一、概 述
有触点电器是由导电材料、导磁材料和绝缘材料等组成的。
电器在工作时由于有电流通过导体和线圈而产生电阻损耗。如果电器工作于交流电路，则由于交变电磁场的作用，在铁磁体内产生涡流和磁滞损耗。在绝缘体内产生介质损耗。所有这些损耗几乎全部都转变为热能。其中一部分散失到周围介质中，另一部分加热电器本身，使其温度升高。
电器温度升高后，其本身温度与周围环境温度之差，称为温升。
电器的温度超过某一极限值后，其中金属材料的机械强度会明显下降，绝缘材料的绝缘强度会受到破坏。若电器温度过高，会使其使用寿命降低，甚至遭到破坏。反之，电器工作时的温度也不宜过低，因为电器工作时温度太低，说明材料没有得到充分利用，经济性差。相对体积大、重量重。
由此可见，研究电器的发热问题，对保证电器正常可靠的运行及缩小电器体积、节约原材料、降低成本、增长使用寿命等方面具有重要意义。
为了确保电器的工作性能和使用寿命，各国电器技术标准都规定了电器各部件的发热温度极限及允许温升。
所谓发热温度极限就是保证电器的机械强度、导电、导磁性以及介质的绝缘性不受危害的极限温度。
允许温升是发热温度极限与最高环境温度的差值。
因为电器的工作环境直接影响电器的散热过程。我国国家标准规定最高环境温度为+40℃(一般为35℃)，即
允许温升＝发热温度极限－40℃
当海拔1 000m时，各种不同材料和部件的发热温度极限列于表1－1。
关于短时发热温度极限，目前尚未制定国家标准，表1－2所列数据可供参考。
表1－1 电器部件及材料发热温度极限
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项 |
零 部 件 名 称 |
材 料 和 形 式 |
发热温度极限(℃) |
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1 |
发热温度不影响接触压力的触头 |
紫铜或铜合金 银或银合金触头 |
115 以不损害相邻部件为限 |
|
2 |
发热温度影响接触压力的触头 |
磷青铜 弹簧负片构成的簧片 夹形触头刀形开关铜质触头 |
75 75 90 |
|
3 |
用螺钉、铆钉紧固的导电连接 |
紫铜或黄铜 紫铜或黄铜接触处镀锝 紫铜或黄铜接触处镀银 铝 质 |
95 100 105 80 |
|
4 |
单层电流线圈 |
铜 质 |
145 |
|
5 |
软连接线 |
铜质镀(或搪)锡 |
130 |
|
6 |
电 阻 |
康铜或类似的电阻带、丝 |
390 |
|
铁路铝电阻带、丝 |
640 |
||
|
镍络电阻带、丝 |
690 |
||
|
7 |
绝缘线圈及与绝缘材料接触的 金属零件 |
A级绝缘 E级绝缘 B级绝缘 F级绝缘 H级绝缘 |
120 135 145 170 195 |
表1－2 电器部件及材料短时发热极限温度
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部件名称及材料 |
短时最高允许温度(℃) |
部件名称及材料 |
短时最高极限温度(℃) |
|
油中未绝缘的载流导体 |
250 |
任何情况下的铝导体 |
200 |
|
不和有机绝缘材料及油接触的铜和黄铜部件 |
300 |
闭合情况下的主触头 |
200 |
在环境温度为40℃时，绝缘线圈及包有绝缘材料的金属导体的允许温升见表1－3。
表1－3 绝缘线圈的允许温升
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绝缘材料耐热等级 |
线圈在空气中允许沮升(℃) |
线圈在油中允许温升(℃) |
|
|
长期工作制 |
反复短时、间断长期及短时工作制 |
||
|
A |
65 |
80 |
60 |
|
E |
80 |
95 |
60 |
|
B |
90 |
105 |
60 |
|
F |
115 |
130 |
－ |
|
H |
140 |
155 |
－ |
关于表中绝缘等级的说明：由于绝缘材料的品种繁多，耐热性各不相同。为此国家标准规定按耐热性将绝缘材料分为7个等级，见表1－4。
1－4 绝缘材料的最高允许温度
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绝缘等级 |
Y |
A |
E |
B |
F |
H |
C |
|
最高允许温度(℃) |
90 |
105 |
120 |
130 |
155 |
180 |
>180 |
二、电器的发热
电器工作时，电流通过导电部分将产生电阻损耗。载流导体的功率损耗为：
P=I2R (1－1)
式中 P——电阻损耗功率(W)；
I——通过导体的电流(A)；
R——导体电阻(Ω)。
当导体中流进交变电流时，考虑集肤和邻近效应时，R应为交流电阻。
此损耗将转变为热能。正常状态时，其中一部分散发到周围介质中去，另一部分使导体的温度升高，形成温升。如果发热时间极短(如短路时的发热)，由于来不及散热，可认为损耗功率全部用来加热导体，提高导体的温升。此时可得出能量平衡公式为
Pt＝Gcτ (W·s) (1－2)
式中 P——电阻损耗功率(W)；
t——发热时间(s)；
G——导体质量(kg)；
c——导体的比热[W·s／(kg·℃)]；
τ－——导体的温升(℃)；
上式可用于计算短路电流导体的温升。
铁磁体在交变磁通的作用下，会在铁磁零件中产生一定的涡流。这是因为铁的导磁率很高，而磁通变化速度又快，因而产生相应的电动势和涡流损耗。同时，磁通的方向和数值变化使铁磁材料反复磁化，产生磁滞与涡流损耗可以导致铁质零件发热。一般来说，这个损耗不大。但如果制造不当；如材料较差、铁片较厚或片间绝缘不好，则涡流损耗就比较大。
磁滞与涡流损耗一般与磁通密度大小、磁通变化率及铁磁材料有关。工程上为了简化计算过程且要取得较符合实际情况的结果，通常采用公式来计算。
式中
表1－5 铁心材料的磁滞、涡流损耗系数
|
钢的类别 |
普通电机钢 |
高 硅 钢 |
|||
|
片厚(mm) |
1.0 |
0.5 |
0.35 |
0.5 |
0.35 |
|
|
4.4 |
4.4 |
4.7 |
3.0 |
2.4 |
|
|
22.5 |
5.9 |
3.0 |
1.3 |
0.7 |
在交流电器中常采用硅钢片迭成导磁铁心。所以也可根据选用导磁材料的型号，直接由YB73—70、YB73—63(冶金部关于电工用热轧钢片及冷轧钢薄板部标)查得相应型号材料的单位铁损，经过计算而得整个铁心的损耗。
绝缘介质中的介质损耗一般与电场强度及频率有关。电场强度和频率愈高则介质损耗也愈大。对于电场强度较小的低压电器而言，介质损耗小到实际上可以忽略不计。但在高压电器中，由于电压高，介质中的电场强度大，必须考虑介质损耗并计算介质的发热。
三、电器的散热
电器工作时，只要电器温度高于周围介质及接触零件的温度，它便向周围介质散热。所以发热和散热同时存在于电器发热过程中。
当电器产生的热量与散失的热量相平衡时，电器的温升维持不变，这时称电器处于热稳定状态。此时的温升称为稳定温升。若温升随着时间而变化，则称为不稳定发热状态。
电器的散热以传导、对流与辐射三种基本方式进行。
热传导现象的实质是通过具有一定内部能量的物质基本质点间的直接相互作用，使能量从一个质点传递到另一相邻质点。热传导的方向是由较热部分向较冷部分传播；或由发热体向与它接触的物体传播。热传导是固体传热的主要方式，它也可在气体和液体中进行。
对流是通过流体(液体与气体)的运动而传递热量。热量的转移和流体本身的转移结合在一起。根据流体流动的原因，对流分为自然对流和强迫对流。机车的电机、电器等因受安装空间的限制，较多采用强迫对流(强迫风冷却或强迫油循环冷却)，可加强散热，缩小体积。
热辐射是发热体的热量以电磁波形式传播能量的过程。热辐射可穿越真空和气体而传播，但不能透过固体和液体物质。
热传导、对流、热辐射三种传热过程可通过一定的公式或经验公式来进行计算，但是分别进行热计算是相当复杂的，而且结果不十分准确。所以在实际计算发热体表面温升时，不进行单独考虑，而是在一定表面情况和周围介质条件下，把三种散热方式综合起来，用综合散热系数KT考虑散热，这就是通常采用的牛顿公式：
式中
通过上式可得出，散热功率和温升及有效散热面积成正比，温升越高，有效散热面越大，则散热功率越大。综合散热系数是指温度升高1℃，发热体单位面积发散到周围介质的功率。综合散热系数
和发热体结构、工作制、布置方式及周围介质密度，传热系数等诸多因素有关。值由实验方法确定。表1－6为的一些实验数据，供参考。在应用牛顿公式时重要的问题在于正确地选取综合散热系数。
表1－6 综合散热系数KT的实验值
|
序号 |
散热体表面及其特性 |
KT[W/(cm2·℃)] |
附 注 |
|
l |
窄边直立的扁平铜母线 |
(6～9)×10－4 |
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|
2 |
涂绝缘漆的钢或生铁表面 |
(10～14) ×10－4 |
|
|
3 |
具有绝缘纸的线圈 |
(10～12.5) ×10－4 |
|
|
4 |
螺旋状生铁电阻 |
(10～13) ×10－4 |
KT值对应于全部螺旋表面 |
|
5 |
由康铜或镍铬丝或带绕的电阻组件 |
(10～14) ×10－4 |
KT值对应于全部导体表面 |