
l |
窄邊直立的扁平銅母線 |
(6～9)×10－4 |
|
|
2 |
涂絕緣漆的鋼或生鐵表面 |
(10～14) ×10－4 |
|
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3 |
具有絕緣紙的線圈 |
(10～12.5) ×10－4 |
|
|
4 |
螺旋狀生鐵電阻 |
(10～13) ×10－4 |
KT值對應(yīng)于全部螺旋表面 |
|
5 |
由康銅或鎳鉻絲或帶繞的電阻組件 |
(10～14) ×10－4 |
KT值對應(yīng)于全部導(dǎo)體表面 |