3.1概述3.2接觸電阻3.4導體的長期發(fā)熱與短時發(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)備及載流導體發(fā)熱與計算2內(nèi)容提要：本章內(nèi)容主要從理論上講述了發(fā)熱對載流導體產(chǎn)生的不良影響，以及載流導體長時和短時的發(fā)熱與散熱工程。本章重點：本章中，重點掌握電氣發(fā)熱的各種計算方法和提高導體長期允許通過載流量計算方法與措施。第3章電氣發(fā)熱與計算案例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)，造成當時在此觀看錄像的74名觀眾在大火中喪生。事故發(fā)生原因：系當日天堂錄像廳15號包間內(nèi)使用石英電熱器長時間發(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，引起爆燃導致火災(zāi)。案例3上?！?1.15”特大火災(zāi)事故

2010年11月15日，中國上海市中心靜安區(qū)教師公寓發(fā)生一場延燒超過6個小時的大火災(zāi)。遇難人數(shù)實為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時許，浙江省湖州市吳興區(qū)織里鎮(zhèn)一個體商廈——“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)熱對載流導體的不良影響

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

導體的絕緣材料在溫度的長期作用下老化速度會逐漸的加劇，并逐漸喪失原有的機械性能和絕緣性能，老化的速度與導體的溫度有關(guān)。當導體的溫度超過一定的允許值后，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，絕緣強度顯著下降，結(jié)果就可能被過電壓甚至被正常電壓所擊穿。3.1電氣發(fā)熱的危害8等級耐熱溫度/℃相應(yīng)的材料Y90未浸漬過的棉紗、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浸漬過的Y等級絕緣結(jié)構(gòu)材料E120合成的有機薄膜、合成的有機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以合適的樹脂黏合或浸漬、涂覆后的云母、玻璃纖維、石棉等，以及其他無機材料，合適的有機材料或其組合物所組成的絕緣結(jié)構(gòu)H180硅有機漆，云母、玻璃纖維、石棉等用硅有機樹脂黏合材料，以及一切經(jīng)過試驗?zāi)苡迷诖藴囟确秶鷥?nèi)的各種材料。C>180以合適的樹脂（如熱穩(wěn)定性特別優(yōu)良的硅有機樹脂）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各級絕緣材料的耐熱溫度按國內(nèi)標準，電氣絕緣材料按其耐熱溫度分為七級，其長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，但當超過這一“限值”時，溫度增加則使用壽命降低。2）絕緣材料的壽命例如:A級絕緣材料其極限允許溫度為105℃，在這個溫度下，能長期工作達15~20年。但若超過這個溫度，比如達到113~115℃，其使用壽命將降為8~10年。對大部分絕緣材料來說，可以用所謂的“八度規(guī)則”經(jīng)驗規(guī)律來估算其壽命，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，在防火檢查實踐中就可根據(jù)這些老化特征，對使用壽命做出判斷。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)熱對電器及載流體帶來的危害，在設(shè)計和運行時，人們規(guī)定了一個允許溫度。允許溫度是用一定方法測定的電器元件的最熱溫度，在此溫度下，整個電器元件保持連續(xù)工作。允許溫度通常規(guī)定必須小于耐熱溫度。設(shè)備和導體上的任一部分都不能超過允許溫度。所以，有關(guān)規(guī)程做出如下幾項規(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)，這是因為考慮到測量等諸方面不可避免的誤差。②電氣設(shè)備是由各種導體組合而成的，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)熱時間極其短暫的發(fā)熱，設(shè)備絕緣材料的老化和金屬機械強度的變壞，除了溫度的高低外，還取決于發(fā)熱持續(xù)時間的長短，因此短時發(fā)熱允許溫度比長時發(fā)熱允許溫度規(guī)定得要高。3）絕緣材料的允許溫度12

當導體的溫度超過一定允許值后，溫度過高會導致導體材料退火，使其機械強度顯著下降。例如鋁和銅導體在溫度分別超過100℃和150℃后，其抗拉強度急劇下降。這樣當短路時在電動力的作用下，就可能使導體變形，甚至使導體結(jié)構(gòu)損壞。具體參數(shù)關(guān)系如圖3-2所示。2.機械強度下降由圖3-2可見，連續(xù)發(fā)熱150℃或短時發(fā)熱300℃時，銅的抗拉強度迅速下降。很明顯，銅的短時發(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，也就是發(fā)熱時間愈短，抗拉極限下降時的溫度就越高。這是因為載流體長期處于高溫狀態(tài)，會使其慢性退火，亦可使其喪失機械強度，當機械強度喪失之后，會導致變形或破壞。為了保證導體可靠工作，需使其發(fā)熱溫度不得超過一定數(shù)值。這個限值叫做最高允許溫度。按照有關(guān)規(guī)定，導體的正常最高允許溫度，一般不超過70℃；短路最高允許溫度可高于正常最高允許溫度，對硬鋁可取200℃，硬銅可取300℃。3.導體接觸部分性能變壞當接觸連接處溫度過高時，接觸連接表面會強烈氧化并產(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，當溫度超過一定允許值后，就會形成惡性循環(huán)，導致接觸連接處燒紅，松動甚至熔化。

3.1.2載流導體運行中的工作狀態(tài)與損耗載流導體工作中常遇到以下兩種工作狀態(tài)。（1）正常工作狀態(tài)當電壓和電流都不超過額定值時，導體能夠長期、安全、經(jīng)濟地運行。（2）短路工作狀態(tài)當系統(tǒng)因絕緣故障發(fā)生短路時，流經(jīng)導體的短路電流比額定值要高出幾倍甚至幾十倍。保護裝置動作、將故障切除的短期內(nèi)，導體將承受短時發(fā)熱和電動力的作用。3.1.3載流導體運行中的損耗

載流導體工作中將產(chǎn)生各種損耗。

1.電阻損耗輸電線或電磁線的導體本身和機械連接處都有電阻存在，當電流通過時，即產(chǎn)電損耗，電阻損耗與電流的平方、電阻和時間成正比。

2.磁滯、渦流損耗載流導體周圍的鐵磁物質(zhì)在交變磁場反復(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)在交變磁場的磁化作用下由于內(nèi)部的不可逆過程而使鐵磁物質(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)，由實驗確定(見表3-2)； n——指數(shù)，當Bm<1Gs時n=1.6，Bm>1Gs時n=2?？梢?，磁滯損耗與頻率的一次方成正比，與最大磁感應(yīng)強度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)強度B同外磁場H之間的關(guān)系。由圖3-3可見，鐵磁物質(zhì)從O開始磁化時，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，當鐵磁物質(zhì)放置在變化著的磁場中，或者在磁場中運動時，鐵磁物質(zhì)內(nèi)部會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢(或感應(yīng)電流)。從圖3-4中可見，渦流是感應(yīng)電流之一，在鐵心內(nèi)圍繞著磁感應(yīng)強度呈旋渦狀流動，其方向可按楞次定律來決定。渦流損耗是導體在非均勻磁場中移動或處在隨時間變化的磁場中時，因渦流而導致的能量損耗。渦流對許多電氣設(shè)備來說是極為有害的，它消耗電能，使鐵心發(fā)熱，不僅會引起額外的大量功率損失，更嚴重的是還會使線圈溫度過高，甚至損壞線圈的絕緣，造成設(shè)備的過熱損壞甚至釀成事故。另外，它又削弱了原來磁場的強度。(2).渦流損耗在電動機、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算系數(shù)盡管如此，在交流電動機和變壓器中，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合起來叫做鐵磁損耗，簡稱鐵損。它把從電源吸收的能量轉(zhuǎn)化為熱能，使鐵心發(fā)熱。20

當直流電流流過導體時，電流在導體中的任一橫截面處的分布都是均勻的，故金屬導體能得到充分的利用。但是交流電流通過時則不然，由于趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的作用，電流沿導體分布不均勻，使導體的發(fā)熱量大于直流電流通過時的發(fā)熱量，相當于導體的電阻增加了?；蛘哒f，由于導體的截面未被充分利用，相當于截面積縮小了。所以，導體電阻增加，因而其發(fā)熱量就增大了。交流電流通過導體時的電阻損耗(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）因為導體的電阻為：式中ρ——導體的電阻率(Ω·m)； l——導體的長度(m)； S——導體的截面積(m2)。將該式代入式(3-3)，便有(3-4)式中J——電流密度(A/m2)； γ——導體材料的密度(kg/m3)； m——導體的質(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℃時的電阻率； α、β——電阻溫度系數(shù)。當θ≤100℃時，通常僅考慮式(3-5)中的前兩項，即ρ=ρ0(1+αθ)(3-6)23當導體中通過交流電流時，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，在導體的中心部分A中，與之相交鏈的磁通為Φ1和Φ2；同時，與導體外圍部分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)電動勢也就越大，可見在A區(qū)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢無疑要比B區(qū)的大。眾所周知，感應(yīng)電動勢是一個反電動勢，它與產(chǎn)生它的電流方向相反，而在導體截面的外圍部分B區(qū)電流密度增大，這即是趨膚效應(yīng)的機理。當然，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)以電磁波在導體內(nèi)的滲透深度b表征：(3-7)式中ρ——導體的電阻率(Ω·m)；μ——材料的絕對磁導率(H/m)；f——電流頻率(Hz)。對于鋼(ρ=10-7Ω·m，μ=μrμ0=1000×1.25×10-6H/m，μr為相對磁導率，μ0為真空磁導率)，工頻(f=50Hz)電流時有：

m=0.0005m銅導體(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。鄰近效應(yīng)在兩個載流導體處于彼此布置較近時才表現(xiàn)出來。由于兩個相鄰的載流導體之間磁場的相互作用，而使導體截面中電流線分布改變。一個導體中的電流建立的磁場，在另一導體中作用時，相鄰近的一側(cè)磁場強度較大，相反的一側(cè)則較小。如果兩導體中電流方向相同，則在鄰近的一側(cè)由一個導體在另一個導體中產(chǎn)生的磁場而感應(yīng)的反電動勢將阻止另一導體與相鄰一側(cè)內(nèi)的電流通過，所以出現(xiàn)了兩導體相鄰近一側(cè)電流密度的減小，而相反的一側(cè)，電流密度則較大。如果兩導體中所流過的電流方向相反，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。可見，兩導體內(nèi)電流方向不同時，J=f(x)沿矩形導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與導體之間的分布與距離有關(guān)，導體相距越遠，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，儲存電場能量，也能消耗電場能量。短期較高的電場強度會引起電介質(zhì)被擊穿破壞，長期較低的電場強度會導致電介質(zhì)老化破壞。總之，在電場的作用下，電介質(zhì)會發(fā)生極化、電導損耗、介質(zhì)損耗和擊穿四種基本物理過程。電介質(zhì)損耗是交流電場中的電介質(zhì)特性，直流電場下只是帶電質(zhì)點(離子)的遷移從電場中吸取能量，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)來表征，這部分稱為電導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。交變電場除電導損耗外，還因周期性的極化存在，吸收電場能量，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，故常統(tǒng)稱這兩個方面的損耗為介質(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下?lián)p耗的性能，tanδ就成為衡量材料本身在電場中損耗能量并轉(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))。在絕緣材料的測試中，可以利用絕緣受潮或老化后tanδ增加的情況來判斷絕緣性能。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接觸電阻當兩個金屬導體互相接觸時，在接觸區(qū)域內(nèi)存在著一個附加電阻，稱為接觸電阻。所謂接觸電阻，實際上指的是電接觸電阻，又稱電接觸，它使兩個金屬導體互相接觸在一起達到導電的目的。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。這種接觸工作時沒有相對運動。2.可分接觸工作中可以分開的電接觸稱為可分接觸。接觸的雙方實際上就是電觸頭，即一個是靜觸頭，另一個是動觸頭。觸頭的質(zhì)量決定了電器的一些重要性能，如電器的分斷能力、控制電器的電氣壽命、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.滑動及滾動接觸。在工作過程中觸頭可以互相滑動和滾動的接觸方式稱為滑動接觸，又叫滾動接觸。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.收縮電阻無論用什么工藝切開導體，或切開后對切面無論用什么工藝實行精加工，其接觸區(qū)表面也絕不會是很理想的平面。若在顯微鏡下觀察兩個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，可以說不論經(jīng)過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，當兩個接觸面接觸時，實際上只有若干個小塊面積相接觸，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?？梢姡饘俚膶嶋H截面積在切斷處減小了，電流在流經(jīng)電接觸區(qū)域時，從原來截面積較大的導體突然轉(zhuǎn)入截面積很小的接觸點，電流線就會發(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。因為接觸面由多個接觸點組成，所以整個接觸面的收縮電阻，為各個接觸點收縮電阻的并聯(lián)值。經(jīng)過進一步分析可發(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，還會產(chǎn)生嚴重的接觸不良現(xiàn)象，也可能使電接觸的正常導電遭到破壞。尤其對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，這對被保護電器或系統(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）塵埃膜飄揚于空氣中的團狀微粒，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，具有隨機的特點。觸頭附近的碳氫化合物，在高溫(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，壓力大時它的影響極小，壓力小時則其阻值急劇上升。（2）吸附膜

吸附膜即水分子和氣分子在接觸表面的吸附層。其厚度僅有幾個分子，但當觸頭間的壓力在接觸面上形成很高的壓強時，其厚度可以減到1~2個分子層(即5~10?，1?=10-8cm)，但無法用機械的辦法把它完全消除。因此，無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)導電，使接觸電阻增大，當接觸壓力很小時(在2g以下)，使接觸電阻呈現(xiàn)嚴重不穩(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）無機膜電接觸材料暴露于空氣中時，由于化學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)物稱為無機膜。無機膜的形成取決于金屬材料的化學和電化學性質(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電性差，對接觸電阻的危害較大。銅和銅合金具有良好的導電性能，但銅的金屬表面很容易形成較厚的、電導率很小的Cu2O無機膜。（4）有機膜從絕緣材料中析出的有機蒸氣，在電接觸金屬材料表面形成一種粉狀有機聚合物，是一種不導電的薄膜，稱為有機膜。它對電接觸的危害是很嚴重的，因其阻值可達幾兆歐，絕緣性能與一些無機膜相似，但它們的擊穿電壓卻是無機膜的10倍左右。因電接觸的導電性能取決于膜的厚度和性質(zhì)，尤其當存在著較厚的無機膜時，觸頭間的導電性能幾乎完全遭到破壞。為了恢復(fù)良好的導電性，可以利用機械力的作用(如增加接觸壓力)把膜壓碎；也可切換大電流的觸頭，利用因開斷或閉合時伴隨產(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)備的接觸電阻過大時的危害有三個方面:1)使設(shè)備的接觸點發(fā)熱。2)發(fā)熱時間過長縮短設(shè)備的使用壽命。3)嚴重時可引起火災(zāi)，造成經(jīng)濟損失。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)實際需要來選擇。材料的化學穩(wěn)定性要好，抗污染、抗腐蝕、抗氧化能力要強，材料的導電性能要好，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，接觸電阻的減小已不明顯，反而會使觸頭的機械磨損和電磨損增大。因此，觸頭壓力應(yīng)控制在適當?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，點接觸時接觸電阻大，線接觸時接觸電阻要小些，面接觸時接觸電阻更小些。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，但尺寸太大既浪費材料又增大了體積和重量，而且會使回跳增多和回跳時間延長，增大觸頭磨損，也降低了抗振動、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，實際接觸點越多，而且更不易粘附塵埃、吸附有害氣體和潮氣，增強了抗腐蝕的能力，同時減小了接觸電阻。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，拋光膏的存在會增大有機污染的機會，是極為不利的。表面粗糙度值過小也會增大冷焊的機會。

5.觸頭污染觸頭的污染物有塵埃、潮氣、纖維、有機氣體的液體等，以及來自周圍環(huán)境和加工工藝過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，會產(chǎn)生較大的表面膜電阻和化學腐蝕，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，溫度升高會使電阻增大，因此接觸電阻增大；溫度升高到一定程度時，會使觸頭軟化，接觸面積增大，接觸電阻下降。另外，溫度升高會加劇觸頭金屬氧化和化學腐蝕，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)事實證明，電氣火災(zāi)的主要原因是設(shè)備選用不當、安裝不合理、操作管理有誤所致，而這些因素導致電氣事故的過程，很大程度上是電器過度發(fā)熱所引起的。用電設(shè)備在運行過程中，由于電流通過導體和線圈而產(chǎn)生電阻損耗；交變電流所產(chǎn)生的磁場，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。特別是過負荷運行、短路事故等狀態(tài)下，導體中流過較大的電流時，使電器溫度急劇上升，當溫度升高到一定程度時，電氣絕緣強度受到破壞，機械強度下降，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，一般都要對電器各部分的最高溫度有明確的規(guī)定，這一點是用極限允許溫升來衡量的。所謂溫升是指電器運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。溫度過高，會加速絕緣老化、使塑料材料變形變質(zhì)，會使熱繼電器誤動作、電子元件劣化;溫度過低，會使電氣設(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)備的正常動作。日溫差過大，易產(chǎn)生凝露，使絕緣性能降低，還會使零部件變形、開裂、瓷件碎裂等。（2）濕度的影響當空氣中相對濕度大于65%時，電氣設(shè)備的表面會覆以一層約0.001um的水膜，濕度越大，水膜越厚，當相對濕度接近100%時，水膜厚度可達到幾十微米，從而使電氣設(shè)備的絕緣強度大大降低。另外，當相對濕度為80%~95%、溫度在25~30℃時，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。相對濕度過低，會使塑料等絕緣材料變形、龜裂。（3）霧的影響

霧對電氣設(shè)備的影響于空氣濕度密切相關(guān)，干燥的氯化物對電氣設(shè)備幾乎無影響，而在潮濕空氣中的氯化物，會電離觸大量的氯離子，導致金屬的腐蝕，降低電氣設(shè)備的絕緣強度，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)境下會使電氣設(shè)備的金屬加速腐蝕，導電性能降低。（5）爆炸性混合物的影響在有爆炸性混合物的場所，如果電氣設(shè)備產(chǎn)生火花、電弧，就會造成爆炸、火災(zāi)事故，因此在有火災(zāi)、爆炸危險場所，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）振動的影響振動會造成電氣設(shè)備零部件的疲勞損壞、磨損和松動，使設(shè)備不能正常工作。423.海拔高度對低壓電器的影響地點海拔高度（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1000m時為高海拔地區(qū)，在高海拔地區(qū)因空氣稀薄，會使電氣產(chǎn)品散熱效果降低，同時因氣壓的降低和大氣密度的減少，會使空氣的絕緣降低。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)選擇低壓電器時應(yīng)按表3-5進行修正，即低壓電器的極限允許工作溫度不得超過在普通環(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，包括運動部位的摩擦、電流流過導體時產(chǎn)生的電阻損耗、鐵磁體在交變磁場下的渦流和磁滯損耗以及絕緣體在交變磁場作用下的介質(zhì)損耗。同時，開、斷電器時的電弧發(fā)熱也是電器發(fā)熱的一個原因。（1）電阻損耗電流流過導體時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——通過導體的電流(A)； R——導體的電阻(Ω)； Ktg——附加損耗系數(shù)。

而其中R=ρl/S，ρ是導體的電阻率(Ω·m)，l是導體的長度(m)，S為導體的截面積(m2)。式(3-10)可寫為變換成另一種形式，有(3-11)式中J——電流密度(A/m3)；γ——導體材料的密度(kg/m3)；m——導體的質(zhì)量(kg)，G=γlS。導體的電阻率與導體的溫度有關(guān)，當溫度為θ時，電阻率ρ=ρ0(1+αθ)。其中ρ0是θ=0時導體的電阻率。附加損耗是指導體中通過交變電流時，伴隨的趨膚效應(yīng)和導體的鄰近效應(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)導體的形狀和導體間的距離及交變的頻率，查閱有關(guān)手冊求得。（2）鐵磁體在交變磁場作用下的渦流損耗與磁滯損耗當載流導體經(jīng)過鐵質(zhì)部件的窗口或纏繞鐵質(zhì)部件時(如電機定子、變壓器鐵心)，由載流導體產(chǎn)生的磁通經(jīng)過鐵質(zhì)零部件形成閉路，當磁通反復(fù)變化時，在鐵質(zhì)部件中產(chǎn)生渦流。由于鐵質(zhì)的磁導率很高，而磁通變化速度又快，因而產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電動勢和渦流損耗，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為流過鐵磁體中的電流I與其截面周長P的比值。實心導體的功率損耗也可用下式計算: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)強度，磁感應(yīng)強度越強，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、熱輻射和對流。電器中，由于損耗產(chǎn)生的熱量一部分通過這三種方式發(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，從而保持電器溫升不越過極限允許溫升。如果散熱條件遭破壞，將導致電器自身溫度過高，輕則損壞其絕緣，重則可能燒毀電器，甚至引起火災(zāi)。（1）熱傳導散熱熱傳導是物質(zhì)內(nèi)部基本質(zhì)點之間能量的相互作用，把能量從一質(zhì)點傳遞到另一相鄰質(zhì)點。在不同的介質(zhì)中導熱的機制是不同的。在液體和固體絕緣材料中，能量通過彈性波的作用在質(zhì)點之間傳播；在氣體中，熱傳導過程則伴隨著氣體原子和分子的擴散而產(chǎn)生；而在金屬中，熱傳導則是由于原子的擴散來傳遞的。（2）熱對流散熱對流現(xiàn)象是不斷運動著的冷介質(zhì)——液體或氣體將熱量帶走的過程。這種散熱只在液體和氣體中發(fā)生(例如變壓器油、電動機風扇葉輪形成的空氣流動等)。自然對流發(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)點向上運動，冷卻的質(zhì)點向下運動，導致介質(zhì)中質(zhì)點的轉(zhuǎn)移，并在其中產(chǎn)生熱交換。在電器中為了強化冷卻作用，有時要強迫對流進行散熱，否則溫度升高會使電器無法正常工作，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。實際的熱分析與計算中，散熱方式不是單獨來考慮的，通常是幾種散熱合并在一起計算，用一個綜合散熱系數(shù)

來考慮，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，使散熱分析大大簡化，因此用牛頓公式計算散熱功率時，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)過一段時間后，發(fā)熱與散熱總會趨于平衡，此時的溫升稱為穩(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，即Pf=Pa，則式(3-14)也可寫成PR+PT+PJ=KTSτ即τ=(PR+PT+PJ)/KTS(3-15)用牛頓公式計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)熱體的溫升計算，如求線圈和載流導體的穩(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——線圈中流過的電流(A)； R——線圈電阻(Ω)； τ——穩(wěn)態(tài)溫升(℃)。（2）無限長載流導體的穩(wěn)態(tài)溫升對于無限長載流導體，溫度沿導體軸向是均勻分布的，因此只需取單位長度計算即可。單位長度導體的發(fā)熱功率為Pf=I2R=I2ρ/S=J2ρS(3-17)式中I——導體中電流(A)； J——導體中電流密度(A/m2)； S——導體截面積(m2)； ρ——電阻率(Ω·m)。單位長度導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——單位長度導體散熱面積截面的外周長(m)。在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于Pf=Pa，故J2ρS=KTPτ即τ=J2ρS/KTP(3-19)對于圓導體，截面積S=?/4d2，周長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，導體直徑越大，則溫升越高。這是因為導體的發(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。為了保證導體溫度不超過允許值，導體直徑越大，則允許通過的電流密度就必須越小，故在大電流時常采用扁平的矩形導體或采用多根圓導體絞合并聯(lián)，以增加導體的散熱面積。3.3.3絕緣損傷有絕緣層保護的導線或?qū)щ姴考绻^緣層道到破壞或絕緣性能降低，就會有不同程度的漏電甚至發(fā)生短路，造成嚴重的損失。對導體絕緣的要求，除了增進絕緣本身性能外，還應(yīng)針對絕緣層損壞的各種因素和形式，采取相應(yīng)的防范措施，使其安全可靠的運行。絕緣損壞的形式主要有老化、擊穿、機械損傷等。1.老化絕緣材料在應(yīng)用過程中，受各種因素的長期作用，會產(chǎn)生一系列緩慢的物理化學變化，從而導致其電性能和機械性能的惡化，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。老化過程非常復(fù)雜，其機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，因高電場強度造成電離而產(chǎn)生的老化屬于電老化，典型的電老化機理是：

1)局部放電時產(chǎn)生奧氧，臭氧是一種強氧化劑，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)常會受到外界環(huán)境或來自本身內(nèi)部的(如介質(zhì)損耗引起的)熱作用，在低壓高頻電場條件下，這種熱作用引起的老化更為明顯。熱老化的機理主要是：

1)存在于絕緣材料中或老化過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、機械性能下降。4）分子繼續(xù)聚合。開始可能會提高物理和電氣性能，但隨后即導致柔軟性下降、變脆，并在機械應(yīng)力作用下?lián)p壞。長期以來，對熱老化規(guī)律的研究初步總結(jié)出一個近似公式：

(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行溫度為Δt，則Δt與m的關(guān)系見表3-7。

表3-7運行溫度與常數(shù)的關(guān)系在對數(shù)坐標上，A級、B級、H級絕緣的標準熱壽命曲線，如圖3-10所示。

圖3-10標準絕緣等級的熱壽命曲線由圖3-10可見，使壽命降低一半所需增加的工作溫度，A級絕緣為8℃，B級絕緣為10℃，H級絕緣為12℃，這種規(guī)律被稱為熱老化8℃原則。實際上，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。對有機大分子的氧化反應(yīng)，常使極性基增加，引起介質(zhì)損耗和電導的增加。對液體介質(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)橄跛幔瑏喯跛岫g金屬，使纖維及其它絕緣發(fā)脆；水分的存在是水樹枝老化的必要條件；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；對于交聯(lián)聚乙烯電纜的樹枝老化特性，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，一般光的波長在400毫微米以下(即紫外線、射線、射線，可見光波長在l000毫微米左右)。太陽光中紫外線的能量會加快多數(shù)有機絕緣材料老化，

光有切斷分子鏈及交聯(lián)作用，

使絕緣材料發(fā)黏、

變脆、

開裂、

失去絕緣性能。(6)微生物老化微生物以有機絕緣為食物，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，還會使機械性能下降。612.絕緣擊穿任何絕緣材料，當其上所加電壓超過某一臨界值時，通過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機械損傷機械損傷是指在制造、安裝和維修時，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。這樣在通電運行時，可能會立即發(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)過一段時間后發(fā)生短路事故。623.4導體的長時發(fā)熱與短時發(fā)熱

通常導體有兩種發(fā)熱狀態(tài)：一種是導體長期流過工作電流的發(fā)熱，稱為長時發(fā)熱。另一種是導體短時間流過短路電流引起的發(fā)熱，稱為短時發(fā)熱。為了保證導體的運行安全使導體發(fā)熱溫度不超過最高允許溫度，研究導體發(fā)熱與散熱過程，對電線電纜防火非常有意義。3.4.1導體發(fā)熱單位長度的導體，通過導體的電流為I時，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)，可按下式計算:(3-23)

633.4.2導體的溫升過程當導體未通電流時，其溫度與周圍介質(zhì)的溫度相等；有電流通過之后，便產(chǎn)生熱量，會使導體溫度升高，同時又以對流和輻射的方式向周圍散發(fā)熱量。當發(fā)熱和散熱達到平衡時，其熱平衡方程式即可以寫成：(3-24)64式(3-24)中，只考慮對流和熱輻射，并用總放熱系數(shù)Kzh來表示。因置于空氣中的均質(zhì)裸導體，全長截面相同，各處溫度一樣，沿導線縱向長度方向沒有熱傳導，再加上空氣熱傳導性很差，故熱傳導可忽略不計。通過正常工作電流時，導體溫度的變化范圍不大，故可將R、c、Kzh當做與溫度無關(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，導體對周圍空氣的起始溫升為

，則方程式為:

(3-25)式中T——發(fā)熱時間常數(shù):T=mc/KZHF圖3-11均質(zhì)導體溫升曲線可見均質(zhì)導體的溫升亦是按時間指數(shù)函數(shù)增長，如圖3-11所示。式(3-26)稱為牛頓公式。663.4.3導體長期允許電流由(3-26)式可知，在穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)下，導體中產(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，與導體放熱能力成反比，而與導體的起始溫度θ0無關(guān)。設(shè)導體長期允許電流（導體載流量）為Ⅰy，導體長期發(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)也可計算導體正常發(fā)熱溫度θy或?qū)w的截面積S，對于圓截面導體S=ρl/R，F(xiàn)=πdl。3.4.4導線絕緣層的溫升圓導線的熱傳導如圖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，通過以為半徑的絕緣層表面積F傳導的功率（熱流）為:（3-28）式中，熱流Q就是導體的發(fā)熱功率P，它通過絕緣層傳導到外表面而全部散出，F(xiàn)=2πrl，l為導體長度。68以P代Q后則有：

（3-29）對（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：如果圓導線有幾層不同導熱系數(shù)的絕緣層，則根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定取環(huán)境溫度θ0=25℃。703.4.5提高導體長期允許電流的方法由式(3-27)可見，導體的長期允許電流取決于導體材料的長期發(fā)熱允許溫度、表面散熱能力和導體電阻。為了提高導體的載流能力，導體材料采用電阻率小的材料，如鋁、鋁合金、銅等。同時，改進導體接頭的連接方法，可以提高其θy，如鋁導體接頭螺栓連接時的θy為70℃。因此，減少接觸電阻，如接觸面鍍銀、搪錫等，可提高導體允許溫度。導體的布置應(yīng)采用散熱效果最佳的布置方式，導體的散熱面積和導體的幾何形狀有關(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)還可以采用強迫冷卻、導體表面涂漆、加強自然通風等方法對2000A以上的大電流母線，可采用強迫水冷和風冷來提高母線的對流放熱量。導體表面涂漆，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，并用以識別相序，便于操作巡視。對于屋外配電裝置母線，為減少對太陽輻射的吸收，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。導線明敷時應(yīng)選自然通風良好的環(huán)境，不應(yīng)覆蓋；穿管時導線占積率不應(yīng)超過40%；對于溝道電纜，通風條件在設(shè)計時也要給予考慮。否則，將使導體升溫甚至引起火災(zāi)。

通過采用耐熱絕緣材料導體，以提高導體絕緣的耐熱性能。如采用耐熱聚氯乙烯塑料時，則導體絕緣材料的允許工作溫度可提高到80~105℃。3.4.6導體的短時發(fā)熱與長時發(fā)熱相比，導體短時發(fā)熱的特點是導體中流過的是短路電流，數(shù)值大但持續(xù)時間非常短。我們研究的目的，就是設(shè)法限制短路對導體最高溫度的影響，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.短時發(fā)熱過程分析

導體中流過短路電流時，溫度的變化如圖3-13所示。圖3-13形象地描繪出導體溫度變化的過程，其物理過程是:在導體中沒有電流通過時，導體的溫度與環(huán)境的溫度相同，為θ0，此階段用PM段表示。當在時間t1時，導體通以恒定負荷電流，導體溫度由θ0開始上升，與周圍介質(zhì)形成溫差θW-θ0；負荷電流所發(fā)出的熱量的一部分，被導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電流流過導體時的溫度變化