3.1概述3.2接觸電阻3.4導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱與短時(shí)發(fā)熱3.3電氣設(shè)備發(fā)熱及散熱與允許溫升

第3章電氣設(shè)備及載流導(dǎo)體發(fā)熱與計(jì)算2內(nèi)容提要：本章內(nèi)容主要從理論上講述了發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體產(chǎn)生的不良影響，以及載流導(dǎo)體長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)的發(fā)熱與散熱工程。本章重點(diǎn)：本章中，重點(diǎn)掌握電氣發(fā)熱的各種計(jì)算方法和提高導(dǎo)體長(zhǎng)期允許通過(guò)載流量計(jì)算方法與措施。第3章電氣發(fā)熱與計(jì)算案例1.焦作天堂錄像廳發(fā)生特大火災(zāi)2000年3月29日凌晨3時(shí)許，位于焦作市中心鬧市區(qū)的天堂錄像廳發(fā)生特大火災(zāi)，造成當(dāng)時(shí)在此觀看錄像的74名觀眾在大火中喪生。事故發(fā)生原因：系當(dāng)日天堂錄像廳15號(hào)包間內(nèi)使用石英電熱器長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱、輻射，引燃周圍易燒物所致。

案例2哈爾濱天潭酒店火災(zāi)2003年2月2日18時(shí)左右，哈爾濱市道外區(qū)天潭酒店發(fā)生火災(zāi)。造成33人死亡，10人受傷事故原因：酒店工作人員在取暖煤油爐未熄火的狀態(tài)下，加注溶劑油，引起爆燃導(dǎo)致火災(zāi)。案例3上海“11.15”特大火災(zāi)事故

2010年11月15日，中國(guó)上海市中心靜安區(qū)教師公寓發(fā)生一場(chǎng)延燒超過(guò)6個(gè)小時(shí)的大火災(zāi)。遇難人數(shù)實(shí)為58人，其中男性22人，女性36人。事故原因：電焊火花引燃外保溫材料所致。

案例42006年１４日４時(shí)許，浙江省湖州市吳興區(qū)織里鎮(zhèn)一個(gè)體商廈——“福音大廈”發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)造成１５人死亡，１人失蹤。事故原因：電氣路短路引發(fā)火災(zāi)7

3.1.1發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的不良影響

發(fā)熱對(duì)載流導(dǎo)體的不良影響主要表現(xiàn)在絕緣材料的絕緣性能、導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)體接觸部分性能等三個(gè)方面。1.絕緣性能降低1）絕緣材料的耐熱溫度

導(dǎo)體的絕緣材料在溫度的長(zhǎng)期作用下老化速度會(huì)逐漸的加劇，并逐漸喪失原有的機(jī)械性能和絕緣性能，老化的速度與導(dǎo)體的溫度有關(guān)。當(dāng)導(dǎo)體的溫度超過(guò)一定的允許值后，絕緣材料的老化加劇，使用壽命明顯縮短。由于絕緣材料變脆弱，絕緣強(qiáng)度顯著下降，結(jié)果就可能被過(guò)電壓甚至被正常電壓所擊穿。3.1電氣發(fā)熱的危害8等級(jí)耐熱溫度/℃相應(yīng)的材料Y90未浸漬過(guò)的棉紗、絲及電工絕緣紙等材料或組合物質(zhì)所組成的絕緣結(jié)構(gòu)A105浸漬過(guò)的Y等級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)材料E120合成的有機(jī)薄膜、合成的有機(jī)磁漆等材料或其組合物組成的絕緣結(jié)構(gòu)B130以合適的樹(shù)脂黏合或浸漬、涂覆后的云母、玻璃纖維、石棉等F155以合適的樹(shù)脂黏合或浸漬、涂覆后的云母、玻璃纖維、石棉等，以及其他無(wú)機(jī)材料，合適的有機(jī)材料或其組合物所組成的絕緣結(jié)構(gòu)H180硅有機(jī)漆，云母、玻璃纖維、石棉等用硅有機(jī)樹(shù)脂黏合材料，以及一切經(jīng)過(guò)試驗(yàn)?zāi)苡迷诖藴囟确秶鷥?nèi)的各種材料。C>180以合適的樹(shù)脂（如熱穩(wěn)定性特別優(yōu)良的硅有機(jī)樹(shù)脂）黏合或浸漬、涂覆后的云母、玻璃纖維等，以及未經(jīng)浸漬處理的云母、陶瓷、石英等材料或其組合物所組成的絕緣結(jié)構(gòu)。表3-1各級(jí)絕緣材料的耐熱溫度按國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，電氣絕緣材料按其耐熱溫度分為七級(jí)，其長(zhǎng)期工作下的極限溫度列在表3-1內(nèi)，材料在該溫度下能工作20000h而不致?lián)p壞。9圖3-1表示幾種絕緣材料的使用壽命與溫度的關(guān)系。在某一溫度限值內(nèi)壽命一定，但當(dāng)超過(guò)這一“限值”時(shí)，溫度增加則使用壽命降低。2）絕緣材料的壽命例如:A級(jí)絕緣材料其極限允許溫度為105℃，在這個(gè)溫度下，能長(zhǎng)期工作達(dá)15~20年。但若超過(guò)這個(gè)溫度，比如達(dá)到113~115℃，其使用壽命將降為8~10年。對(duì)大部分絕緣材料來(lái)說(shuō)，可以用所謂的“八度規(guī)則”經(jīng)驗(yàn)規(guī)律來(lái)估算其壽命，即溫度每上升8℃，則其壽命降低一半。必須指出，隨著絕緣材料使用環(huán)境的復(fù)雜化，“八度規(guī)律”推論只能用來(lái)估算壽命。絕緣材料的使用壽命與溫度有極大關(guān)系，溫度增加則使用壽命降低，出現(xiàn)絕緣老化現(xiàn)象，在防火檢查實(shí)踐中就可根據(jù)這些老化特征，對(duì)使用壽命做出判斷。11

發(fā)熱是影響電器壽命和工作狀態(tài)的重要因素之一。為了限制發(fā)熱對(duì)電器及載流體帶來(lái)的危害，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)，人們規(guī)定了一個(gè)允許溫度。允許溫度是用一定方法測(cè)定的電器元件的最熱溫度，在此溫度下，整個(gè)電器元件保持連續(xù)工作。允許溫度通常規(guī)定必須小于耐熱溫度。設(shè)備和導(dǎo)體上的任一部分都不能超過(guò)允許溫度。所以，有關(guān)規(guī)程做出如下幾項(xiàng)規(guī)定：①允許溫度規(guī)定必須小于材料損壞的極限允許溫度(耐熱溫度)，這是因?yàn)榭紤]到測(cè)量等諸方面不可避免的誤差。②電氣設(shè)備是由各種導(dǎo)體組合而成的，允許溫度要考慮到它的最薄弱環(huán)節(jié)。③短路電流引起的發(fā)熱是發(fā)熱時(shí)間極其短暫的發(fā)熱，設(shè)備絕緣材料的老化和金屬機(jī)械強(qiáng)度的變壞，除了溫度的高低外，還取決于發(fā)熱持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短，因此短時(shí)發(fā)熱允許溫度比長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱允許溫度規(guī)定得要高。3）絕緣材料的允許溫度12

當(dāng)導(dǎo)體的溫度超過(guò)一定允許值后，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體材料退火，使其機(jī)械強(qiáng)度顯著下降。例如鋁和銅導(dǎo)體在溫度分別超過(guò)100℃和150℃后，其抗拉強(qiáng)度急劇下降。這樣當(dāng)短路時(shí)在電動(dòng)力的作用下，就可能使導(dǎo)體變形，甚至使導(dǎo)體結(jié)構(gòu)損壞。具體參數(shù)關(guān)系如圖3-2所示。2.機(jī)械強(qiáng)度下降由圖3-2可見(jiàn)，連續(xù)發(fā)熱150℃或短時(shí)發(fā)熱300℃時(shí)，銅的抗拉強(qiáng)度迅速下降。很明顯，銅的短時(shí)發(fā)熱抗拉極限高于其連續(xù)發(fā)熱的抗拉極限，在任一溫度之下都是如此。換句話說(shuō)，也就是發(fā)熱時(shí)間愈短，抗拉極限下降時(shí)的溫度就越高。這是因?yàn)檩d流體長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，會(huì)使其慢性退火，亦可使其喪失機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度喪失之后，會(huì)導(dǎo)致變形或破壞。為了保證導(dǎo)體可靠工作，需使其發(fā)熱溫度不得超過(guò)一定數(shù)值。這個(gè)限值叫做最高允許溫度。按照有關(guān)規(guī)定，導(dǎo)體的正常最高允許溫度，一般不超過(guò)70℃；短路最高允許溫度可高于正常最高允許溫度，對(duì)硬鋁可取200℃，硬銅可取300℃。3.導(dǎo)體接觸部分性能變壞當(dāng)接觸連接處溫度過(guò)高時(shí)，接觸連接表面會(huì)強(qiáng)烈氧化并產(chǎn)生一層電阻率很高的氧化層薄膜，從而使接觸電阻增加，接觸連接處的溫度更加升高，當(dāng)溫度超過(guò)一定允許值后，就會(huì)形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致接觸連接處燒紅，松動(dòng)甚至熔化。

3.1.2載流導(dǎo)體運(yùn)行中的工作狀態(tài)與損耗載流導(dǎo)體工作中常遇到以下兩種工作狀態(tài)。（1）正常工作狀態(tài)當(dāng)電壓和電流都不超過(guò)額定值時(shí)，導(dǎo)體能夠長(zhǎng)期、安全、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。（2）短路工作狀態(tài)當(dāng)系統(tǒng)因絕緣故障發(fā)生短路時(shí)，流經(jīng)導(dǎo)體的短路電流比額定值要高出幾倍甚至幾十倍。保護(hù)裝置動(dòng)作、將故障切除的短期內(nèi)，導(dǎo)體將承受短時(shí)發(fā)熱和電動(dòng)力的作用。3.1.3載流導(dǎo)體運(yùn)行中的損耗

載流導(dǎo)體工作中將產(chǎn)生各種損耗。

1.電阻損耗輸電線或電磁線的導(dǎo)體本身和機(jī)械連接處都有電阻存在，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，即產(chǎn)電損耗，電阻損耗與電流的平方、電阻和時(shí)間成正比。

2.磁滯、渦流損耗載流導(dǎo)體周圍的鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)反復(fù)磁化作用下，將產(chǎn)生磁滯、渦流損耗，使鐵質(zhì)物質(zhì)發(fā)熱。1)磁滯損耗。鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)的磁化作用下由于內(nèi)部的不可逆過(guò)程而使鐵磁物質(zhì)發(fā)熱所造成的一種損耗，稱為磁滯損耗。磁滯損耗可用下列經(jīng)驗(yàn)公式求得:PCZ=η/fBMN

(3-1)式中η——與材料性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定(見(jiàn)表3-2)； n——指數(shù)，當(dāng)Bm<1Gs時(shí)n=1.6，Bm>1Gs時(shí)n=2?？梢?jiàn)，磁滯損耗與頻率的一次方成正比，與最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm的n次方成正比。圖3-3表示鐵磁物質(zhì)的基本磁化曲線和磁滯回線B=f(H)，即磁感應(yīng)強(qiáng)度B同外磁場(chǎng)H之間的關(guān)系。由圖3-3可見(jiàn)，鐵磁物質(zhì)從O開(kāi)始磁化時(shí)，曲線由O到a，若減少H，則B不沿aO下降，而沿aa'下降。磁滯現(xiàn)象就是B的變化滯后于H的這一現(xiàn)象。圖3-3基本磁化曲線17眾所周知，當(dāng)鐵磁物質(zhì)放置在變化著的磁場(chǎng)中，或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(或感應(yīng)電流)。從圖3-4中可見(jiàn)，渦流是感應(yīng)電流之一，在鐵心內(nèi)圍繞著磁感應(yīng)強(qiáng)度呈旋渦狀流動(dòng)，其方向可按楞次定律來(lái)決定。渦流損耗是導(dǎo)體在非均勻磁場(chǎng)中移動(dòng)或處在隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)中時(shí)，因渦流而導(dǎo)致的能量損耗。渦流對(duì)許多電氣設(shè)備來(lái)說(shuō)是極為有害的，它消耗電能，使鐵心發(fā)熱，不僅會(huì)引起額外的大量功率損失，更嚴(yán)重的是還會(huì)使線圈溫度過(guò)高，甚至損壞線圈的絕緣，造成設(shè)備的過(guò)熱損壞甚至釀成事故。另外，它又削弱了原來(lái)磁場(chǎng)的強(qiáng)度。(2).渦流損耗在電動(dòng)機(jī)、電器、變壓器內(nèi)部，為了減少鐵心的渦流損耗和去磁作用，通常采用增加鐵磁材料電阻率的辦法。如用硅鋼片疊片的方法代替整塊鐵心材料，各片之間加上絕緣層，使渦流在各層間受阻。硅鋼片一般厚度為0.35mm或0.4mm，如圖3-5所示，這樣就把渦流限制在許多狹長(zhǎng)的小截面之中。

圖3-5減小渦流的方法圖3-5減小渦流的方法19渦流損耗Pw與電源頻率的二次方成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值的二次方和體積成正比，即：

(3-2)鋼片厚度（mm）普通發(fā)電機(jī)硅鋼片變壓器硅鋼片10.50.350.50.35（W/Kg）4.44.44.73.02.4（W/Kg）22.55.73.01.30.7

表3-2磁滯損耗和渦流損耗的計(jì)算系數(shù)盡管如此，在交流電動(dòng)機(jī)和變壓器中，渦流損耗也還是不能忽視的。（3）鐵損。交變磁通在鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗Pcz和渦流損耗Pw合起來(lái)叫做鐵磁損耗，簡(jiǎn)稱鐵損。它把從電源吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使鐵心發(fā)熱。20

當(dāng)直流電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體中的任一橫截面處的分布都是均勻的，故金屬導(dǎo)體能得到充分的利用。但是交流電流通過(guò)時(shí)則不然，由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用，電流沿導(dǎo)體分布不均勻，使導(dǎo)體的發(fā)熱量大于直流電流通過(guò)時(shí)的發(fā)熱量，相當(dāng)于導(dǎo)體的電阻增加了?；蛘哒f(shuō)，由于導(dǎo)體的截面未被充分利用，相當(dāng)于截面積縮小了。所以，導(dǎo)體電阻增加，因而其發(fā)熱量就增大了。交流電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)的電阻損耗(或稱焦耳損耗)確定如下：

式中P——損耗功率(W)； Kfj——附加損耗系數(shù)，Kfj=KjKl； Kj——趨膚效應(yīng)系數(shù)； Kl——鄰近效應(yīng)系數(shù)。

3.附加損耗（3-3）因?yàn)閷?dǎo)體的電阻為：式中ρ——導(dǎo)體的電阻率(Ω·m)； l——導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)； S——導(dǎo)體的截面積(m2)。將該式代入式(3-3)，便有(3-4)式中J——電流密度(A/m2)； γ——導(dǎo)體材料的密度(kg/m3)； m——導(dǎo)體的質(zhì)量(kg)，m=γlS。電阻率與溫度的關(guān)系為ρ=ρ0(1+αθ+βθ2+…)(3-5)式中ρ0——在θ=0℃時(shí)的電阻率； α、β——電阻溫度系數(shù)。當(dāng)θ≤100℃時(shí)，通常僅考慮式(3-5)中的前兩項(xiàng)，即ρ=ρ0(1+αθ)(3-6)23當(dāng)導(dǎo)體中通過(guò)交流電流時(shí)，產(chǎn)生使電流趨于表面的現(xiàn)象，這就是趨膚效應(yīng)。如圖3-6所示，在導(dǎo)體的中心部分A中，與之相交鏈的磁通為Φ1和Φ2；同時(shí)，與導(dǎo)體外圍部分B相交鏈的磁通只有Φ2。同電流一起變化的磁通越大，該電流所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就越大，可見(jiàn)在A區(qū)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)無(wú)疑要比B區(qū)的大。眾所周知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)反電動(dòng)勢(shì)，它與產(chǎn)生它的電流方向相反，而在導(dǎo)體截面的外圍部分B區(qū)電流密度增大，這即是趨膚效應(yīng)的機(jī)理。當(dāng)然，電流密度J不是由A區(qū)到B區(qū)陡然增加的，而是沿半徑方向均勻地增加，J=f(r)表示于圖3-6a中的上部。集膚效應(yīng)以電磁波在導(dǎo)體內(nèi)的滲透深度b表征：(3-7)式中ρ——導(dǎo)體的電阻率(Ω·m)；μ——材料的絕對(duì)磁導(dǎo)率(H/m)；f——電流頻率(Hz)。對(duì)于鋼(ρ=10-7Ω·m，μ=μrμ0=1000×1.25×10-6H/m，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，μ0為真空磁導(dǎo)率)，工頻(f=50Hz)電流時(shí)有：

m=0.0005m銅導(dǎo)體(μ=μ0)中電磁波的滲透深度比鋼的要大1000倍。交流電流的頻率越高，則趨膚效應(yīng)越強(qiáng)。鄰近效應(yīng)在兩個(gè)載流導(dǎo)體處于彼此布置較近時(shí)才表現(xiàn)出來(lái)。由于兩個(gè)相鄰的載流導(dǎo)體之間磁場(chǎng)的相互作用，而使導(dǎo)體截面中電流線分布改變。一個(gè)導(dǎo)體中的電流建立的磁場(chǎng)，在另一導(dǎo)體中作用時(shí)，相鄰近的一側(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，相反的一側(cè)則較小。如果兩導(dǎo)體中電流方向相同，則在鄰近的一側(cè)由一個(gè)導(dǎo)體在另一個(gè)導(dǎo)體中產(chǎn)生的磁場(chǎng)而感應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)將阻止另一導(dǎo)體與相鄰一側(cè)內(nèi)的電流通過(guò)，所以出現(xiàn)了兩導(dǎo)體相鄰近一側(cè)電流密度的減小，而相反的一側(cè)，電流密度則較大。如果兩導(dǎo)體中所流過(guò)的電流方向相反，則電流密度的分布情況與前相反，在相鄰的一側(cè)，電流密度較大，如圖3-6b所示?？梢?jiàn)，兩導(dǎo)體內(nèi)電流方向不同時(shí)，J=f(x)沿矩形導(dǎo)體截面的分布也是不同的。由上述可知，臨近效應(yīng)系數(shù)Kl與導(dǎo)體之間的分布與距離有關(guān)，導(dǎo)體相距越遠(yuǎn)，Kl越小。264.介質(zhì)損耗電氣絕緣材料稱為電介質(zhì)，電介質(zhì)能建立電場(chǎng)，儲(chǔ)存電場(chǎng)能量，也能消耗電場(chǎng)能量。短期較高的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)引起電介質(zhì)被擊穿破壞，長(zhǎng)期較低的電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致電介質(zhì)老化破壞?？傊陔妶?chǎng)的作用下，電介質(zhì)會(huì)發(fā)生極化、電導(dǎo)損耗、介質(zhì)損耗和擊穿四種基本物理過(guò)程。電介質(zhì)損耗是交流電場(chǎng)中的電介質(zhì)特性，直流電場(chǎng)下只是帶電質(zhì)點(diǎn)(離子)的遷移從電場(chǎng)中吸取能量，通常以直流電阻率ρv和ρs(ρv為介質(zhì)材料的體電阻率，ρs為其表面電阻率)來(lái)表征，這部分稱為電導(dǎo)損耗的泄漏電流的大小。一般低溫下泄漏電流很小，而高溫下可能很大。交變電場(chǎng)除電導(dǎo)損耗外，還因周期性的極化存在，吸收電場(chǎng)能量，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故常統(tǒng)稱這兩個(gè)方面的損耗為介質(zhì)損耗。電介質(zhì)的功率損耗用下式求得:(3-8)（3-8）27由式(3-8)可以看出，介質(zhì)損耗P與外加電壓U2成正比，ω=2πf，C為介質(zhì)電容量，取決于材料的介電常數(shù)ε和幾何尺寸。上述參數(shù)都是給定值，故P最后就取決于材料本身的tanδ。為了比較不同材料在交流電場(chǎng)下?lián)p耗的性能，tanδ就成為衡量材料本身在電場(chǎng)中損耗能量并轉(zhuǎn)化

圖3-7絕緣狀態(tài)和tanδ的變化為熱能的一個(gè)宏觀物理參數(shù)，稱之為電介質(zhì)損耗角正切(又稱為損耗因數(shù))。在絕緣材料的測(cè)試中，可以利用絕緣受潮或老化后tanδ增加的情況來(lái)判斷絕緣性能。從圖3-7中的tanδ=f(U)的關(guān)系可以判斷幾種情況:曲線A為良好干燥的絕緣，曲線B表明絕緣未老化，曲線C表明絕緣中有空氣隙，曲線D表明絕緣老化受潮。圖3-6絕緣狀態(tài)和

的變化283.2接觸電阻當(dāng)兩個(gè)金屬導(dǎo)體互相接觸時(shí)，在接觸區(qū)域內(nèi)存在著一個(gè)附加電阻，稱為接觸電阻。所謂接觸電阻，實(shí)際上指的是電接觸電阻，又稱電接觸，它使兩個(gè)金屬導(dǎo)體互相接觸在一起達(dá)到導(dǎo)電的目的。3.2.1接觸電阻的類型1.固定接觸用緊固件(如螺釘或鉚釘?shù)?壓緊的電接觸稱為固定接觸。這種接觸工作時(shí)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2.可分接觸工作中可以分開(kāi)的電接觸稱為可分接觸。接觸的雙方實(shí)際上就是電觸頭，即一個(gè)是靜觸頭，另一個(gè)是動(dòng)觸頭。觸頭的質(zhì)量決定了電器的一些重要性能，如電器的分?jǐn)嗄芰Α⒖刂齐娖鞯碾姎鈮勖?、繼電器的可靠性等。觸頭是電器的最薄弱環(huán)節(jié)，所以很容易發(fā)生故障。3.滑動(dòng)及滾動(dòng)接觸。在工作過(guò)程中觸頭可以互相滑動(dòng)和滾動(dòng)的接觸方式稱為滑動(dòng)接觸，又叫滾動(dòng)接觸。高壓斷路器的中間觸頭、公共電車及電氣火車的電源引進(jìn)部分都屬此類。3.2.2接觸電阻的組成接觸電阻Rj由收縮電阻Rs和表面膜電阻Rb兩部分組成，即：Rj=Rs+Rb（3-9）

以下分別討論它們的形成及性質(zhì)。1.收縮電阻無(wú)論用什么工藝切開(kāi)導(dǎo)體，或切開(kāi)后對(duì)切面無(wú)論用什么工藝實(shí)行精加工，其接觸區(qū)表面也絕不會(huì)是很理想的平面。若在顯微鏡下觀察兩個(gè)相接觸的金屬表面的側(cè)面，顯示的圖像中，我們可以看出切面表面凸凹不平，可以說(shuō)不論經(jīng)過(guò)什么樣的精加工或研磨工序，總是有宏觀和微觀上的不平、波紋、表面粗糙等。因此，當(dāng)兩個(gè)接觸面接觸時(shí)，實(shí)際上只有若干個(gè)小塊面積相接觸，而在每塊小面積內(nèi)，又只有若干小的突起部分相接觸，它們被稱為接觸點(diǎn)?？梢?jiàn)，金屬的實(shí)際截面積在切斷處減小了，電流在流經(jīng)電接觸區(qū)域時(shí)，從原來(lái)截面積較大的導(dǎo)體突然轉(zhuǎn)入截面積很小的接觸點(diǎn)，電流線就會(huì)發(fā)生劇烈收縮現(xiàn)象(圖3-8)。該現(xiàn)象所呈現(xiàn)的附加

圖3-8電流收縮現(xiàn)象電阻稱為收縮電阻。因?yàn)榻佑|面由多個(gè)接觸點(diǎn)組成，所以整個(gè)接觸面的收縮電阻，為各個(gè)接觸點(diǎn)收縮電阻的并聯(lián)值。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，Rs與材料的電阻率ρ成正比，與材料硬度HB的二次方根成正比，與壓力F和接觸點(diǎn)的數(shù)目n的二次方根的乘積成反比。312.表面膜電阻

在電接觸的接觸面上，由于污染而覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的物質(zhì)，這就是接觸電阻的另一部分——表面膜電阻。它的存在使接觸電阻增大，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的接觸不良現(xiàn)象，也可能使電接觸的正常導(dǎo)電遭到破壞。尤其對(duì)于控制容量較小的繼電器觸頭，表面膜電阻成為發(fā)生故障的重要原因之一，從面影響到繼電器工作的可靠性，這對(duì)被保護(hù)電器或系統(tǒng)是巨大的威脅。表面膜電阻的成因可分為以下幾種類型：（1）塵埃膜飄揚(yáng)于空氣中的團(tuán)狀微粒，如灰粉、塵土、紡織纖維等，由于靜電的吸力而覆蓋于接觸表面形成表面膜電阻。在外力作用下，這些被吸附的微粒也極易脫落，使接觸重新恢復(fù)，因此其電阻值的變化是不穩(wěn)定的，具有隨機(jī)的特點(diǎn)。觸頭附近的碳?xì)浠衔铮诟邷?如電弧)作用下分解成微粒，沉積在觸頭表面上，形成碳的吸附層，它的電阻值隨觸頭間的壓力變化而變化，壓力大時(shí)它的影響極小，壓力小時(shí)則其阻值急劇上升。（2）吸附膜

吸附膜即水分子和氣分子在接觸表面的吸附層。其厚度僅有幾個(gè)分子，但當(dāng)觸頭間的壓力在接觸面上形成很高的壓強(qiáng)時(shí)，其厚度可以減到1~2個(gè)分子層(即5~10?，1?=10-8cm)，但無(wú)法用機(jī)械的辦法把它完全消除。因此，無(wú)論采用何種觸頭材料，其吸附膜都是不可避免的。吸附膜靠隧道效應(yīng)導(dǎo)電，使接觸電阻增大，當(dāng)接觸壓力很小時(shí)(在2g以下)，使接觸電阻呈現(xiàn)嚴(yán)重不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，一些繼電器的觸頭壓力最低不能小于2g。（3）無(wú)機(jī)膜電接觸材料暴露于空氣中時(shí)，由于化學(xué)腐蝕作用在金屬表面形成各種金屬化合物的薄膜(金屬和氧生成氧化膜，和H2S反應(yīng)生成硫化膜)；在潮濕的空氣中，在電介質(zhì)作用下，使不同的金屬間發(fā)生電化學(xué)腐蝕，也在金屬表面積存銹蝕物。這些金屬腐蝕的產(chǎn)物稱為無(wú)機(jī)膜。無(wú)機(jī)膜的形成取決于金屬材料的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)，并與介質(zhì)溫度和環(huán)境條件有密切關(guān)系。一般銀的氧化膜所形成的表面膜電阻，對(duì)接觸電阻的穩(wěn)定性影響甚小。但銀的硫化物形成的表面膜電阻導(dǎo)電性差，對(duì)接觸電阻的危害較大。銅和銅合金具有良好的導(dǎo)電性能，但銅的金屬表面很容易形成較厚的、電導(dǎo)率很小的Cu2O無(wú)機(jī)膜。（4）有機(jī)膜從絕緣材料中析出的有機(jī)蒸氣，在電接觸金屬材料表面形成一種粉狀有機(jī)聚合物，是一種不導(dǎo)電的薄膜，稱為有機(jī)膜。它對(duì)電接觸的危害是很嚴(yán)重的，因其阻值可達(dá)幾兆歐，絕緣性能與一些無(wú)機(jī)膜相似，但它們的擊穿電壓卻是無(wú)機(jī)膜的10倍左右。因電接觸的導(dǎo)電性能取決于膜的厚度和性質(zhì)，尤其當(dāng)存在著較厚的無(wú)機(jī)膜時(shí)，觸頭間的導(dǎo)電性能幾乎完全遭到破壞。為了恢復(fù)良好的導(dǎo)電性，可以利用機(jī)械力的作用(如增加接觸壓力)把膜壓碎；也可切換大電流的觸頭，利用因開(kāi)斷或閉合時(shí)伴隨產(chǎn)生的電流熱效應(yīng)和電弧的燒損，把膜破壞，使不致影響電接觸的良好導(dǎo)電性能。343.2.3影響接觸電阻的因素

電氣設(shè)備的接觸電阻過(guò)大時(shí)的危害有三個(gè)方面:1)使設(shè)備的接觸點(diǎn)發(fā)熱。2)發(fā)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)縮短設(shè)備的使用壽命。3)嚴(yán)重時(shí)可引起火災(zāi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。為了保證電器能良好工作，必須降低接觸電阻的阻值。因此，需要進(jìn)一步研究影響接觸電阻的諸因素，以便采取措施，保證Rj的低值和穩(wěn)定性。1.觸頭材料為了防止觸頭冷焊，需要用硬度較高的觸頭材料(包括表面鍍層材料)，如金、銀、銅、銅鍍銀等。但為了要獲得低的接觸電阻，改善接觸性能，材料硬度又不宜太高。因此，要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇。材料的化學(xué)穩(wěn)定性要好，抗污染、抗腐蝕、抗氧化能力要強(qiáng)，材料的導(dǎo)電性能要好，電阻率要低，以滿足接觸電阻小而穩(wěn)定的要求。352.觸頭接觸壓力觸頭接觸壓力越大，接觸面積越大，接觸電阻越小。但觸頭壓力增大到一定數(shù)值時(shí)，接觸電阻的減小已不明顯，反而會(huì)使觸頭的機(jī)械磨損和電磨損增大。因此，觸頭壓力應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。3.觸頭形狀和接觸形式接觸形式與觸頭形狀有密切關(guān)系，點(diǎn)接觸時(shí)接觸電阻大，線接觸時(shí)接觸電阻要小些，面接觸時(shí)接觸電阻更小些。中小功率的繼電器中多采用線、面接觸，以提高抗熔接、抗腐蝕能力；小型繼電器中往往還采用橋式接觸形式和分叉的雙觸頭接觸形式，以適應(yīng)頻繁動(dòng)作，提高接觸可靠性。另外，大尺寸的觸頭雖然接觸電阻可以減小，但尺寸太大既浪費(fèi)材料又增大了體積和重量，而且會(huì)使回跳增多和回跳時(shí)間延長(zhǎng)，增大觸頭磨損，也降低了抗振動(dòng)、抗沖擊的能力。4.表面粗糙度觸頭表面加工的粗糙度值越小，實(shí)際接觸點(diǎn)越多，而且更不易粘附塵埃、吸附有害氣體和潮氣，增強(qiáng)了抗腐蝕的能力，同時(shí)減小了接觸電阻。表面粗糙度值一般為Ra1.6μm~Ra0.4μm，Ra值太小了就要拋光和研磨，拋光膏的存在會(huì)增大有機(jī)污染的機(jī)會(huì)，是極為不利的。表面粗糙度值過(guò)小也會(huì)增大冷焊的機(jī)會(huì)。

5.觸頭污染觸頭的污染物有塵埃、潮氣、纖維、有機(jī)氣體的液體等，以及來(lái)自周圍環(huán)境和加工工藝過(guò)程及繼電器本身的結(jié)構(gòu)材料(如絕緣材料)。污染是影響接觸電阻的重要因素，會(huì)產(chǎn)生較大的表面膜電阻和化學(xué)腐蝕，增大接觸電阻，降低壽命。因此，要求整潔生產(chǎn)和超凈生產(chǎn)以減少污染。采用全密封技術(shù)和接觸系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)單獨(dú)密封技術(shù)都是抗污染的措施。6.觸頭溫度觸頭表面溫度的增加(包括環(huán)境溫度和觸頭本身溫度的增加)，會(huì)使其表面狀況、接觸面積都發(fā)生變化。在觸頭壓力不變的情況下，溫度升高會(huì)使電阻增大，因此接觸電阻增大；溫度升高到一定程度時(shí)，會(huì)使觸頭軟化，接觸面積增大，接觸電阻下降。另外，溫度升高會(huì)加劇觸頭金屬氧化和化學(xué)腐蝕，不利于工作的穩(wěn)定和可靠。改善散熱條件的措施有充入高壓氣體或罩殼涂黑。373.3

電器的發(fā)熱與允許溫升及散熱3.3.1電器的溫升

大量的電氣火災(zāi)事實(shí)證明，電氣火災(zāi)的主要原因是設(shè)備選用不當(dāng)、安裝不合理、操作管理有誤所致，而這些因素導(dǎo)致電氣事故的過(guò)程，很大程度上是電器過(guò)度發(fā)熱所引起的。用電設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，由于電流通過(guò)導(dǎo)體和線圈而產(chǎn)生電阻損耗；交變電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在鐵磁體內(nèi)要產(chǎn)生渦流和磁滯損耗；在絕緣體內(nèi)還要產(chǎn)生介質(zhì)損耗。所有這些損耗幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱能，一部分散失到周圍介質(zhì)中去，另一部分加熱了用電設(shè)備，使其溫度升高。特別是過(guò)負(fù)荷運(yùn)行、短路事故等狀態(tài)下，導(dǎo)體中流過(guò)較大的電流時(shí)，使電器溫度急劇上升，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，電氣絕緣強(qiáng)度受到破壞，機(jī)械強(qiáng)度下降，壽命降低，甚至很快燒毀電氣設(shè)施，引起火災(zāi)及其他事故，造成巨大損失。1.低壓電器各部件的極限允許溫升為了保證電器的安全使用和具有一定的壽命，一般都要對(duì)電器各部分的最高溫度有明確的規(guī)定，這一點(diǎn)是用極限允許溫升來(lái)衡量的。所謂溫升是指電器運(yùn)行中自身溫度與工作環(huán)境溫度之差，而極限允許溫升是指電器能夠正常工作時(shí)的極限允許溫度與工作環(huán)境溫度之差。為了保證低壓電器工作的可靠性及具有一定的使用壽命，一般低壓電器各部件的極限允許溫升見(jiàn)表3-3、3-4。表3-3低壓電器各部件的極限允許溫升

單位：K表3-4易近部件的溫升極限

單位：K402.一般環(huán)境對(duì)低壓電器的影響（1）空氣溫度的影響電氣設(shè)備周圍空氣溫度的高低直接影響其散熱冷卻效果。溫度過(guò)高，會(huì)加速絕緣老化、使塑料材料變形變質(zhì)，會(huì)使熱繼電器誤動(dòng)作、電子元件劣化;溫度過(guò)低，會(huì)使電氣設(shè)備內(nèi)某些材料變硬變脆，使有些油類的粘度增大或凝固，影響設(shè)備的正常動(dòng)作。日溫差過(guò)大，易產(chǎn)生凝露，使絕緣性能降低，還會(huì)使零部件變形、開(kāi)裂、瓷件碎裂等。（2）濕度的影響當(dāng)空氣中相對(duì)濕度大于65%時(shí)，電氣設(shè)備的表面會(huì)覆以一層約0.001um的水膜，濕度越大，水膜越厚，當(dāng)相對(duì)濕度接近100%時(shí)，水膜厚度可達(dá)到幾十微米，從而使電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度大大降低。另外，當(dāng)相對(duì)濕度為80%~95%、溫度在25~30℃時(shí)，易使霉菌滋生，從而腐蝕電氣設(shè)備的金屬部件和印刷電路板等。相對(duì)濕度過(guò)低，會(huì)使塑料等絕緣材料變形、龜裂。（3）霧的影響

霧對(duì)電氣設(shè)備的影響于空氣濕度密切相關(guān)，干燥的氯化物對(duì)電氣設(shè)備幾乎無(wú)影響，而在潮濕空氣中的氯化物，會(huì)電離觸大量的氯離子，導(dǎo)致金屬的腐蝕，降低電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，使泄漏電流增大等。（4）腐蝕性氣體的影響腐蝕性氣體主要有氯、氯化氫、氯化物、二氧化硫、硫化氫、氨、氧化氮等。這些氣體在潮濕的環(huán)境下會(huì)使電氣設(shè)備的金屬加速腐蝕，導(dǎo)電性能降低。（5）爆炸性混合物的影響在有爆炸性混合物的場(chǎng)所，如果電氣設(shè)備產(chǎn)生火花、電弧，就會(huì)造成爆炸、火災(zāi)事故，因此在有火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，必須選用合適的防爆電氣設(shè)備，電氣設(shè)備和布線的安裝也必須符合防火防爆的要求。（6）振動(dòng)的影響振動(dòng)會(huì)造成電氣設(shè)備零部件的疲勞損壞、磨損和松動(dòng)，使設(shè)備不能正常工作。423.海拔高度對(duì)低壓電器的影響地點(diǎn)海拔高度（m）極限允許溫升修正值H≤500500＜h≤1000＋1000＜h≤1500＋1500＜h≤2000＋2000＜h≤2500＋表3-4低壓電器極限溫升修正值海拔超過(guò)1000m時(shí)為高海拔地區(qū)，在高海拔地區(qū)因空氣稀薄，會(huì)使電氣產(chǎn)品散熱效果降低，同時(shí)因氣壓的降低和大氣密度的減少，會(huì)使空氣的絕緣降低。在海拔為1000~5000m之間,每增加100m，氣壓約降低0.8~1kPa，外絕緣強(qiáng)度降低8％～13％；設(shè)備溫升增加3％～10％。因此在高海拔地區(qū)選擇低壓電器時(shí)應(yīng)按表3-5進(jìn)行修正，即低壓電器的極限允許工作溫度不得超過(guò)在普通環(huán)境下的允許溫升與高海拔地區(qū)極限允許溫升修正值之和。433.3.2電器的發(fā)熱與散熱平衡規(guī)律1.發(fā)熱電器發(fā)熱的主要原因是電器中各部分存在著電能損耗，包括運(yùn)動(dòng)部位的摩擦、電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的電阻損耗、鐵磁體在交變磁場(chǎng)下的渦流和磁滯損耗以及絕緣體在交變磁場(chǎng)作用下的介質(zhì)損耗。同時(shí)，開(kāi)、斷電器時(shí)的電弧發(fā)熱也是電器發(fā)熱的一個(gè)原因。（1）電阻損耗電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)克服電阻作用消耗的功率稱為電阻損耗，其大小為：

（3-10）式中Pa——損耗的功率(W)； I——通過(guò)導(dǎo)體的電流(A)； R——導(dǎo)體的電阻(Ω)； Ktg——附加損耗系數(shù)。

而其中R=ρl/S，ρ是導(dǎo)體的電阻率(Ω·m)，l是導(dǎo)體的長(zhǎng)度(m)，S為導(dǎo)體的截面積(m2)。式(3-10)可寫(xiě)為變換成另一種形式，有(3-11)式中J——電流密度(A/m3)；γ——導(dǎo)體材料的密度(kg/m3)；m——導(dǎo)體的質(zhì)量(kg)，G=γlS。導(dǎo)體的電阻率與導(dǎo)體的溫度有關(guān)，當(dāng)溫度為θ時(shí)，電阻率ρ=ρ0(1+αθ)。其中ρ0是θ=0時(shí)導(dǎo)體的電阻率。附加損耗是指導(dǎo)體中通過(guò)交變電流時(shí)，伴隨的趨膚效應(yīng)和導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)而產(chǎn)生的額外損耗增值，一般用附加損耗系數(shù)Ktg反映其大小。附加損耗系數(shù)Ktg等于趨膚效應(yīng)系數(shù)Kj和鄰近效應(yīng)系數(shù)Kl之積，即Ktg=KjKl(3-12)

Kj和Kl可根據(jù)導(dǎo)體的形狀和導(dǎo)體間的距離及交變的頻率，查閱有關(guān)手冊(cè)求得。（2）鐵磁體在交變磁場(chǎng)作用下的渦流損耗與磁滯損耗當(dāng)載流導(dǎo)體經(jīng)過(guò)鐵質(zhì)部件的窗口或纏繞鐵質(zhì)部件時(shí)(如電機(jī)定子、變壓器鐵心)，由載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過(guò)鐵質(zhì)零部件形成閉路，當(dāng)磁通反復(fù)變化時(shí)，在鐵質(zhì)部件中產(chǎn)生渦流。由于鐵質(zhì)的磁導(dǎo)率很高，而磁通變化速度又快，因而產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和渦流損耗，引起電器發(fā)熱。鐵磁體中的損耗(渦流損耗與磁滯損耗)比較復(fù)雜，一般用圖3-9中的曲線估算求值。圖3-9中，I/P為流過(guò)鐵磁體中的電流I與其截面周長(zhǎng)P的比值。實(shí)心導(dǎo)體的功率損耗也可用下式計(jì)算:Pm/(S)，其中Pm表示鐵磁體中的功率損耗(W)為渦流損耗+磁滯損耗，S為鐵磁體的外表面積(m2)，f為電流頻率(Hz)。Pm取決于鐵磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)，則損耗越大。46（3）絕緣體中介質(zhì)損耗

絕緣體的介質(zhì)損耗在低壓電器中數(shù)值很小，而在高壓電器中，這種損耗所引起的發(fā)熱是比較大的，甚至引起介質(zhì)擊穿。介質(zhì)損耗的數(shù)值，如表3-6所示

表3-6在50Hz下各種絕緣材料的介質(zhì)損耗472.散熱電器的散熱方式有三種，即熱傳導(dǎo)、熱輻射和對(duì)流。電器中，由于損耗產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)這三種方式發(fā)散到周圍的介質(zhì)中去，另一部分使電器自身溫度升高。溫度越高，這三種散熱作用越強(qiáng)，從而保持電器溫升不越過(guò)極限允許溫升。如果散熱條件遭破壞，將導(dǎo)致電器自身溫度過(guò)高，輕則損壞其絕緣，重則可能燒毀電器，甚至引起火災(zāi)。（1）熱傳導(dǎo)散熱熱傳導(dǎo)是物質(zhì)內(nèi)部基本質(zhì)點(diǎn)之間能量的相互作用，把能量從一質(zhì)點(diǎn)傳遞到另一相鄰質(zhì)點(diǎn)。在不同的介質(zhì)中導(dǎo)熱的機(jī)制是不同的。在液體和固體絕緣材料中，能量通過(guò)彈性波的作用在質(zhì)點(diǎn)之間傳播；在氣體中，熱傳導(dǎo)過(guò)程則伴隨著氣體原子和分子的擴(kuò)散而產(chǎn)生；而在金屬中，熱傳導(dǎo)則是由于原子的擴(kuò)散來(lái)傳遞的。（2）熱對(duì)流散熱對(duì)流現(xiàn)象是不斷運(yùn)動(dòng)著的冷介質(zhì)——液體或氣體將熱量帶走的過(guò)程。這種散熱只在液體和氣體中發(fā)生(例如變壓器油、電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇葉輪形成的空氣流動(dòng)等)。自然對(duì)流發(fā)生在不均勻的加熱介質(zhì)中，在高溫區(qū)域，介質(zhì)密度小于冷卻的區(qū)域，因此較熱的質(zhì)點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，冷卻的質(zhì)點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，并在其中產(chǎn)生熱交換。在電器中為了強(qiáng)化冷卻作用，有時(shí)要強(qiáng)迫對(duì)流進(jìn)行散熱，否則溫度升高會(huì)使電器無(wú)法正常工作，甚至產(chǎn)生事故。48（3）熱輻射散熱熱輻射則是電磁波傳遞能量的一種形式。實(shí)際的熱分析與計(jì)算中，散熱方式不是單獨(dú)來(lái)考慮的，通常是幾種散熱合并在一起計(jì)算，用一個(gè)綜合散熱系數(shù)

來(lái)考慮，即牛頓公式法：

（3-13）

式中Pa——散熱功率(W)；S——有效散熱面積(m2)；KT——綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))；τ——發(fā)熱體的溫升(℃)，τ=θ-θ0(θ0為周圍介質(zhì)的溫度，θ為發(fā)熱體的溫度)。牛頓公式法把復(fù)雜的影響散熱的因素全部由KT考慮，使散熱分析大大簡(jiǎn)化，因此用牛頓公式計(jì)算散熱功率時(shí)，最重要的是正確選用KT。3.穩(wěn)態(tài)溫升正常工作的電器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，發(fā)熱與散熱總會(huì)趨于平衡，此時(shí)的溫升稱為穩(wěn)態(tài)溫升。把平衡后電器發(fā)熱的總功率用Pf表示，則Pf=PR+PT+PJ(3-14)式中PR、PT、PJ——分別表示電器中的電阻損耗、渦流與磁滯損耗、絕緣材料介質(zhì)損耗。發(fā)熱與散熱平衡時(shí)，即Pf=Pa，則式(3-14)也可寫(xiě)成PR+PT+PJ=KTSτ即τ=(PR+PT+PJ)/KTS(3-15)用牛頓公式計(jì)算所得的溫升一般是發(fā)熱體表面的平均溫升，也是電器發(fā)熱、散熱平衡以后的穩(wěn)態(tài)溫升。牛頓公式通常適用于用氣體和液體作為介質(zhì)中的發(fā)熱體的溫升計(jì)算，如求線圈和載流導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫升。（1）電器中線圈的穩(wěn)態(tài)溫升線圈中由于通過(guò)電流而產(chǎn)生的電阻損耗，全部由繞組表面散出，故在熱穩(wěn)定狀態(tài)下，線圈的發(fā)熱應(yīng)等于其散熱，即I2R=KTSτ(3-16)式中KT——線圈的綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))； S——線圈的散熱表面積(m2)； I——線圈中流過(guò)的電流(A)； R——線圈電阻(Ω)； τ——穩(wěn)態(tài)溫升(℃)。（2）無(wú)限長(zhǎng)載流導(dǎo)體的穩(wěn)態(tài)溫升對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)載流導(dǎo)體，溫度沿導(dǎo)體軸向是均勻分布的，因此只需取單位長(zhǎng)度計(jì)算即可。單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的發(fā)熱功率為Pf=I2R=I2ρ/S=J2ρS(3-17)式中I——導(dǎo)體中電流(A)； J——導(dǎo)體中電流密度(A/m2)； S——導(dǎo)體截面積(m2)； ρ——電阻率(Ω·m)。單位長(zhǎng)度導(dǎo)體外表面散出的熱功率為Pa=KTPτ(3-18)式中Pa——散熱功率(W)； KT——線圈的綜合表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))； τ——穩(wěn)態(tài)溫升(℃)； P——單位長(zhǎng)度導(dǎo)體散熱面積截面的外周長(zhǎng)(m)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于Pf=Pa，故J2ρS=KTPτ即τ=J2ρS/KTP(3-19)對(duì)于圓導(dǎo)體，截面積S=?/4d2，周長(zhǎng)P=?d，代入式(3-19)得τ=J2ρd/4KT(3-20)式(3-20)表明，在相同電流密度下，導(dǎo)體直徑越大，則溫升越高。這是因?yàn)閷?dǎo)體的發(fā)熱與直徑的二次方成正比，而散熱卻與直徑的一次方成正比。為了保證導(dǎo)體溫度不超過(guò)允許值，導(dǎo)體直徑越大，則允許通過(guò)的電流密度就必須越小，故在大電流時(shí)常采用扁平的矩形導(dǎo)體或采用多根圓導(dǎo)體絞合并聯(lián)，以增加導(dǎo)體的散熱面積。3.3.3絕緣損傷有絕緣層保護(hù)的導(dǎo)線或?qū)щ姴考绻^緣層道到破壞或絕緣性能降低，就會(huì)有不同程度的漏電甚至發(fā)生短路，造成嚴(yán)重的損失。對(duì)導(dǎo)體絕緣的要求，除了增進(jìn)絕緣本身性能外，還應(yīng)針對(duì)絕緣層損壞的各種因素和形式，采取相應(yīng)的防范措施，使其安全可靠的運(yùn)行。絕緣損壞的形式主要有老化、擊穿、機(jī)械損傷等。1.老化絕緣材料在應(yīng)用過(guò)程中，受各種因素的長(zhǎng)期作用，會(huì)產(chǎn)生一系列緩慢的物理化學(xué)變化，從而導(dǎo)致其電性能和機(jī)械性能的惡化，稱為老化。影響絕緣材料老化的因素很多，如光、電、熱、氧、輻射、微生物等等。老化過(guò)程非常復(fù)雜，其機(jī)理也隨使用條件的不同而不同，但主要是熱老化和電老化。（1）電老化絕緣材料在高壓電器設(shè)備中，因高電場(chǎng)強(qiáng)度造成電離而產(chǎn)生的老化屬于電老化，典型的電老化機(jī)理是：

1)局部放電時(shí)產(chǎn)生奧氧，臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，最易與大分子鏈的雙鍵起加成反應(yīng)，在加成反應(yīng)過(guò)程中使碳碳鍵斷裂。因此很容易使材料發(fā)生臭氧裂解。

2)局部放電產(chǎn)生氯的氧化物，它與潮氣結(jié)合生產(chǎn)硝酸，發(fā)生腐蝕作用。

3)局部放電產(chǎn)生高速粒子對(duì)絕緣材料的襲擊，發(fā)生破壞作用。

4)局部放電使介質(zhì)損耗增大，材料局部發(fā)熱促使材料性能的惡化。(2)熱老化

絕緣材料經(jīng)常會(huì)受到外界環(huán)境或來(lái)自本身內(nèi)部的(如介質(zhì)損耗引起的)熱作用，在低壓高頻電場(chǎng)條件下，這種熱作用引起的老化更為明顯。熱老化的機(jī)理主要是：

1)存在于絕緣材料中或老化過(guò)程形成的低分子揮發(fā)成分或產(chǎn)物的逸出。

2)熱解。在熱作用下，有些材料(如聚氯乙烯)會(huì)裂解產(chǎn)生有害物質(zhì)(如氯化氫)，可能引起催化作用。

3)解聚和氧化裂解。在熱和氧作用下，引發(fā)生成游離基并參與鏈反應(yīng)，結(jié)果使大分子鏈斷裂，生成單基物或低分子物，使材料的介電、機(jī)械性能下降。4）分子繼續(xù)聚合。開(kāi)始可能會(huì)提高物理和電氣性能，但隨后即導(dǎo)致柔軟性下降、變脆，并在機(jī)械應(yīng)力作用下?lián)p壞。長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)熱老化規(guī)律的研究初步總結(jié)出一個(gè)近似公式：

(3-21)式中τ——壽命； t——溫度(℃)； A、m——常數(shù)。假若使材料的壽命縮短一半需要增加的運(yùn)行溫度為Δt，則Δt與m的關(guān)系見(jiàn)表3-7。

表3-7運(yùn)行溫度與常數(shù)的關(guān)系在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，A級(jí)、B級(jí)、H級(jí)絕緣的標(biāo)準(zhǔn)熱壽命曲線，如圖3-10所示。

圖3-10標(biāo)準(zhǔn)絕緣等級(jí)的熱壽命曲線由圖3-10可見(jiàn)，使壽命降低一半所需增加的工作溫度，A級(jí)絕緣為8℃，B級(jí)絕緣為10℃，H級(jí)絕緣為12℃，這種規(guī)律被稱為熱老化8℃原則。實(shí)際上，這種規(guī)則也考慮了其他一些老化因素。（3）氧化老化現(xiàn)象氧化老化各種材料都有不同的氧化形式，多數(shù)塑料由于熱裂解成游離基，再和氧結(jié)合生成——ROOH的連鎖反應(yīng)。在低溫下熱氧化老化較慢，有氧存在使熱聚溫度下降，如聚乙烯在真空中熱解聚的活化能是48—70千卡／克分子。在空氣中為16—35千卡／克分子。對(duì)有機(jī)大分子的氧化反應(yīng)，常使極性基增加，引起介質(zhì)損耗和電導(dǎo)的增加。對(duì)液體介質(zhì)，氧化結(jié)果使介質(zhì)酸值變大，粘度上升，并有沿淀生成。(4)濕度老化水分能對(duì)一些材料起水解作用。水分的存在使材料介電常數(shù)變大，絕緣電阻降低；水分的存在使電暈產(chǎn)生的幾種氧化物變?yōu)橄跛?，亞硝酸而腐蝕金屬，使纖維及其它絕緣發(fā)脆；水分的存在是水樹(shù)枝老化的必要條件；水分的存在也為微生物的生成提供了有利條件；濕度使許多物質(zhì)離解為離子，加速老化發(fā)展，濕度對(duì)熱老化、氧化老化起加速作用，故干熱和濕熱絕緣壽命相差40％。如油浸紙絕緣水分含量每增加100％就縮短壽命l／2；對(duì)于交聯(lián)聚乙烯電纜的樹(shù)枝老化特性，全干式交聯(lián)優(yōu)于半干式交聯(lián)，而半干式交聯(lián)又優(yōu)于水蒸汽濕法交聯(lián)。(5)光老化光和射線供給分子、電子以一定能量，一般光的波長(zhǎng)在400毫微米以下(即紫外線、射線、射線，可見(jiàn)光波長(zhǎng)在l000毫微米左右)。太陽(yáng)光中紫外線的能量會(huì)加快多數(shù)有機(jī)絕緣材料老化，

光有切斷分子鏈及交聯(lián)作用，

使絕緣材料發(fā)黏、

變脆、

開(kāi)裂、

失去絕緣性能。(6)微生物老化微生物以有機(jī)絕緣為食物，或破壞絕緣引起介質(zhì)老化，微生物繁殖因其生物體的影響會(huì)使絕緣表面電阻下降，其分泌物成為高分子分解的因素，還會(huì)使機(jī)械性能下降。612.絕緣擊穿任何絕緣材料，當(dāng)其上所加電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)，通過(guò)絕緣材料的電流劇增，絕緣能力喪失，即就是擊穿破壞。擊穿電壓取決于絕緣材料的性質(zhì)、厚度以及環(huán)境情況。絕緣材料發(fā)生擊穿后，其絕緣能力喪失，造成短路甚至引起火災(zāi)。3機(jī)械損傷機(jī)械損傷是指在制造、安裝和維修時(shí)，由于嵌線不慎、意外碰撞、摩擦等造成的絕緣材料損傷。損傷的部分或徹底穿透或厚度減少。這樣在通電運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)立即發(fā)生短路，也可能在損傷部位發(fā)生擊穿或提前老化損壞，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后發(fā)生短路事故。623.4導(dǎo)體的長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱與短時(shí)發(fā)熱

通常導(dǎo)體有兩種發(fā)熱狀態(tài)：一種是導(dǎo)體長(zhǎng)期流過(guò)工作電流的發(fā)熱，稱為長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱。另一種是導(dǎo)體短時(shí)間流過(guò)短路電流引起的發(fā)熱，稱為短時(shí)發(fā)熱。為了保證導(dǎo)體的運(yùn)行安全使導(dǎo)體發(fā)熱溫度不超過(guò)最高允許溫度，研究導(dǎo)體發(fā)熱與散熱過(guò)程，對(duì)電線電纜防火非常有意義。3.4.1導(dǎo)體發(fā)熱單位長(zhǎng)度的導(dǎo)體，通過(guò)導(dǎo)體的電流為I時(shí)，由電阻損耗產(chǎn)生熱量：QR=I2Ract(3-22)

式中QR——由電阻損耗產(chǎn)生的熱量(W/m)；Rac——交流電阻(Ω/m)，可按下式計(jì)算:(3-23)

633.4.2導(dǎo)體的溫升過(guò)程當(dāng)導(dǎo)體未通電流時(shí)，其溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等；有電流通過(guò)之后，便產(chǎn)生熱量，會(huì)使導(dǎo)體溫度升高，同時(shí)又以對(duì)流和輻射的方式向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)發(fā)熱和散熱達(dá)到平衡時(shí)，其熱平衡方程式即可以寫(xiě)成：(3-24)64式(3-24)中，只考慮對(duì)流和熱輻射，并用總放熱系數(shù)Kzh來(lái)表示。因置于空氣中的均質(zhì)裸導(dǎo)體，全長(zhǎng)截面相同，各處溫度一樣，沿導(dǎo)線縱向長(zhǎng)度方向沒(méi)有熱傳導(dǎo)，再加上空氣熱傳導(dǎo)性很差，故熱傳導(dǎo)可忽略不計(jì)。通過(guò)正常工作電流時(shí)，導(dǎo)體溫度的變化范圍不大，故可將R、c、Kzh當(dāng)做與溫度無(wú)關(guān)的常量，式(3-24)為常系數(shù)線性非齊次一階微分方程，在t=0時(shí)，導(dǎo)體對(duì)周圍空氣的起始溫升為

，則方程式為:

(3-25)式中T——發(fā)熱時(shí)間常數(shù):T=mc/KZHF圖3-11均質(zhì)導(dǎo)體溫升曲線可見(jiàn)均質(zhì)導(dǎo)體的溫升亦是按時(shí)間指數(shù)函數(shù)增長(zhǎng)，如圖3-11所示。式(3-26)稱為牛頓公式。663.4.3導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流由(3-26)式可知，在穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)下，導(dǎo)體中產(chǎn)生的全部熱量都散失到周圍環(huán)境中。tw與電流平方成正比，與導(dǎo)體放熱能力成反比，而與導(dǎo)體的起始溫度θ0無(wú)關(guān)。設(shè)導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流（導(dǎo)體載流量）為Ⅰy，導(dǎo)體長(zhǎng)期發(fā)熱允許溫度為θy

，由(3-26)可得：

（3-27）式中，θy-θ0=τy。在已知Iy的情況，式(3-27)也可計(jì)算導(dǎo)體正常發(fā)熱溫度θy或?qū)w的截面積S，對(duì)于圓截面導(dǎo)體S=ρl/R，F(xiàn)=πdl。3.4.4導(dǎo)線絕緣層的溫升圓導(dǎo)線的熱傳導(dǎo)如圖3-12所示。絕緣層內(nèi)側(cè)為發(fā)熱體，外側(cè)為空氣。絕緣層內(nèi)半徑r1處表面溫度為θ1，半徑r2處表面溫度為θ2，空氣介質(zhì)溫度為θ0。于是絕緣層內(nèi)外表面溫升分別為:

；

。根據(jù)傅里葉定律，通過(guò)以為半徑的絕緣層表面積F傳導(dǎo)的功率（熱流）為:（3-28）式中，熱流Q就是導(dǎo)體的發(fā)熱功率P，它通過(guò)絕緣層傳導(dǎo)到外表面而全部散出，F(xiàn)=2πrl，l為導(dǎo)體長(zhǎng)度。68以P代Q后則有：

（3-29）對(duì)（3-29）積分可得絕緣層中溫度降落為：（3-30）69絕緣層外表面溫升τ2可由牛頓公式求得，即:（3-33）（3-32）（3-31）因此有：如果圓導(dǎo)線有幾層不同導(dǎo)熱系數(shù)的絕緣層，則根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定取環(huán)境溫度θ0=25℃。703.4.5提高導(dǎo)體長(zhǎng)期允許電流的方法由式(3-27)可見(jiàn)，導(dǎo)體的長(zhǎng)期允許電流取決于導(dǎo)體材料的長(zhǎng)期發(fā)熱允許溫度、表面散熱能力和導(dǎo)體電阻。為了提高導(dǎo)體的載流能力，導(dǎo)體材料采用電阻率小的材料，如鋁、鋁合金、銅等。同時(shí)，改進(jìn)導(dǎo)體接頭的連接方法，可以提高其θy，如鋁導(dǎo)體接頭螺栓連接時(shí)的θy為70℃。因此，減少接觸電阻，如接觸面鍍銀、搪錫等，可提高導(dǎo)體允許溫度。導(dǎo)體的布置應(yīng)采用散熱效果最佳的布置方式，導(dǎo)體的散熱面積和導(dǎo)體的幾何形狀有關(guān)。在截面積相同的條件下，圓柱形外表面最小，矩形、槽形外表面較大，所以工程上很少使用圓柱形母線。提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)還可以采用強(qiáng)迫冷卻、導(dǎo)體表面涂漆、加強(qiáng)自然通風(fēng)等方法對(duì)2000A以上的大電流母線，可采用強(qiáng)迫水冷和風(fēng)冷來(lái)提高母線的對(duì)流放熱量。導(dǎo)體表面涂漆，可以提高輻射散熱能力，故屋內(nèi)配電裝置母線涂漆，能增加載流量，并用以識(shí)別相序，便于操作巡視。對(duì)于屋外配電裝置母線，為減少對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收，應(yīng)采用吸收率較小的表面，故屋外配電裝置母線不應(yīng)涂漆，而保留其光亮表面。導(dǎo)線明敷時(shí)應(yīng)選自然通風(fēng)良好的環(huán)境，不應(yīng)覆蓋；穿管時(shí)導(dǎo)線占積率不應(yīng)超過(guò)40%；對(duì)于溝道電纜，通風(fēng)條件在設(shè)計(jì)時(shí)也要給予考慮。否則，將使導(dǎo)體升溫甚至引起火災(zāi)。

通過(guò)采用耐熱絕緣材料導(dǎo)體，以提高導(dǎo)體絕緣的耐熱性能。如采用耐熱聚氯乙烯塑料時(shí)，則導(dǎo)體絕緣材料的允許工作溫度可提高到80~105℃。3.4.6導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱與長(zhǎng)時(shí)發(fā)熱相比，導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn)是導(dǎo)體中流過(guò)的是短路電流，數(shù)值大但持續(xù)時(shí)間非常短。我們研究的目的，就是設(shè)法限制短路對(duì)導(dǎo)體最高溫度的影響，以防引起發(fā)、變、供、配電及用戶等任一環(huán)節(jié)的火災(zāi)和爆炸事故。1.短時(shí)發(fā)熱過(guò)程分析

導(dǎo)體中流過(guò)短路電流時(shí)，溫度的變化如圖3-13所示。圖3-13形象地描繪出導(dǎo)體溫度變化的過(guò)程，其物理過(guò)程是:在導(dǎo)體中沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)，導(dǎo)體的溫度與環(huán)境的溫度相同，為θ0，此階段用PM段表示。當(dāng)在時(shí)間t1時(shí)，導(dǎo)體通以恒定負(fù)荷電流，導(dǎo)體溫度由θ0開(kāi)始上升，與周圍介質(zhì)形成溫差θW-θ0；負(fù)荷電流所發(fā)出的熱量的一部分，被導(dǎo)體吸收用以升高自身的溫度，而另一部分因?qū)w與周圍介質(zhì)有溫差，即發(fā)散到介質(zhì)中去。圖3-13電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)的溫度變化