温升检测

2024-10-07

温升检测（共8篇）

温升检测篇1

0 引言

GPRS是通用分组无线业务的简称,采用的是基于全球移动通信系统GSM系统的无线高速数据分组传输技术,目前理论传输速率为115 kbit/s。GPRS业务于2002年7月开始在国内移动通信业推出,第一期工程在全国东部16个省的25个城市开通并进入试商用[1,2]。试商用的GPRS系统能够提供传输速率为30～50 kbit/s的分组业务。GPRS的出现,很大程度是为多媒体、互联网通信服务,将从根本上改变原有的GSM的基于话音服务[3]。

另一方面,随着我国国民经济的迅速发展,各行各业对电力系统设备可靠性也提出了越来越高的要求,输变电设备安全(特别是高压开关设备)可靠性也因而受到了更多的重视,其可靠性是大规模输配电和电网安全保障的重要环节[4,5]。据不完全统计,国内不少发电公司、电力公司均出现过不同程度的输变电设备故障并造成了一定的经济损失,这些故障一方面来自不同环境、设备维护缺乏等问题,更重要的原因在于设备本身的质量问题,特别是2008年我国南方经历的雪灾使电力系统超负荷运行,恶劣环境下对电力运行设备的质量提出了更高层次的要求,在这些特殊情况下,输变电设备内在质量成为电力安全运行的重要因素。

在输变电设备的运行过程中,许多故障是由设备的异常温升而造成。目前对高压开关设备的温升监测大都基于人工巡检,用手持式红外测温仪获得开关柜内的温度数据,但由于开关设备的元件遮挡的影响使得红外测温仪器无法获得准确的温度数据;同时人工操作中的失误不可能完全避免,且巡检时间间隔也过长。因此作为输配电系统中广泛运用的高压开关设备,对其实施状态监控是非常必要的[6],如何将分散在不同地域的高压开关设备的运行数据实时、便捷地传输是一个关键的技术问题。基于通用分组无线业务的GPRS无线数据传输方式是目前十分适合远程监控的一种通信方式。

1 系统方案和工作原理

电网中有许多开关设备,这些开关设备分布在不同的地域,如城市、农村中,为了在不同地域都能方便地将测量数据传输到监控中心,每个开关设备都要配有GPRS模块,通过ADSL(非对称数字用户环线)拨号方式建立上位监控中心系统,本系统采用动态域名解析方案组网,具体原理如下:

监控中心计算机是使用ADSL上网的,每次上网时,ISP(互联网服务供应商)主机是随机分配一个IP地址给用户,即所谓分配一个“动态IP地址”。同时下位所置的多个信号采集终端是通过GPRS网络连接Internet,每个终端也被随机分配一个IP地址,这样,监控中心计算机与各信号采集终端无法以固定IP方式建立通信,因此,必须使各信号采集终端及时获取监控中心当前的IP地址,并与监控中心建立通信。

本系统采用动态IP结合DNS(域名服务器)域名解析的组网方式建立通信来解决这一问题。在该方式中,监控中心计算机每次上线的IP可能不同,但可以通过DNS动态域名解析在两者之间建立关联。采用动态域名解析方案,需要首先联系DNS服务商,为监控中心计算机申请一个域名,并把这个域名写入各GPRS模块中,监控中心计算机接入Internet后,与DNS服务器进行连接,将当前获得的动态IP报告给DNS服务器。GPRS模块上电后,先采用域名寻址方式连接DNS服务器,再由DNS服务器找到服务器公网动态IP,这样就可以在两者之间建立通信。此种方式可以减少申请和使用公网静态IP的开支,但其稳定性受制于DNS服务器的稳定性,所以必须确保所选择的DNS服务器稳定、可靠。

如图1所示,本系统由数据采集终端、GPRS网络、Internet网络和监控计算机等四部分构成。其中,数据采集终端由单片机及其外围电路组成,数据采集终端与GPRS模块安装在开关设备中。

一般监控计算机会通过ADSL方式接入Internet,这时网络服务商会随机分配给监控计算机一个IP地址,监控计算机再把当前IP地址告知域名服务器,这时,数据采集终端的单片机通过GPRS联入Internet访问域名服务器,获取监控计算机IP地址,双方建立了连接,然后,单片机将采集到的温度信息利用TCP/IP协议传到监控计算机,当温度达到设定值时,单片机启动开关柜内冷却风机降温,当温度过高产生报警信号时,强行启动备用风机,并通过GPRS及时发送短消息通知值班人员通过Internet网络随时监控设备状态,必要时进行设备维修。

监控计算机为用户提供一个可视化界面,让用户实时了解远方高压开关设备运行状况。并把定时传送的温度保存到数据库中,通过对数据库分析,可掌握电力负载情况,为优化电力调度提供依据。

2 数据采集硬件结构与软件流程

数据终端以单片机PIC16F877A为核心,采用红外传感器对配电柜温度的非接触式在线测量,这样测量系统具有抗电磁干扰能力强、安全可靠的特点。单片机每隔5 min发送一次测量数据,可以有效减少GPRS通信费用。单片机首先要通过GPRS模块获取监控中心IP以建立点对点的联系,当温度超过设定值时,单片机启动相应的冷却风机降温,当温度达到报警值时,单片机一方面通过GPRS模块发送短消息通知远程值班人员及时处理,另一方面温度信息通过LCD在现场显示出来。数据终端硬件结构如图2所示。

3 GPRS模块上网流程

单片机采集到的温度值要通过GPRS模块传输到Internet上,则必须使用AT命令通过RS232串口控制GPRS模块连接Internet,把数据传至监控中心,GPRS模块拨号上网的程序流程如图3所示。

GPRS上网分为两个阶段:第一阶段,配置GPRS模块,进行一系列初始化;第二阶段,同基站服务器通过三阶段协商(即LCP配置、PAP/CHAP认证、IPCP配置)建立PPP连接。连接成功后,GPRS模块就会从移动基站服务器上获得一个动态IP地址。接下来,GPRS终端就可以在PPP协议框架中嵌入TCP/IP数据包进行传输,访问GPRS网内的主机和外部数据网如Internet上的主机或访问DNS服务器,查询IP地址。

4 监控中心功能

监控部分的主要功能是查询监测终端的各项数据,显示开关设备内各接触点温度值,并可向监测终端发送命令,启动备用风机。监控中心可以有数据处理功能,包括历史数据查看、图形查看和报表几个部分。历史数据查看部分可以很方便地统计温度最大、最小值及出现时间,为优化电力调度提供依据。监控中心设置一个固定的不被计算机占用的端口作为通信端口,然后不断的侦听这个端口的状态,一旦端口中由GPRS模块发送的数据到达时将触发TCP控件响应此事件,然后接收所有到达的数据。再判断各个包是否完整,如不完整则通知发送端重发,若完整则提取本数据包的源地址、数据长度、数据区的数据并将数据保存到数据库中。

5 结语

经实际测试,本系统数据采集终端抗电磁干扰能力强,通过GPRS与监控中心建立连接时间不超过3 s,建立通信后数据传输速率达40 kbit/s,完全满足要求,本系统可以通过Internet实现对地域分布广泛的开关设备实施远程监控,为设备及时维修和故障排除提供指导。当然,基于GPRS的测控技术在安全性、可靠性和实时性还有待提高,但随着GPRS网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟,基于GPRS的测控技术也必将日臻完善。

参考文献

[1]郝云芳.GPRS的网络结构与接口信令研究[J].西安邮电学院学报,2002,7(1):46-49.

[2]吕捷.GPRS技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001:95-97.

[3]王云,贾清寒,胡晓龙.基于无线网的配电变压器监测系统应用[J].电力系统自动化,2002,26(16):75-78.

[4]齐保庆,张恒军,立连昌.配电变压器监测与无功补偿[J].电力情报,2002,5(2):26-27.

[5]王康元,叶策,钱源平.基于无线负控信道的电能质量管理系统[J].电力系统及其自动化学报,2002,14(2):27-34.

[6]张建宏,裴仁清,李亚静,等.自动化设备的远程监控系统[J].自动化仪表,2002,23(7):56-57.

紧凑型高压电动机降低温升的方法篇2

【摘要】通过分析影响杂散损耗的因素，改变气隙长度、转子结构及定转子槽配合，从而有效减少杂散损耗，降低温升。

【关键词】定转子槽配合；温升；导条

【Abstract】Through the analysis of the factors of affect stray loss ，change the air gap length，the rotor structure and the solt-combination of stator and rotor，effectively reducing the stray loss， reduce the temperature rise.

【Key words】Slot-combination of stator and rotor；Temperature rise；Bar

1. 引言

紧凑型高压电动机采用封闭式自扇冷却结构，由于结构紧张，每个中心高、每个极数最大一档功率电机的温升限值应按105K考核。但由于某用户使用环境特殊，要求最大档功率电机温升不得超过80K，此时需对原有电机结构做出改变，以达到客户的要求。在三相异步电动机的五大项损耗中，除风摩耗外，其余定子铜耗、铁心损耗、转子损耗和杂散损耗均直接地转化为热量。根据对封闭式自扇冷却电机等值电路图的分析，对电机温升起主要影响的，首先是前端部定子铜耗、槽部定子铜耗和杂散损耗。而要大幅降低电机的定子铜耗、铁耗和转子铝耗是难以实现的。而杂散损耗受电机设计、工艺、材料等影响波动较大，因而降低杂散损耗是必要且可行的。

2. 改变气隙长度

异步电动机的杂散损耗主要是由气隙磁场中的高次谐波磁通（包括相带谐波和齿谐波）在转子铁心和导条中产生的损耗。增加气隙长度可以使气隙谐波磁通减少，从而降低杂散损耗。

3. 改变转子结构

鼠笼型转子常用的结构有铸铝转子和铜条转子。根据经验，在定转子槽数不变的情况下，将铸铝转子改为铜条转子，可以达到更好的降温效果。

4. 改变定转子槽配合

气隙谐波磁通在定、转子铁心中产生高频铁耗（表面损耗和齿部脉振损耗），在鼠笼转子中产生高频电流损耗。其中以定、转子齿谐波磁通的作用最为显著。当定、转子槽数很接近时，转子齿顶的宽度将十分接近定子齿谐波的波长，因此转子齿中由定子齿谐波磁通引起的脉振较小，脉振损耗也很小。同样，定子齿中由转子齿谐波磁通引起的脉振损耗也较小。因此，定转子槽数应尽量接近，但不能相等，可以减少杂散损耗。当采用多槽转子时，转子中的谐波损耗中虽然比少槽转子有所增加，但因转子齿谐波幅值减小，它在定子齿中产生的脉振损耗也随之减小，因此总的杂散损耗与采用少槽的差不多。对于铸铝转子来说，由于导条间由横向电流引起的损耗较大，而且随着槽数的增加而迅速增大，转子侧的杂耗比定子侧的大很多。因此铸铝转子电机一般都采用少槽-近槽配合。

5. 结语

通过增加大气隙长度，将转子结构由铸铝改为铜条，并适当增加转子槽数，可有效地降低电机温升。

参考文献

[1] 湘潭电机厂. 交流电机设计手册. 湖南人民出版社，1978.6.

[2] 左涛. 异步电动机定、转子槽配合对附加损耗的影响. 防爆电机，2006，6.

[3] 忻尚君.电机制造工艺对铁耗的影响.中小型电机，2002，6.

[4] 夏亮. 鼠笼型异步电动机转子导条型式的选择. 防爆电机，2009，4.

[文章编号]1619-2737（2015）06-20-651

异步电机温升计算解析篇3

一、将定子作为均匀发热体时电机表面温升θs的表达式

定子可以视为一均匀发热的物体, 当发热与散热在某一温度下达到平衡状态时, 电机表面温升θs可用下式表示:

式中Q———稳态时单位时间定子所产生的热量 (W) ;

α———定子表面的传热系数 (W/ (Kocm2) ) , 见表1;

S———定子表面面积 (cm2) 。

式1表明:无外风扇的电机的表面温升与定子产生的热量成正比;与散热系数、散热面积成反比。其中散热系数α与电机表面状况有关, 电机在使用中若表面积有灰尘、污垢使α变小, 从而使温升增高。

二、计入定子本身散热途径中各部分温度降之后的定子绕组温升

空气冷却的电机的散热主要由两大途径———固体之间及固体与气体之间构成。

(一) 固体之间温度降

固体之间温度降粗略地可以看成由两部分组成———绝缘层中 (包括浸渍漆及漆膜) 及铁心中 (机座与铁心可视为一体) 。

1. 绝缘层中的温度降θi

式中Q———由绕组产生并经绝缘传出经绝缘传出的热量 (W) ;

δi———绝缘层厚度 (cm) ;

S———绝缘部分散热面积 (cm2) ;

λ———热导率 (W/ (Kocm) ) , 见表2:

将公式中的Q用相应部分的定子铜耗Pcul (W) 代入, 即为该处绝缘层中的温度降。如计算糟部:

若计算端部:

l———铁心长 (cm) ;

lc———半匝线圈平均长 (cm) ;

lE———半匝线圈端部平均长 (cm) 。

计算时, 若槽部θi、S、λ与端部的不同, 则代入θi公式时应分别取值。

2.铁心表面的平均温升θFC

θFC=Q/αS=ΣP/αS=[ (PFC+0.5PS) +Pcul (l/lc) ]/αS

式中S——定子铁心内圆面积;

S=πKill (cm2)

PFC———铁耗 (W) ;

PS———电机的杂散损耗 (W) ;

Pcul———定子铜耗 (W) 。

(二) 绕组端部表面对空气的温升θe=Pe/αeSe (K)

式中Pe———端部绕组铜耗, Pe=+PcullE/lc (W) ;

αe———端部表面的散热系数;

Se-、———端部绕组面积, Se=LllEZl (cm2)

L———为绝缘线圈断面的外缘周长 (cm) 。

(三) 定子线组温升θl

式中θcu F———绕组有效部分温升, θcu F=θFe+θi (K)

三、计入转子辐射之后的定子绕组温升

转子对定的热辐射对定子绕组的温升θl有一定影响, 尤其对冷却方式为IC0141的封闭式电机, 这已为实践所验证。但目前国内有关电机设计方面的书籍上, 在计算θl时均未将转子的热辐射 (用计入转子铜耗Pcu2来考虑) 计入后, 经试验修正得出以下θl的计算公式。

θl=Kl PFe+Pcul+K2 Pcu2/αS (K)

S=πDll2/2+πDll (cm2)

式中α———用定子温升实测值统计数据按上式反算后求得的经验系数 (W/ (cm2o K) ) ;

Dl———定子铁心外径 (cm) ;

L———铁心长 (计及通风沟) (cm) ;

K1、K2———经热路计算及试验获得的修正系数, 求法见文献。

将三种损耗 (其中PFe为总铁耗) 均纳入θl的表达式之中是符合实际情况的。K1、K2是与电机结构、工厂采取的制造工艺均有关的系数。当将K1、K2及α在典型结构上经过修正确定下来之后, 用该公式计算同类产品的其他规格时, 算得的θl与试验值之间的误差就很小。

四、对温升的分析、估算

因目前国内尚无与试验结果比较吻合的温升 (指θl) 计算化工, 所以异步电机的设计人员基本上都是用分析、估算的办法确定所设计产品的温升。

分析、估算的办法是:将所设计的产品的电磁负荷及散热面积与已有试验结果的同类产品相较。其中定转子电密J1、J2, 因温升与它们的平方成正比, 对θl影响较大。若所参照的产品的θl较高或较低, 可用上述的平方关系调整所设计产品的J1、J2。定、转子线负荷A1、A2与θl成一次方的比例关系;Bδ则随产品类型的不同有一定的选择范围, 不宜大幅度地增、减。

除上述的规律外, 在借助于分析、计算确定所设计的电机的方案时, 还应注意以下几点:

1.在系列产品设计时, 为保证“系列性”, 个别规格的电磁负荷会选得较低或略偏高。

2.应注意工艺上对θl有影响的因素, 如浸渍方法, 铁心加工水平等。

3.注意电磁负荷分配的合理性。

4.注意散热面积, 在同一机座号的不同长度电机中, 若PN1>PN2, 且采用IC0141的散热方式, 应使l1/l2略大于PN1>PN2, 即散热面积的增加幅度应略大于功率的增加幅度, 否则应降低电磁负荷、热负荷。

电梯回生电阻的温升研究篇4

1 未加制动前变频器的工作情况

VVVF控制方式要求:基频以下, 以恒压频比的方式实现恒转速调速;基频以上, 保持定子电压为额定电压, 转速升高时转矩降低, 实现恒功率调速[4]。用MATLAB/SIMULINK[5]软件中对应的仿真模块搭建转速开环恒压频比的交流调速系统模型如图1所示。开始机械转矩恒为50 N·m, 电机以电动机模式运行;在0.05 s之后机械转矩变为-50 N·m, 电机以发电机模式运行。滤波电容取值为60μF时, 运行得出仿真结果如图2所示。

分析图2可知, 当机械转矩变为-50 N·m时, 变频器处于再生制动状态, 电容两端的电压发生剧烈波动, 最高泵升电压达到1500 V以上, 而且随着时间的增加, 电压值急剧增大, 严重超过系统的耐压能力, 需要采取相关制动措施。

2 加入制动后变频器的工作情况

针对图2中泵升电压过大的情况, 为了使泵升电压维持在安全的范围内, 需要在电容两端并联一个由电力晶体管和回生电阻组成的泵升电压抑制电路来释放这部分能量。

2.1 电压滞环控制条件的确定

工程上泵升电压抑制电路的参数计算和选择原则为:1) 泵升电压必须低于主电路电容器和功率器件的电压定额, 一般可选择130%UW (0) 作为上限 (UW (0) 为正常运行时电容C上的电压值) 。2) 泵升电压抑制电路动作结束时, 为使系统能再次迅速电动运行, 不应使直流侧电压降得过低, 必须等于或略大于正常运行时UW (0) , 一般可选择110%UW (0) 作为下限[6]。由图2可知稳定时电容两端的电压约为540 V, 因此取正常运行电压为

制动电路的上限电压值为

制动电路的下限电压值为

在选择制动电路的下限时, 考虑到电网波动的影响, 三相电网电压为380 V, 设电网波动为±15%, 则可计算出三相整流后电力电容上的最大直流电压为

从而在制动运行时, 直流电压的最低值应该不低于620 V。也就是说为了使变频器在上述电网波动条件下仍能正常运行, 制定单元的动作阀值必须大于等于620 V[7]

综上, 取制动电路的上限电压值UDH=700 V, 制动电路的下限电压值UDL=620 V。为了实现电压的滞环特性, 对仿真图进行调整, 如图3所示。

2.2 回生电阻的计算

2.2.1 回生电阻最小值

制动单元由回生电阻和制动功率管组成, 流过制动回路的最大电流必须小于功率管所允许通过的最大电流, 因此制动电阻的最小值为

式中:UDL为制动电路直流电压下限值, 取值为620 V;Icmax为制动电路中功率管通过的最大电流值, 大小为18 A。将数值代入式 (1) 可得Rmin=34Ω。

2.2.2 回生电阻最大值

再生制动状态下的发电能量是通过逆变器流回直流回路, 电阻上流过的瞬时电流一部分来自逆变器, 另一部分来自电容器, 因此, 流过逆变器的电流必定不超过回生电阻中流过的电流。也就是说, 如果电阻中的瞬时电流不超过变频器的额定电流, 那么整个变频器就是安全的。制动电阻最大值为

式中:UDH为制动电路直流电压上限值, 取值为700 V;Ievf为变频器额定电流值, 大小为17 A。将数值代入式 (2) 可得Rmax=41Ω。回生电阻的阻值在Rmin和Rmax中选择, 通过仿真比较, R=36Ω时, 结果最理想。

2.2.3 回生电阻功率计算

回生电阻并不需要一直投入运行:当电容两端的电压超过上限值700 V时, 电阻投入运行;当电容两端电压低于620 V时, 电阻退出运行。因此, 制动电阻的实际功率远小于通电时消耗功率, 一般用下式计算:

其中λ取0.5, 则回生电阻功率P≥7 kW。

2.3 变频器的仿真运行

由仿真图3可知, 电容值为60μF, 回生电阻为36Ω, 开始时机械转矩恒为50 N·m, 电机以电动机模式运行, 在0.05 s后机械转矩变为-50 N·m, 电机以发电机模式运行, 得出的仿真结果如图4所示。

从图4a可以看出, 当电梯变频器处于再生制动状态时, 与图2相比, 电容两端的电压不再剧烈变化, 电容两端的电压在控制电压下限值620 V和上限值700 V之间以周期性稳定变化, 电压被限制在安全的范围内, 控制效果理想。

3 回生电阻的温度特性

从图4可以看出, 在滤波电容取60 uF, 负载转矩由50 N·m变为-50 N·m时, 加入36Ω的制动电阻后, 回生电阻两端的电压和流过电阻的电流波形趋于稳定且达到系统的运行要求。而导体中有电流通过时, 会有热量产生, 导体短时发热的热平衡为[8]

在dt时间内, i2Rθdt=cθmdθ, 其中:

整理得

两边积分可得

综合考虑电阻的阻值和功率, 选择AISI304相关参数如表1所示[9] (初始温度为20℃, 电阻截面积取为1.0×10-5m2) 。

将表1的数据带入式 (3) , 并用MATLAB/SIMULINK软件对图4b中的电流波形进行采样, 取步长为2×10-6, 可采样出10 000个点。然后根据采样出的电流数据利用C++软件编程[10]可以得出对应的10 000个温度数据, 最后用MATLAB软件画出温度与时间的关系特曲线如图5所示。

从图5中可以看出, 转矩改变后, 电阻的温度随着时间的推移呈上升趋势, 截止到0.2 s, 电阻温度上升了0.2℃, 在允许的温度范围内。

4 结语

变频器处于再生制动状态, 电机由电动机模式变为发电机模式的情况下, 0.2 s内回生电阻的温升较小, 满足运行要求, 但长期工作时, 电阻温度随导通时间增加而累积升高, 会超过最高允许温升。所以今后要对回生电阻的长期发热情况进行研究, 以便选取合适的材料并且采取有效的冷却方式。此外, 当机械转矩变化剧烈时, 回生电阻的温度也会发生很大变化, 需要对其温度特性进行研究, 从而采用合理的冷却方式, 保证系统的安全和稳定运行。

参考文献

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[9]邱立功.实用电工材料手册[M].上海:上海科学技术出版社, 2010.

变压器在线温升测试篇5

关键词：在线绕组温升测试仪,电阻法,绕组温度

变压器的可靠性和安全性,很大程度上取决于变压器绕组的绝缘。在超温状态下,变压器的绕组绝缘可能被破坏,引起热击穿,导致安全风险。

对用于医用电气设备的网电源变压器,GB9706.1-2007 57.9.1对此明确要求:应防止其基本绝缘、辅助绝缘和加强绝缘在任何输出绕组短路或过载时过热。并规定了环境温度为25˚C时网电源变压器绕组过载和短路状态下容许的最高温度。为此,需要测试网电源变压器的绕组温度,判断在短路或过载的故障状态下,绕组温度是否满足标准要求。

在GB9706.1-2007标准中,建议用电阻法测量绕组温度。

根据铜绕组的温升公式:

式中:

Δt——温升,单位为摄氏度(˚C);

R1——试验开始时绕组的电阻值,单位为欧(Ω);R2——试验结束时绕组的电阻值,单位为欧(Ω);t1——试验开始时环境温度,单位为摄氏度(˚C);t2——试验结束时环境温度,单位为摄氏度(˚C)。GB9706.1-2007标准给出了一种测试方法:实验开始时,测出绕组的初始电阻值R1,记录环境初始温度t1。断电后尽快测试绕组的电阻值,然后每隔一段短时间再测量一次,绘制出电阻值与时间关系曲线,推断出断电时刻绕组的电阻值R2,根据公式(1),计算出绕组的温升,经修正,转化为工作在环境温度为25˚C时对应的温度值。

这种静态测量绕组电阻计算绕组温升的方法,在某些特殊的条件下,有一定的局限性。比如使用热开关作保护器件的变压器,热开关串联在绕组内部,当变压器绕组的温度达到热开关的动作温度时,热开关断开,绕组断路,无法测试绕组电阻。还有一种情况,由于静态测量绕组温升无法监测绕组的温升状态,有时还没到规定的测试时间,变压器绕组可能由于温度过高而引起热击穿。

鉴于以上原因,这里介绍一种在线测量变压器绕组温升的方法。

测试电路见图1,图中绕组X为待测绕组,a、b为绕组X的两个端点,可调电阻VR为绕组X的模拟负载,调节VR,可以得到适当的加载电流。隔直电容C为在线绕组温升测试仪的一个附件,串联在绕组测试回路中,根据测试回路中负载电流值,要求电容C具有一定容量,对通过绕组的交流电流呈现极低的阻抗。

开始测试前,先校准在线绕组温升测试仪,选择测试通道,将测试仪的四端子测试探头连接到待测绕组X的两端点a和b,如图所示。按下测试仪的测试键,测出此时的环境温度Ti和绕组的电阻Ti,并存储到测试仪内存中,作为初始环境温度t1和初始绕组电阻R1。然后,依据变压器所使用过热保护器件的特性,按GB9706.1-2007标准规定的条件,给变压器加载。在整个测试过程中,测试仪实时显示绕组的端电压及当前的环境温度,绕组的温升值(相对于初始温度),绕组的实际温度。如测试仪已经与计算机联网,这些数据还可以传输到计算机上,以曲线的形式表示出来。这样对于一些使用热开关做保护器件的变压器,通过查看温升曲线,可以很方便地得到热开关断开瞬间绕组的温升和温度值。另一方面,由于测试具有实时性,可以随时了解在测绕组的温升状态,当发现绕组温升已经超过标准要求时,可以决定是否立即终止试验。

这种方法的测试原理也是基于电阻测量法,采用四端子法测试绕组的电阻,见图2。与其他电阻测量法不同的是,这种测试方法即使在变压器绕组加载的状态下也可以测试。

图2中测试仪输出一恒定的直流电流IDC通过四端子探头流过待测绕组,由于隔直电容C的存在,测试仪输出的直流电流不会被绕组的交流电路所分流。测试仪内部的直流电压检测装置所附带的低通滤波器能够滤除绕组两端的交流电压,使直流电压检测装置测到的电压为绕组的直流电压VDC。

待测绕组的电阻值为:RX=

测出绕组的初始电阻和实验结束时的电阻,运用设备内嵌的公式(1),即可得到绕组的温升值。

参考文献

[1]GB GB9706.1-2007医用电气设备第一部分:安全通用要求

电子连接器温升仿真分析篇6

电子连接器 (也常被称为电路连接器、电连接器) , 将一个回路上的两个导体桥接起来, 使得电流或者讯号可以从一个导体流向另一个导体的导体设备。它广泛地应用于各种电气线路中, 起着连接或断开电流或者信号的作用。这种连接可能是暂时并方便随时插拔的, 也可能是电气设备或导线之间永久的结点。电流通过导体自身的体积电阻和接触部的接触电阻而产生的焦耳热积聚使电子连接器产生温升。当今3C产品如电脑的大功率化、手机的轻薄化和大电池容量都对电子连接器的温升性能提出更高要求, 作为零部件的电子连接器的温度过高会影响到设备的总温升, 长时间使用容易造成手感发烫、死机和重启的不良状况。电子连接器通电流温升测试往往是产品的验证和确认, 而对于研发初期的性能预测以及设计优化则要依托于软件的仿真分析, 通过仿真分析可以大大缩短电子连接器产片的研发周期, 减少产品研发失败成本 (如模具) 。

目前在连接器热仿真分析方面前人做了大量的研究工作[1,2,3], 但采用的分析方法均为有限元 (FEA) 的稳态导热求解, 其中自然对流的对流换热系数作为假定已知量输入计算。虽说此方法比较快速简化, 但其准确性很大程度取决于人为控制的经验参数。本文提出通过CFD的有限体积法去求解连接器的温升, 此方法可以同时求解温度场、流场及热辐射, 将表面换热系数作为未知量求解, 得到的连接器温升值将会更贴近实际的情况。本文使用ICEPAK软件仿真分析电子连接器通电流达到热平衡后的温度场、流场及热辐射, 同时辅以Q3D Extractor软件仿真分析连接器导体的体积电阻。

1 电子连接器组成及其实例

电子连接器由绝缘塑胶本体、铁壳、金属端子 (导体) 组成, 一般以公头母座配插的方式装配。本文以DC Power Jack连接器 (见图1所示) 为实例进行仿真分析研究, DC Power Jack连接器主要应用于电子消费产品的电源传导, 如Notebook/Docking/Mobile/PDA等。此连接器的母座电源端子和接地端子均为2个端子并联 (见图2所示) , 减少了通过单个端子的电流去降低温升。

2 电子连接器温升相关理论

电子连接器通电流达热平衡后的传热机理主要包括以下几个方面。

(1) 连接器导体 (端子) 通电流后成为发热源, 根据焦耳定律有:

其中:Φ——热流率, 单位为W;

I——通过导体电流, 单位为A;

R——导体电阻, 单位为Ω。

对于连接器电阻包括了导体自身的体积电阻和导体间的接触电阻。

(2) 公母端子间、端子与塑胶、塑胶与铁壳接触部位进行热传导。根据能量守恒定律和傅里叶定律得到三维、稳态、常物性导热微分方程如下:

其中:t——温度, 单位为K;

——单位体积生成热, 单位为W/m3;

λ——导热系数, 单位为。

(3) 连接器端子、塑胶、铁壳接触空气表面进行对流换热, 因传热过程无风扇等外力推动, 由温度场的不均匀引起的空气流动, 所以为稳态的自然对流换热。对流传热的基本计算式是牛顿冷却公式:

其中:Φ——热流率, 单位为W;

h——表面换热系数, 单位为W/ (m2·K)

△t——壁面温度与流体温度的温度差, 单位为K。

影响对流换热关键的表面换热系数主要由几何表面特征及流场特性确定, 因为连接器的塑胶作为容纳端子的主体, 其多孔的结构使得表面特征复杂, 而端子、铁壳表面也是复杂表面, 空气在温度场不均匀的驱动下流经这些表面, 是一个复杂多变的过程, 如果取表面换热系数为常量的经验值就与实际情况有很大差别。为此本文提出表面换热系数应当作为未知量, 通过流场和温度场去联合求解电子连接器温升。

(4) 端子、塑胶、铁壳、空气之间因温度差产生的热辐射换热。两个物体间热辐射净热量传递可以用斯蒂芬-玻尔兹曼公式计算:

其中:Φ——热流率, 单位为W;

ε——热辐射率, 其中0<热辐射率<1;

σ——斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 其值为5.67×10-8W/ (m2·K4) ;

A1——辐射面1的面积, 单位为m2;

F12——从辐射面1到辐射面2的形状系数;

T1——辐射面1的绝对温度, 单位为K;

T2——辐射面2的绝对温度, 单位为K。

电子连接器器温升过程无风机外力参与, 属于弱对流换热, 因此热辐射不能被忽略, 否则仿真分析的结果会比实际偏高。

3 仿真分析模型及参数设置

(1) 材质参数和分析条件

DC Power Jack连接器各部件的材质参数见表1, 按设计要求通极限电流为:电源端子通7 A电流, 作为回路的接地端子同样通7 A电流, 侦测端子通1 A电流。连接器的温升不超过30℃ (连接器通电流达到热平衡后与环境温度的差值) 。

(2) 连接器端子的体积电阻仿真分析

电子连接器的导体——端子一般由铜材冲压而成, 形状复杂难以直接计算体积电子, 因此本文使用电磁场仿真软件Q3D Extractor去求解端子的体积电阻, 求解模型见图3, 求解结果见表2。

(3) 接触电阻

连接器的接触电阻是由于弹性可分离接触界面产生的额外电阻, 其与弹片的接触形态、正向力、接触面积、表面镀层厚度及材质相关 (见图4) 。正向力越大、接触面积约大、表面镀层越厚则接触电阻越小 (见图5) , 另表面镀层为良导体 (如金、银) 也有利于降低接触电阻。因接触电阻影响因素较多, 机理复杂, 仿真方法求解接触电阻的适用范围太窄, 本文采用以往的实测经验进行预估。根据相似产品良好接触和良好电镀的经验, 端子接触区宽度大于0.2 mm, 接触区镀金大于15μ", 接触正向力大于50 gf, 接触电阻为2~3 mΩ, 本文按良好接触和良好电镀情况, 并留一些分析裕量, 取接触电阻为3 mΩ。

(4) 电子连接器温升仿真分析模型

建立电子连接器温升仿真分析模型的步骤如下。

1) 导入3D图档并建立模型中各个部件的实体, 加入PCB, 设置合理大小的空气盒, 并设置空气盒的所有面为open边界, 见图6。

2) 分别设置各部件的材质参数, 以及各个部件的表面辐射材质。

3) 输入各个端子的发热功率, 见表2。

4) 划分整个模型网格, 网格类型为Hexa unstructured, 本例的单元数为954 874, 节点数为973 577。

5) 求解参数设置:设置为层流, 因为是自热对流, 需设置重力方向, 打开辐射计算选项, 设置环境温度为25℃。

6) 运算求解。

4 仿真分析结果与实验测试结果对比

(1) 电子连接器温升仿真分析结果

仿真分析结果温度云图如图7, 环境温度设置为25℃, 由于热积聚效应最高温度出现在连接器靠中部通7 A电流的两个电源端子, 最高温度为45.85℃, 温升为20.85℃。

(2) 实验测试结果

为验证此连接器温升仿真分析结果, 进行实物温升实验, 实验条件:连接器置于恒温箱中, 在两组电源端子和两组接地端子靠近接触部布热电偶测温点, 测温线引到箱外数据采集系统, 实时采集各测温点数据, 实验结果见图8。

实验测试最大温升为21.79℃, 分析结果对比实验结果的误差为4.31%, 考虑到模型与实际产品的差异、材质参数差异、测试误差等因素, 此分析与实验误差在可接受范围, 分析结果有效。

5 结论

综上所述, 本文提出将表面换热系数作为未知量, 通过CFD的有限体积法去求解连接器的温升, 利用ICEPAK软件对一个电子连接器实例进行温升仿真分析, 同时辅以Q3D Extractor计算连接器端子的体积电阻, 最后进行温升实验测试, 根据分析结果与实验结果的误差为4.31%, 验证此温升仿真分析方法应用于电子连接器足够准确有效。

摘要：基于电子连接器各部件表面特征复杂, 提出将表面换热系数作为未知量, 通过CFD的有限体积法去求解连接器的温升, 利用ICEPAK软件对一个电子连接器实例进行温升仿真分析, 同时辅以Q3D Extractor计算连接器端子的体积电阻, 最后进行温升实验测试验证仿真分析方法有效性。

关键词：连接器,温升,ICEPAK,仿真分析

参考文献

[1]文艺.电连接器温度场数值分析研究[D].天津:河北工业大学, 2012.

[2]李志博, 朱玛, 张高峰.ANSYS在电连接器温升分析中的应用[J].计算机应用与软件, 2011, 28 (5) :190-192.

[3]许成彬, 潘骏, 陈文华, 等.高温电连接器有限元热分析与接触件插拔试验[J].工程设计学报, 2015, 22 (3) :250-255.

[4]杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[5]杜永英, 孙志礼, 王宇宁, 等.基于热分析的电连接器的温度应力研究[J].机械设计与制造, 2013 (10) :42-44.

水泥固化体绝热温升试验研究篇7

关键词：水泥固化体,粉煤灰,水泥,绝热温升

由于世界铀资源相对有限,国际上对动力堆产生的乏燃料元件一般进行后处理。在后处理过程中,将会产生一定量的中放废液。对这些废液而言,世界各国大多采用固化方法使放射性废液转变成稳定的固体进行安全的处理处置,其中水泥固化是广泛应用的一种方法[1]。在水泥固化中,大体积浇注水泥固化是近三十年来开发出的新型水泥固化方式,它是将放射性废物处理与处置相结合的处理与处置方式,具有工艺和操作简单、投资省、运行费用低等优点,在美国、中国、印度及俄罗斯等国家得到广泛研究和应用[2]。

我国已建成第一座大体积浇注水泥固化设施,经过多年运行,积累了丰富的技术和经验,已成功处理与处置中放废液几千立方米。对于动力堆乏燃料元件后处理产生的中放废液拟采用大体积浇注水泥固化方法进行处理与处置。所谓大体积浇注水泥固化就是在地质和地理条件允许的情况下,将中放废液和基质材料混合形成灰浆并浇注到近地表带有工程屏障的地下混凝土槽中,进行最终的固化处置[2,3]。

在大体积浇注水泥固化中,固化体温升是影响固化体质量的重要因素之一,也是大体积浇注水泥固化的重要控制指标。固化体温升过高,将会产生很大的温度应力,当温度应力大于固化体的拉应力时,固化体就会产生裂缝,从而影响固化体质量。混凝土绝热温升值主要是由硅酸盐水泥的水化热、水泥用量、水泥的水化程度、水灰比、结构尺寸、环境温度等因素决定。对于特定的混凝土来说,所用胶凝材料的组成和性质已经确定,其绝热温升值主要由硅酸盐水泥的水化程度决定[4]。美国混凝土学会认为,大体积混凝土必须解决水化热及由此引起的体积变形问题,以便最大限度地减少其对开裂的影响[5]。

在水泥中掺入混合材料(如粉煤灰、矿渣等)可以明显降低固化体温升,在混凝土行业及中、低放废液大体积浇注水泥固化中得到了广泛的研究和应用。本文采用水泥与粉煤灰混合物作基质材料,在给定的配方范围内进行固化体绝热温升实验室试验,并根据试验所得数据进行了分析,为动力堆乏燃料元件后处理中放废液大体积浇注水泥固化提供技术指导。

1 实验部分

1.1 测量原理

所谓混凝土的绝热温升是指混凝土体系在不与外界发生热交换的条件下,由于混凝土体系中胶凝材料的水化而产生的热量所导致的整个混凝土体系温度升高的现象。本试验采用的主要设备为混凝土绝热温升测试仪,其工作原理就是对给定的混凝土试样提供绝热条件并测定其水化过程中的温度变化历程。本实验参照《水工混凝土试验规程》[6],在绝热条件下,测定混凝土胶凝材料(包括水泥、掺和料等)在水化过程中的温度变化及最高温升值。

1.2 绝热温升测定仪

实验所用混凝土绝热温升仪为清华大学建材研究所研制,温度控制精度误差小于±0.1 ℃,温度最小分辨率0.02 ℃,自动数据采集系统每隔5 min采集一次数据。

该设备主要由三部分组成:混凝土试样绝热温升状态保持装置、温度信号调理和输出功率放大装置、测试仪控制软件,见图1。绝热温升状态保持装置示意图见图2。

1.3 固化材料

固化材料主要包括水泥、粉煤灰、高效减水剂和缓凝剂。

水泥,甘肃祁连山水泥股份有限公司/嘉峪关宏达建材有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥。

粉煤灰,兰州西固热电厂/嘉峪关宏达建材有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰。

糖,广东揭阳糖厂生产,蔗糖含量不小于99%。

FDN,天津飞龙外加剂厂生产。

1.4 试验配合比

试验采用配合比如表1所示。试验所用的基质材料分A、B两种类型, A组:粉煤灰由兰州西固热电厂生产,水泥由甘肃祁连山水泥股份有限公司生产;B组:粉煤灰与水泥均由甘肃嘉峪关宏达公司生产。

1.5 试验流程

根据动力堆乏燃料后处理工厂中放废液化学组成配制成模拟溶液。按表1称取固体原料,倒入60 L强制式混凝土搅拌机中,开动搅拌机,缓慢加入模拟溶液,继续搅拌2 min出料,将搅拌好的胶凝材料浆体装入绝热温升测定仪的盛样桶内,装好传感器,盖上盖子,开始测量。计算机自动记录各传感器的读数,连续测量至中心温度基本不再增加为止(12 h内温升小于0.02 ℃)。

2 实验结果与分析

2.1 同一类别的基质材料的固化体绝热温升

实验第A组的配合比属于同一类型,其绝热温升试验结果见图3。实验第B组的配合比属于同一类型,其绝热温升试验结果见图4。

由图3、图4可知,固化体的绝热温升可大致的分为初始、升温和恒温三个阶段。实验材料从加模拟溶液时起到开始显著升温前,可以认为是初始阶段。在初始阶段,受胶凝材料水化速率的影响,水化过程比较缓慢,因此升温较为平缓。初始阶段结束后,实验材料进入了升温阶段。在此阶段,胶凝材料开始迅速水化,温度迅速提高。升温阶段结束后,胶凝材料水化逐渐衰退,实验进入恒温阶段,温度逐渐恒定。

第A组与第B组实验结果相比,前三组的结果表现为总反应时间和各阶段反应时间较短,恒温时温升较低。随着水灰比的增加,第A组与第B组的温升分别依次减小,产生这种原因主要是,随着水灰比的增大,所使用的基质材料逐渐减少,因而基质材料的水化热逐渐降低。同时,从图中还可以看出,固化体温升与是否掺加减水剂和缓凝剂对于胶凝材料放热特性没有明显影响。

2.2 不同类别的基质材料的固化体绝热温升

两种不同基质材料在不同水灰比下的绝热温升试验结果见图5。

A-粉煤灰由兰州西固热电厂生产,水泥由甘肃祁连山水泥股份有限公司生产;B-粉煤灰与水泥均由甘肃嘉峪关宏达公司生产; 0.50、0.55、0.60-水灰比

从图5可以看出,在同一种类基质材料条件下,随着水灰比的增加,固化体温升降低。工程应用时,确保灰浆及固化体质量满足要求的前提下,应尽量增大工艺运行过程中的水灰比。在不同种类基质材料,相同水灰比条件下,A组材料在初始阶段温升较B组快,持续时间较短;在升温阶段要比B组缓慢,持续时间要比B组稍长。从试验结果来看,A组总体温升要比B组约低15 ℃。因此,为了尽量降低固化体的温升,采用A类基质材料是比较合适的选择。

3 拟合与整理

由图3、图4得出实验材料的绝热温升可大致的分为三个阶段,即初始阶段、升温阶段和恒温阶段。采用三条直线对中心温度曲线进行分段线性拟合,利用拟合直线方程,可以计算出直线的交点,从而确定三个阶段的起始时间。同时还可以寻找数据集中数据增长的大致方向,并对水泥固化体最终中心温度做出预测。

利用Origin软件[7]对固化体绝热温升进行分段线性拟合,对自变量X和因变量Y的线性回归方程式为Y=A+BX,截距A和斜率B由最小二乘法求得。

第A(Ⅰ)组实验绝热温升曲线分段线性拟合的结果见图6。

利用上述原理,对其余的五组温升实验结果分别进行拟合,拟合结果见表2。

通过表2的分段线性拟合公式,计算出相应不同阶段对应的时间区间,结果见表3。

*注:实际测得温升。

从表3可以看出,对B组基质材料而言,固化体最高温升为50.5 ℃,考虑极端环境温度(以40 ℃为例),工艺运行过程中,仪表检测的温度将超过90 ℃;固化体最低温升43.4 ℃,工艺运行过程中,仪表检测的温度接近85 ℃,这对固化体质量是不利的。对A组基质材料而言,固化体最高温升为32.8 ℃,考虑极端环境温度(以40 ℃为例),工艺运行过程中,仪表检测的温度未超过75 ℃。因此,从表3的数据可以进一步说明,采用A类基质材料对确保固化体温升的保险系数要比B类基质材料大得多,产生这种原因主要是由于基质材料中化学组成的含量不同引起的。

4 结论

通过对动力堆乏燃料后处理中放废液水泥固化的固化体绝热温升试验研究,可以得出如下结论:

(1)水灰比对固化体温升有较大的影响。在同一种类的基质材料的情况下,随着水灰比增大,固化体温升逐步降低。在工艺运行过程中,在灰浆及固化体性能满足技术要求的前提下,可以采用较高的水灰比。

(2)通过对不同种类的基质材料绝热温升研究,兰州西固热电厂生产的粉煤灰和甘肃祁连山水泥股份有限公司生产的水泥的混合基质材料的固化体,其绝热温升较甘肃嘉峪关宏达公司生产的基质材料低,这对处置动力堆乏燃料后处理中放废液大体积浇注水泥固化有利。

参考文献

[1]罗上庚.放射性废物概论[M].北京:原子能出版社,2003:117-122.

[2]闵茂中.放射性废物处置原理[M].北京:原子能出版社,1998:41-68.

[3]顾忠茂.核废物处理技术[M].北京:原子能出版社,2009:276-281.

[4]王甲春,阎培渝.混凝土绝热温升的影响因素[J].混凝土与水泥制品,2005(3):1-4.

[5]王甲春.混凝土绝热温升的实验测试与分析[J].建筑材料学报,2005,8(4):446-451.

[6]SL/352-2006.水工混凝土试验规程[S].北京:中国标准出版社,2006.

某型发电机定子温升计算篇8

1温升校核计算的步骤

温升计算校核的工作可分为3步, 首先根据发电机发热的部位和散热的途径来绘制散热热路图;其次再分别计算这些散热路径上的热阻值及其表面的散热系数;最后综合以上数据计算出发电机的定转子绕组的平均温升值, 并与技术总要求进行对比, 必要时进行局部修正和设计综合调整。

2发电机定子温升计算过程

热量的传递主要有传导、对流和辐射3种方式, 在发电机的通风冷却系统中对散热起主要作用的是通过发电机内部的冷却空气对流来散热。发电机的发热主要是由绕组和铁芯产生的, 所以其温升的校核计算应以绕组和铁芯的温升计算为主。虽然发电机各部件的发热程度应以最高温升为准, 由于平均温升与最高温升间有一定的规律性, 计算时通常可以只计算发热部件的平均温升, 用平均温升来衡量发电机的发热情况是适宜的[2]。下面通过二热源热路法对该型发电机的定子平均温升进行计算和分析。

计算时可假设绕组的铜导线 (铜) 以及铁芯的硅钢叠片 (铁) 的导热系数为无穷大, 所以可以将“铜”和“铁”看做一个等温体;采用外部空气来冷却的外冷式发电机, 其温度降低主要是集中在定转子绕组的绝缘层和相关散热的表面处冷却介质流体层中。由于定转子之间的气隙中有轴向气流, 该处的热阻很大, 所以定转子之间进行的热交换可忽略不计[2]。这样, 定子和转子就可看成各自独立的二热源热路。定子的二热源热路见图1, 并假定铜、铁周围的冷却空气温度是相同的。

定子绕组铜耗产生的热量主要通过以下3条热路来散出:一是通过绕组端部的表面散出传给发电机内部的气流, 其热阻为RC1;二是通过铁芯通风道中的绕组表面传给发电机内部的气流, 其热阻为RC2;先传给铁芯, 再由铁芯传给发电机内部的气流, 铜铁间热阻为RCF。

定子铁芯铁耗 (涡流) 所产生的热量主要通过以下4条热路散出:从铁芯通风道中的表面传递给发电机内部的气流, 其热阻为RF1;从铁芯内圆表面传递给发电机内部的气流, 其热阻为RF2;从铁芯外圆表面传递给发电机内部的气流, 其热阻为RF3;铁芯先传递给铜, 铜再传递给发电机内部的气流, 其热阻为RCF。

由图2可列出下列热路计算方程

定子绕组铜导线的并联合成热阻RCu:

定子铁芯的并联合成热阻RFe:

将式 (3) 、式 (4) 代入式 (1) 、式 (2) 后

下面分别对各个部位热阻的计算过程加以分析说明为

1) 定子绕组中铜导线与铁芯之间绝缘材料的热阻:

其中:δn为导线与铁芯之间每层绝缘材料的厚度;λn为每层绝缘材料的导热系数。

2) 定子绕组端部铜导线与空气之间的热阻

其中:δC1为绕组端部绝缘材料的总厚度;λC1为端部绝缘材料的合成导热系数;αC1为端部表面的散热系数;SC1为端部总散热面积。一般认为端部绝缘材料的导热面积和端部表面散热面积相同, 所以可取

其中:LE为绕组端部长度;u为绕组端部电磁线表面周长;z为定子铁芯的槽数。

3) 定子铁芯径向通风道中, 绕组直线部分和发电机内部的气流之间的热阻RC2, 算法与2) 近似。

4) 铁芯的径向通风道、内圆及外圆表面和发电机内部的气流之间的表面散热热阻计算为