電機繞組引接軟電纜的設(shè)計

電機繞組引接軟電纜的設(shè)計

邢建賓1，邢棟2

(1雙龍集團上海防爆電機鹽城有限公司，江蘇鹽城224000；

2河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定071000)

摘要將電機繞線組引接軟電纜視為電纜的熱源，通過電纜功率損耗形成的熱源對電纜周圍介質(zhì)的熱場、熱流、熱路分析，尋找到計算電纜連續(xù)載流量的計算方法，從而求得引接線截面積計算式，明確了恰當(dāng)選用電纜計算過程，并舉例說明迭代求取的方法。

關(guān)鍵詞電機繞組；引接軟電纜；熱路；等值方程；截面積

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.02

中圖分類號：TM303.1

作者簡介：邢建賓男1964年生；畢業(yè)于鄭州大學(xué)工業(yè)工程專業(yè)，現(xiàn)從事三相異步電動機的設(shè)計和工藝工作.

收稿日期：2014-09-07

Design on Lead Cable of Motor Winding based on Thermal Circuit Analysis Method

XingJianbinandXingDong

(1.Shanghai Explosion-Proof Motor (Yancheng) Co.,Ltd.of Shuanglong Group, Yancheng 224000, China；2.Quality and Technical Supervision College of Hebei University, Baoding 071000, China)

AbstractTaking the lead cable of motor winding as a heat source, this paper analyzes the thermal field, heat flow and thermal circuit of cable surrounding media based on heat source from cable power loss. The method of calculating continuous current-carrying capacity of cable is found out and then the calculation formula for cross-sectional area of lead cable is obtained. The appropriate calculation process of cable is defined and iterative calculation method is illustrated.

Key wordsThe motor winding；connection flexidle cable；heat circuit；equivalent equation；cross-sectional area

0引言

電機繞組引接軟電纜(俗稱引接線)是電機定子繞組的組成部分，雖然不是主要元件，但卻是電力進入電機的咽喉要道。由于承擔(dān)整個電機的功率傳輸，所以引接線的截面積較大，在繞組端部占用較大的空間，該電纜由純銅線制成，具有很高的價值。因此，在電機設(shè)計中選用恰當(dāng)截面積的引接線可以節(jié)省繞組端部占用空間，改善電機的風(fēng)路循環(huán)，也可以避免由于選用過大造成浪費，或選用過小而引起過載而燒毀。

在電機設(shè)計的文獻中很少有講到引接線尺寸計算的，即使講到引接線問題也只是給出一個選擇范圍，沒有理論依據(jù)。設(shè)計人員往往根據(jù)之前的圖紙或資料給出的尺寸采用類比法來設(shè)計引接線尺寸，這樣做有一定盲目性的，所以在引接線尺寸計算這方面缺乏一個原創(chuàng)的、具有一定理論性的計算方法。

電纜運行時兩端有電流通過，芯線有電阻存在，因此電纜芯線將消耗電能，這部分電能必將引起芯線發(fā)熱，此熱量在散發(fā)的過程中經(jīng)過絕緣層、護套、環(huán)境介質(zhì)形成熱路，當(dāng)電纜發(fā)熱量和熱路散發(fā)熱量相等時，電纜就達到穩(wěn)定狀態(tài)(穩(wěn)態(tài))，當(dāng)電纜尺寸選擇的穩(wěn)態(tài)溫度為電纜的耐熱溫度時，這時所得的電纜截面尺寸即為最經(jīng)濟的。

電纜在運行過程中導(dǎo)電線芯、絕緣層等都會產(chǎn)生損耗而引起電纜發(fā)熱，使電纜溫度升高，形成電纜的熱源。由于熱源和周圍介質(zhì)溫度存在高低差，從而形成熱動勢。這個熱源與絕緣層及周圍介質(zhì)之間形成熱路，熱路中存在著阻擋熱量散發(fā)的熱阻，熱量散發(fā)的強度即是熱流強度，基于以上條件借用電路歐姆定律即可形成熱路歐姆定律。

1空氣環(huán)境中電纜熱路計算

1.1一般電纜線的等值熱路方程

設(shè)電纜熱源的溫度為θc、周圍介質(zhì)的溫度為θa，(θc-θa)稱為熱動勢，散熱的快慢取決于介質(zhì)的熱阻T和熱流強度W，熱路圖如圖1。

圖1　熱路圖

熱路方程為

θc-θa=WT

(1)

1.2熱阻計算

1.2.1單芯電纜絕緣層的熱阻

(2)

式中，ρT1—絕緣材料的熱阻系數(shù)，單位為 K·m/W，一般橡膠絕緣取5；G—電纜的幾何因數(shù)，可由圖2查得。

圖2　各種電纜的幾何因數(shù)

1.2.2電纜周圍媒質(zhì)的熱阻

當(dāng)電纜線處于空氣的環(huán)境之中時，電纜產(chǎn)生的熱量通過絕緣層和空氣向周圍輻射，空氣的熱阻為

(3)

式中，Dc—電纜的外徑，單位為mm；h′—絕緣層的散熱系數(shù)，一般為7～10W/m2℃，電纜表面較粗糙的或涂黑色涂料的電纜取較大值，表面光滑的電纜取較小值。

1.3電纜的發(fā)熱量計算

交流電流流經(jīng)電纜時會由于電纜存在電阻、電感、電容等因素而產(chǎn)生損耗，由于引接線電纜較短這里忽略電感和電容的損耗。認(rèn)為電纜的發(fā)熱量就是電流通過電纜時由于電纜的電阻所產(chǎn)生的功率損為

W=I2R

(4)

式中，W—功耗(W)；I—流經(jīng)電纜的電流(A)；R—電纜線芯的直流電阻(Ω)。

1.4電纜的等值熱路方程

電纜表面的溫升是線芯溫升與絕緣層溫升的疊加，由熱路方程式(1)可得引接線的等值熱路方程為

θc-θa=W(T1+T2)

(5)

由式(4)、式(5)可得

θc-θa= I2R(T1+T2)

將上式轉(zhuǎn)化如下

(6)

即為求取引接線規(guī)格的方程式。

1.5空氣環(huán)境中電纜的橫截面積計算

電纜的直流電阻

(7)

式中，R—電阻(Ω)；ρ—電纜芯線的電阻率( Ω·m)；L—電纜的長度(m)；S—電纜線芯的截面積(mm2)。

將式(6)、式(7)聯(lián)合可得

(8)

式(8)即是求取一般空氣環(huán)境中電纜的橫截面積計算式。

2等值熱路方程在引接軟電纜設(shè)計中的應(yīng)用

以YB2-280S-2P 75kW 380/660V 50Hz IP55三相異步電動機為例，說明定子繞組引接線的求取。

電機技術(shù)條件規(guī)定的一般使用環(huán)境溫度為-15℃～40℃，對于B級考核的電機，電機的允許溫升為80K，電機繞組所處環(huán)境的溫度為(-15℃～40℃)+80℃即65℃～120℃。電機的引接線在電機繞組端部，其熱路(即散熱方向)是由導(dǎo)線向電機內(nèi)環(huán)境(而不是電機外部的大氣環(huán)境)，因此引接線的環(huán)境溫度即為65℃～120℃，在核算引接線尺寸時以最高環(huán)境溫度為準(zhǔn)，即120℃。

2.1預(yù)先估計繞組引接線的規(guī)格

經(jīng)計算YB2-280S-2P 75kW 380/660V 50Hz IP55三相異步電動機的額定電流為134A，根據(jù)文獻[7]查表得對應(yīng)電纜截面積為25mm2,這里選取耐壓1 000V,耐熱溫度130℃電纜。查詢相關(guān)手冊得知，該電纜的線芯直徑約為7.1mm，外徑DC約為14.6mm，查圖2可得G=0.4。由式(2)得T1為0.318；h′取8，由式(3)求得T2為0.272。

2.2查詢資料得知，20℃時純銅的電纜的電阻率ρ20為0.017Ω·mm2/m，溫度系數(shù)α為0.00385/℃；這里引接線的耐熱溫度為130℃，由ρt=ρ20[1+α(t-20)]，可得130℃時的電阻率為ρ130=0.0242Ω·mm2/m。

2.3由于電機繞組的最高環(huán)境溫度為120℃，也即是引接線的最高環(huán)境溫度，即θa=120℃(這里環(huán)境溫度的含義不是大氣環(huán)境溫度)；引接線的耐熱溫度為130℃，也就是說130℃是引接線安全運行的最高溫度，在核算引接線截面積時以引接線在130℃時與電機內(nèi)環(huán)境達到熱平衡為準(zhǔn)，即θc=130℃。

該電機380V，Δ接時額定電流為134A，θc=130℃，θa=120℃，由式(8)得S=25.6(mm2)。當(dāng)S值與預(yù)估的截面積相差不大于5%時即可以確定預(yù)估是合適的，計算結(jié)束。如果S值與預(yù)估截面積相差較大，則需要重新預(yù)估初值，重新上述計算直至滿足要求。

這里需要注意的是“引接線的環(huán)境溫度”的含義：電機的引接線分機內(nèi)部分和機外部分，由于引接線的機內(nèi)部分溫度高，散熱條件差，所以核算引接線尺寸時以機內(nèi)部分為準(zhǔn)，因此引接線的介質(zhì)環(huán)境即是電機內(nèi)部環(huán)境，在熱路方程中θa是電機內(nèi)部環(huán)境空氣的溫度，對于一般F級絕緣、B級考核、不附帶冷卻器的封閉式電機θa的值就是65℃～120℃，計算時按最大值120℃，當(dāng)溫升考核不為B級的應(yīng)按該等級溫升確定θa，對于有冷卻器的電機應(yīng)按冷卻器出風(fēng)口的冷風(fēng)溫度和溫升考核等級來確定θa。

4結(jié)語

本文將電路歐姆定律引入電纜運行時的熱路分析，熱路的熱阻、熱流強度、熱動勢分別與電路的電阻、電流強度、電動勢相對應(yīng)，得到了熱路方程。分別給出了熱阻和電纜發(fā)熱量的計算方法，得出了電纜的等值熱路方程式和空氣環(huán)境中電纜的橫截面積計算式；舉例介紹了等值熱路方程在電機繞組引接軟電纜設(shè)計中的應(yīng)用。

電機的引接線是電機的關(guān)鍵元件，除了要達到額定的絕緣性能以外還要在可靠性和經(jīng)濟性方面綜合考慮，既不能只考慮安全性而選的過大，造成不必要的浪費；也不可只考慮經(jīng)濟性而選的過小，造成可靠性降低。本文給出了引接線的計算公式，在此理論的指導(dǎo)下去計算和選擇引接線是兼顧經(jīng)濟性和可靠性的統(tǒng)一，排除了過去依靠經(jīng)驗而有些盲目的選擇方式，本文為電機設(shè)計的這一領(lǐng)域提供了實用的設(shè)計工具，填補了這方面的空白。

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