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低壓電氣和低壓電器技術(shù)之2——趣談電器中的導(dǎo)體發(fā)熱

字體:[ ] 瀏覽次數(shù):1470次 發(fā)布時間:2016-01-31 關(guān)閉

 

導(dǎo)讀:中國制造2025”背景下的低壓電器產(chǎn)業(yè)發(fā)展與提升,以創(chuàng)新技術(shù)加速企業(yè)生產(chǎn)力更新?lián)Q代,以智能制造牽引低壓電器產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備及工藝升級。

  低壓電器產(chǎn)品量大面廣,是用電環(huán)節(jié)中最靠近終端用戶側(cè)的電氣裝置,其應(yīng)用的可靠性對終端用戶的意義極大。

  低壓電器的智能化發(fā)展將推進我國輸配電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。

  電器發(fā)熱,一點也不奇怪。我們打開電視,用了一段時間以后,電視機的溫度就明顯升高了;我們往電飯鍋內(nèi)放入水和米,按下開啟按鈕,電飯鍋就自動加熱替我們煮飯。


  我們來看下圖:



  這是低壓開關(guān)柜內(nèi)的母線系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān)柜在運行時,這些母線會發(fā)熱。


  我們再看下圖:




  這是ABB的Emax低壓斷路器。我們從左圖的右側(cè),能看到導(dǎo)電桿,其實就是一段很短的鍍錫銅排。它的任務(wù)是把電流引入斷路器靜觸點,再把電流引出斷路器動觸點。

  在實際使用中,如果導(dǎo)電桿劇烈發(fā)熱,對搭接點的兩側(cè)電器來說,都會產(chǎn)生極大的不良影響。

  那么電器的發(fā)熱與什么因素有關(guān)呢?這些發(fā)熱因素有:電阻損耗性發(fā)熱、鐵磁損耗性發(fā)熱和介質(zhì)損耗性發(fā)熱。





  由此看來,計算起來還是有點麻煩的。

  現(xiàn)在我們來看看交流附加損耗系數(shù)的問題??聪聢D:



  根據(jù)電磁感應(yīng)定律,交變電場將在其周圍產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)交變電流流過導(dǎo)體時,必然會在導(dǎo)體內(nèi)部及導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變磁場。

  將圓形導(dǎo)體截面劃分為內(nèi)部B和外部A。與B部分相鏈的磁通為Ф1和Ф2,而與A相鏈的磁通僅為Ф1,所以靠近導(dǎo)體中心的電流線所交鏈的磁通要大于遠離導(dǎo)體中心的電流線所交鏈的磁通。

  交變磁場在導(dǎo)體中產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢,其作用將阻礙原電流的變化,使得通過導(dǎo)體截面的電流減少。因此離導(dǎo)體中心越近,感生電動勢越高,阻礙原電流變化的作用越強,導(dǎo)致導(dǎo)體中心部分的電流密度比導(dǎo)體外表部分要小。




  集膚效應(yīng)很重要。對于銅,它的穿透深度為9.3mm。這個基本數(shù)據(jù)對于電氣工作者來說應(yīng)當(dāng)牢記于心。

  集膚效應(yīng)的穿透深度與電源的頻率f的1/2次方成正比。因此當(dāng)頻率很高時,導(dǎo)體內(nèi)部事實上沒有電流流過,所以高頻的導(dǎo)線其內(nèi)部都是空的。這一點從電視天線看的最明白:




  在電器中,導(dǎo)體中的發(fā)熱主要源于阻性發(fā)熱,其它發(fā)熱方式所貢獻的熱量與總熱量的比值不高,故忽略。

  現(xiàn)在我們來看看導(dǎo)體的散熱。

  我們知道,散熱的途徑有三種,即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。

  在電器中,這三種散熱方式均存在。如果我們列寫出三種散熱方程來求解導(dǎo)體當(dāng)前溫度,顯然麻煩異常。怎么辦呢?

  我們請出一位高人,就是著名的牛頓。




  蘋果砸中了牛頓,他想出了萬有引力定律和微積分,同時,他也想出了解決導(dǎo)體散熱問題的表達式:


  這里的P是散熱功率,A是導(dǎo)體表面積,Kt是綜合散熱系數(shù)。

  這個公式的高明之處在于,牛頓把熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射全部都綜合到一塊兒了。這樣一來,極大地簡化了計算,整個計算變成極為初等。

  牛頓散熱公式中的綜合散熱系數(shù)可以通過實驗總結(jié)出來,如下:




  現(xiàn)在,我們來看一個實例:

  已知某斷路器的三相銅質(zhì)導(dǎo)電桿在同一平面上放置,截面尺寸為80mmX8mm,長度為810mm。若導(dǎo)電桿的工作溫度是85攝氏度,綜合散熱系數(shù)是:


  如果忽略集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),試求該導(dǎo)電桿的長期穩(wěn)定電流。

  好難哦!

  不過,我們略加分析就能弄明白這個例題如何求解。如下:


  首先查表,得知:

  溫升則等于85-35=50K。

  注意這里的35度來自于標(biāo)準(zhǔn)GB14048.1-2010中給出的低壓電器平均工作溫度。



  我們從中就可以解出電流I,也就是問題的解。



  終于計算出結(jié)果了,大約為1638A。

  說實在的,我得到這個結(jié)果后,迫不及待地把各種樣本都拿來,把上面給出的導(dǎo)電桿參數(shù)都給算了一遍,發(fā)現(xiàn)數(shù)值還是相對準(zhǔn)確的。

  如此說來,是不是就不用做型式試驗了,光憑著我們的簡單計算就可以確認(rèn)了?答案是否定的。我們可以計算導(dǎo)電桿的電流,卻未必能計算整臺開關(guān)電器的溫升參數(shù)和電流值,更不要提短路參數(shù)了。

  盡管如此,定性的分析還是可以的。至少,我們可以看出開關(guān)電器的導(dǎo)電材料是否滿足設(shè)計要求。

  看到這里,相信大家和我一樣,一定會很佩服牛頓,對吧?!

  在開關(guān)電器的相關(guān)理論和知識里,有許多人是值得我們敬佩的,牛頓是一位,還有法拉第、麥克斯韋、基爾霍夫,以及其他許許多多電弧理論、電磁理論、接觸理論和電動力理論的發(fā)現(xiàn)者們。我們會發(fā)現(xiàn),整個開關(guān)電器知識體系,就是繞著這些人的理論展開的。


  好了,我們來總結(jié)一下:

  電器的發(fā)熱既要考慮到電阻效應(yīng),也要考慮到集膚效應(yīng)。

  電阻的散熱則可以用牛頓散熱公式來求解。不過,是有條件的哦,其溫升不得超過100K,超過后準(zhǔn)確度就降低了。


  最后提幾個問題:

  第一個問題:對于同一個導(dǎo)電材料,試問它的直流電阻與交流電阻相等嗎?如果不相等,哪一個更大?




  上圖是用于直流供電的配電柜抽屜,藍色的外操作面表示它用于核電工程。這個抽屜的輸入與輸出之間的等效電阻,會與交流等效電阻等值嗎?

  第二個問題:矩形截面導(dǎo)電材料豎放和平放,哪一個散熱更好?

  第三個問題:如果把某電器置于開關(guān)柜內(nèi),并且采用長期工作制,那么此電器的溫升與什么因素和使用條件相關(guān)?(較難)

  下圖是默勒公司生產(chǎn)的開關(guān)柜,是我在云南某國企的中試車間配電室拍攝的:




  我們看到柜內(nèi)有許多開關(guān)電器,有各種導(dǎo)電銅排,還有各種輔助性的控制電器。我們看到開關(guān)柜的密封也很好,但這將帶來散熱困難和溫升較高的技術(shù)難題。

  因此這第三個問題要結(jié)合防護等級、工作制、環(huán)境溫度、濕度和海拔高度、還有電流強度等等來展開,是一個綜合問題。

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