第六章載流導(dǎo)體的發(fā)熱和電動(dòng)力第一頁，共二十三頁，2022年，8月28日第一節(jié)概述一、發(fā)熱和電動(dòng)力對電氣設(shè)備的影響▉電氣設(shè)備的兩種工作狀態(tài)▉電氣設(shè)備工作中的兩種損耗▉電氣設(shè)備工作時(shí)的兩種發(fā)熱及不良影響▉電氣設(shè)備流過短路電流時(shí)的巨大危害二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱▉發(fā)熱▉散熱第二頁，共二十三頁，2022年，8月28日

▉發(fā)熱和電動(dòng)力對電氣設(shè)備的影響

1.電氣設(shè)備在運(yùn)行中的兩種工作狀態(tài)

（1）正常工作狀態(tài)。指運(yùn)行參數(shù)都不超過額定值，電氣設(shè)備能夠長期而經(jīng)濟(jì)地工作的狀態(tài)。（2）短路時(shí)工作狀態(tài)。當(dāng)電力系統(tǒng)中發(fā)生短路故障時(shí)，電氣設(shè)備要流過很大的短路電流，在短路故障被切除前的短時(shí)間內(nèi)，電氣設(shè)備要承受短路電流產(chǎn)生的發(fā)熱和電動(dòng)力的作用。第三頁，共二十三頁，2022年，8月28日

2.電氣設(shè)備工作中的兩種損耗（1）“銅損”，即電流在導(dǎo)體電阻中的損耗；（2）“鐵損”，即在導(dǎo)體周圍的金屬構(gòu)件中產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗；（3）“介損”，即絕緣材料在電場作用下產(chǎn)生的損耗。這些損耗都轉(zhuǎn)換為熱能，使電氣設(shè)備的溫度升高。本章主要討論銅損發(fā)熱問題。

▉發(fā)熱和電動(dòng)力對電氣設(shè)備的影響第四頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉發(fā)熱和電動(dòng)力對電氣設(shè)備的影響

3.電氣設(shè)備工作時(shí)的兩種發(fā)熱及不良影響電氣設(shè)備由正常工作電流引起的發(fā)熱稱為長期發(fā)熱，由短路電流引起的發(fā)熱稱為短時(shí)發(fā)熱。發(fā)熱不僅消耗能量，而且導(dǎo)致電氣設(shè)備的溫度升高，從而產(chǎn)生不良的影響。（1）機(jī)械強(qiáng)度下降。（2）接觸電阻增加。（3）絕緣性能下降。第五頁，共二十三頁，2022年，8月28日

▉發(fā)熱和電動(dòng)力對電氣設(shè)備的影響

4.電氣設(shè)備流過短路電流時(shí)的巨大危害當(dāng)電氣設(shè)備通過短路電流時(shí)，短路電流所產(chǎn)生的巨大電動(dòng)力對電氣設(shè)備具有很大的危害性。如：（1）載流部分可能因?yàn)殡妱?dòng)力而振動(dòng)，或者因電動(dòng)力所產(chǎn)生的應(yīng)力大于其材料允許應(yīng)力而變形，甚至使絕緣部件（如絕緣子）或載流部件損壞。（2）電氣設(shè)備的電磁繞組，受到巨大的電動(dòng)力作用，可能使繞組變形或損壞。（3）巨大的電動(dòng)力可能使開關(guān)電器的觸頭瞬間解除接觸壓力，甚至發(fā)生斥開現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備故障。

第六頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱

1.發(fā)熱導(dǎo)體的發(fā)熱主要來自導(dǎo)體電阻損耗的熱量和太陽日照的熱量。（1）導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR；（2）太陽日照產(chǎn)生的熱量。2.散熱散熱的過程實(shí)質(zhì)是熱量的傳遞過程，其形式一般由三種:（1）導(dǎo)熱。使熱量由高溫區(qū)傳至低溫區(qū)。（2）對流。在氣體中，各部分氣體發(fā)生相對位移將熱量帶走的過程。（3）輻射。熱量從高溫以熱射線方式傳至低溫物體的傳播過程。第七頁，共二十三頁，2022年，8月28日第二節(jié)導(dǎo)體的長期發(fā)熱一、導(dǎo)體的溫升過程二、導(dǎo)體的載流量三、提高導(dǎo)體載流量的措施

第八頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉導(dǎo)體的溫升過程—（1）

導(dǎo)體在未通過電流時(shí)，其溫度和周圍介質(zhì)溫度相同。當(dāng)通過電流時(shí)，由于發(fā)熱，使溫度升高，并因此與周圍介質(zhì)產(chǎn)生溫差，熱量將逐漸散失到周圍介質(zhì)中去。在正常工作情況下，導(dǎo)體通過的電流是持續(xù)穩(wěn)定的，因此經(jīng)過一段時(shí)間后，電流所產(chǎn)生的全部熱量將隨時(shí)完全散失到周圍介質(zhì)中去，即達(dá)到發(fā)熱與散熱的平衡，使導(dǎo)體的溫度維持在某一穩(wěn)定值。當(dāng)工作狀況改變時(shí)，熱平衡被破壞，導(dǎo)體的溫度發(fā)生變化；再過一段時(shí)間，又建立新的熱平衡，導(dǎo)體在新的穩(wěn)定溫度下工作。所以，導(dǎo)體溫升過程也是一個(gè)能量守恒的過程。第九頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉導(dǎo)體溫升過程—（2）

（1）溫升過程是按指數(shù)曲線變化，開始階段上升很快，隨著時(shí)間的延長，其上升速度逐漸減小。（2）對于某一導(dǎo)體，當(dāng)通過的電流不同，發(fā)熱量不同，穩(wěn)定溫升也就不同。電流大時(shí)，穩(wěn)定溫升高；電流小時(shí)，穩(wěn)定溫升低。（3）大約經(jīng)過（3～4）T的時(shí)間，導(dǎo)體的溫升即可認(rèn)為已趨近穩(wěn)定溫升τW。從均勻?qū)w持續(xù)發(fā)熱時(shí)溫升與時(shí)間的關(guān)系式看出：

第十頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉導(dǎo)體的載流量

導(dǎo)體長期通過電流Ⅰ時(shí),穩(wěn)定溫升為。由此可知：導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升，與電流的平方和導(dǎo)體材料的電阻成正比，而與總換熱系數(shù)和換熱面積成反比。導(dǎo)體允許的長期工作電流為：

式中，，稱為導(dǎo)體載流量的修正系數(shù)。第十一頁，共二十三頁，2022年，8月28日

▉提高導(dǎo)體載流量的措施—（1）

在工程實(shí)踐中，為了保證配電裝置的安全和提高經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)采取措施提高導(dǎo)體的載流量。常用的措施有：

（1）減小導(dǎo)體的電阻。因?yàn)閷?dǎo)體的載流量與導(dǎo)體的電阻成反比，故減小導(dǎo)體電阻可以有效的提高導(dǎo)體載流量。減小導(dǎo)體電阻的方法：①采用電阻率ρ小的材料作導(dǎo)體，如銅、鋁合金等；②減小導(dǎo)體的接觸電阻（Rj）；③增大導(dǎo)體的截面積(S),但隨著截面積的增加，往往集膚系數(shù)(Kf)也跟著增加，所以單條導(dǎo)體的截面積不宜做得過大，如矩形截面鋁導(dǎo)體，單條導(dǎo)體的最大截面積不超過1250mm2。第十二頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉提高導(dǎo)體載流量的措施—（2）（2）增大有效散熱面積。導(dǎo)體的載流量與有效散熱表面積（F）成正比，所以導(dǎo)體宜采用周邊最大的截面形式，如矩形截面、槽形截面等，并采用有利于增大散熱面積的方式布置，如矩形導(dǎo)體豎放。

（3）提高換熱系數(shù)。提高換熱系數(shù)的方法主要有：①加強(qiáng)冷卻。如改善通風(fēng)條件或采取強(qiáng)制通風(fēng)，采用專用的冷卻介質(zhì)，如SF6氣體、冷卻水等；②室內(nèi)裸導(dǎo)體表面涂漆。利用漆的輻射系數(shù)大的特點(diǎn)，提高換熱系數(shù)，以加強(qiáng)散熱，提高導(dǎo)體載流量。表面涂漆還便于識(shí)別相序。第十三頁，共二十三頁，2022年，8月28日第三節(jié)

短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)一、兩平衡導(dǎo)體間的電動(dòng)力計(jì)算▉兩根平行載流導(dǎo)體間的作用力▉導(dǎo)體間的電動(dòng)力二、三相短路時(shí)的電動(dòng)力計(jì)算▉三相短路時(shí)的電動(dòng)力▉兩相短路時(shí)的電動(dòng)力三、考慮母線共振影響時(shí)對電動(dòng)力的修正第十四頁，共二十三頁，2022年，8月28日

▉兩平行導(dǎo)體間電動(dòng)力的計(jì)算

1.兩根平行載流導(dǎo)體間的作用力

當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體通過電流時(shí)，由于磁場相互作用而產(chǎn)生電動(dòng)力，電動(dòng)力的方向與所通過的電流的方向有關(guān)。如圖6-7所示，當(dāng)電流的方向相反時(shí)，導(dǎo)體間產(chǎn)生斥力；而當(dāng)電流方向相同時(shí)，則產(chǎn)生吸力。第十五頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉兩平行導(dǎo)體間電動(dòng)力的計(jì)算

2.兩根導(dǎo)體間的電動(dòng)力根據(jù)比奧——沙瓦定律，導(dǎo)體間的電動(dòng)力為式中i1、i2———分別通過兩平行導(dǎo)體的電流（A）；l———該段導(dǎo)體的長度（m）；a———兩根導(dǎo)體軸線間的距離（m）；Kx——形狀系數(shù)。

形狀系數(shù)表示實(shí)際形狀導(dǎo)體所受的電動(dòng)力與細(xì)長導(dǎo)體（把電流看作是集中在軸線上）電動(dòng)力之比。

第十六頁，共二十三頁，2022年，8月28日

▉三相短路時(shí)的電動(dòng)力計(jì)算—（1）

三相短路時(shí)，每相導(dǎo)體所承受的電動(dòng)力等于該相導(dǎo)體與其它兩相之間電動(dòng)力的矢量和。三相導(dǎo)體布置在同一平面時(shí)，各相導(dǎo)體所通過的電流不同，故邊緣相與中間相所承受的電動(dòng)力也不同。圖6-8為對稱三相短路時(shí)的電動(dòng)力示意圖。

第十七頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉三相短路時(shí)的電動(dòng)力計(jì)算—（2）

最大沖擊力發(fā)生在短路后0.1s，而且以中間相受力最大。用三相沖擊短路電流ich(kA)表示的中間相的最大電動(dòng)力為

根據(jù)電力系統(tǒng)短路故障分析的知識(shí)：，故兩相短路時(shí)的沖擊電流為。發(fā)生兩相短路時(shí)，最大電動(dòng)力為

兩相短路時(shí)最大電動(dòng)力小于同一地點(diǎn)三相短路時(shí)的最大電動(dòng)力，要用三相短路時(shí)的最大電動(dòng)力校驗(yàn)電氣設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定。第十八頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉考慮母線共振影響時(shí)對電動(dòng)力的修正—（1）

如果把導(dǎo)體看成是多垮的連續(xù)梁，則母線的一階固有振動(dòng)頻率為

式中Nf——頻率系數(shù)；L——跨距，m；E——導(dǎo)體材料的彈性摸具，Pa；Ⅰ——導(dǎo)線斷面二次矩，m4；m——導(dǎo)線單位長度的質(zhì)量，kg/m。Nf根據(jù)導(dǎo)體連續(xù)跨數(shù)和支撐方式?jīng)Q定，其值如表6-4示。

表6-4導(dǎo)體不同固定方式時(shí)的頻率系數(shù)Nf值第十九頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉考慮母線共振影響時(shí)對電動(dòng)力的修正—（2）

當(dāng)一階固有振動(dòng)頻率f1在30～160Hz范圍內(nèi)時(shí)，因其接近電動(dòng)力的頻率（或倍頻）而產(chǎn)生共振，導(dǎo)致母線材料的應(yīng)力增加，此時(shí)用動(dòng)態(tài)應(yīng)力系數(shù)β進(jìn)行修正，故考慮共振影響后的電動(dòng)力的公式為（1）單條導(dǎo)體及一組中的各條導(dǎo)體35～135Hz（2）多條導(dǎo)體及有引下線的單條導(dǎo)體35～155Hz（3）槽形和管形導(dǎo)體30～160Hz。第二十頁，共二十三頁，2022年，8月28日▉載流導(dǎo)體的發(fā)熱和電動(dòng)力—思考題（1）

1.研究導(dǎo)體和電器的發(fā)熱的意義是什么？長期發(fā)熱和短時(shí)發(fā)熱各有何特點(diǎn)？2.為什么要規(guī)定導(dǎo)體和電器的發(fā)熱允許溫度？短時(shí)發(fā)熱允許溫度和長期發(fā)熱允許溫度是否相同，為什么？3.導(dǎo)體長期允許電流是根據(jù)什么確定的？提高導(dǎo)體長期允許電流應(yīng)采取哪些措施？第二十