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第2章电流的热效应和力效应2.1电流效应对电器性能的影响2.2电器的发热和散热规律2.3导体的升温与冷却过程2.4短时及短路情况下的热计算2.5少油断路器导电系统的长期发热计算举例2.6电器中电流的力效应概述2.7载流系统电动力的计算2.8交流电动力•2.1电流效应对电器性能的影响•2.1.1概述•凡是载流的导体或设备在常态下都会因自身导电回路的材料性质级结构特征而承受不同程度的电流热效应和力效应。任何导电构件（触头、母线、线圈等）都因有电阻而产生热损耗，其周围的铁磁体都会在交变磁场的作用下产生涡流和磁滞损耗，支撑导体的绝缘介质在强电场作用下有介质损耗，这些都是造成温度升高的热源。•电弧是处于等离子态的导电体，开关电器中的电弧伴随开关触头分离或即将合拢时产生，因而也会受到电动力的作用，它同时又是大功率的热源，当关合或开断短路时伴随巨大的短路电流形成。2.1.2最大允许温升的规定电器各零部件及绝缘介质的工作温度对材料物理及化学性质的变化有直接的影响。当温度超过一过的范围时，其机械性能和电气性能会急剧下降，使用寿命也会降低。不同的材料及工作部位其所允许的温度是不同的，确定允许温度的原则是保证电器在设计的使用期限内可能可靠的工作。材料的允许温度取决于其机械强度的变化及支撑绝缘的热耐受能力。温度达一定值后，材料软化，机械强度会明显下降。GB11021将电气绝缘材料按其耐热性能分为Y、A、E、B、F、H、C7个等级，其长期工作下的极限温度由Y～C依次增高，A级的极限温度为105°C，B级为130°C，C级为180°C。绝缘材料的介质损耗也随温度的上升而增加，其介质强度即随之下降。导体连接处，尤其是开关的各类触头，其允许温度比非接触处要低得多。因为接触面（或接触点）的导电状态比非接触处要恶劣得多，接触处的电阻值是变化的、不稳定的。若触头一旦焊接，开关将丧失其功能，后果不堪设想；触头间的接触压力通常靠弹簧施加，其接触压力有限，接触电阻也不稳定，温度过高对弹簧的压力也会有影响。因此，触头处的允许温度规定得更低。高压断路器通过短路电流的时间往往很短（当保护正常时，通常小于Is），允许温度可高于长期工作的允许温度而不受限制。2.2电器的发热和散热规律2.2.1电器中热的产生高压开关设备发热的来源主要是自身的能量损耗，降低开关电器工作温度的主要徐径也就是设法减小损耗，损耗的来源主要有电阻损耗、铁磁损耗和介质损耗三种形式。2.2.1.1电阻损耗当一具有直流电阻R的导体流过电流I时，它所损耗的功率为P＝I2R但对交流电路而言，受集肤效应和邻近效应的影响，导体的截面并未得到有效的使用，其电阻值比直流时大，此时的功率损耗为P＝KfI2R式中，Kf为附加的损耗系数，它等于集肤系数Kjf和邻近系数K1j的乘积。集肤效应和邻近效应使电流密度的分布不均匀。将导体截面分成内外两部分，流过圆周rx内侧的电流所交链的磁通比外侧的要多。j（r），j（χ）定性地示出了导体中的电流密度分布。考虑上述两效应后，交流电阻的表达式可写为LRac=KjfKljp—S式中，Kjf为集肤系数，Klj为邻近系数，p为导体的电阻率，Ω·m；L为导体的长度，m；S为导体截面积，m2。P与导体的温度有关，通常取p=p20(1+a(T-20))或p=p0(1+aT)式中，p0为导体在0°C时的电阻率，Ω·m；a为电阻温度系数，1/K；T为导体的温度，°C。Kjf和klj的数值由导体的形状、大小及相互间的位置决定。2.2.1.2铁磁损耗开关电器导电系统的周围常存在由钢铁件构成的铁磁体，当导体通过交变电流时，这些铁磁体会产生铁磁损耗——涡流和磁滞损耗。在铁磁体中垂直于磁通的截面上通常会存在感生的涡流，且涡流的磁场方向总是抵消激磁磁通的，因此，磁场总是集中在铁磁体的表层，称之为磁通的趋表效应。在高压电器中常要用到法兰、部件外壳等环绕导体的钢铁件，为减小铁磁损耗常用到以下措施。1）改用非磁性材料，如无磁钢、无磁铸铁、黄铜和铝合金等。2）采用非磁性间隙，使铁磁材料不形成封闭环以增大磁阻。3）采用短路线圈。2.2.1.3介质损耗交流高压电场的作用下，无论固体、液体或气体介质原则上都会因介质的极化或电导而产生发热损耗。2.2.2热的散失•因各种损耗而造成...