导体的发热和电动力、导体的选择

第三章 导体的发热和电动力、导体的选择,电气设备有电流通过时将产生损耗。,3-1 概述,发热对电气设备的影响 (1)使绝缘材料的绝缘性能降低; (2)使金属材料的机械强度下降; (3)使导体接触部分的接触电阻增加。,导体通过短路电流时，最高允许温度可高于正常最高允许温度，对硬铝及铝锰合金取200 ，硬铜取300 。,载流导体的电阻损耗； 载流导体周围金属构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗； 绝缘材料内部的介质损耗。,损耗都将转变成热量使电气设备的温度升高。 长期发热:由正常工作电流产生的； 短时发热:由故障时的短路电流产生的。,最高允许温度 导体正常最高允许温度一般不超过+70; 在计及太阳辐射影响时,钢芯铝绞线及管形导体,按不超过+80 考虑; 当导体接触面处有镀(搪)锡的可靠覆盖层时,允许提高到+85 ,当有银的覆盖层时，可提高到95 。,3-2 导体的长期发热和短时发热,导体电阻损耗的热量QR,导体的交流电阻Rac,导体吸收太阳辐射的热量Qt,导体对流散热量Ql,一、导体的长期发热与计算,1、通过电流后导体的稳定温升和稳定温度,(1)自然对流散热 屋内自然通风或屋外风速小于0.2m/s,单位长度导体散热面积与导体尺寸、布置方式等有关。,单条导体对流散热面积,三条导体对流散热面积,二条导体对流散热面积,(2)强迫对流散热,强迫对流散热系数,空气导热系数,当气温为20 时,空气运动黏度系数，当空气温度为20 时,如风向与导体不垂直,二者之间有一夹角 ，则修正系数,强迫对流散热量,导体辐射散热量Qf,导体的温升,热量平衡方程,2、导体的安全载流量,导体长期通过电流时，稳定温升,为提高导体载流量，宜采用电阻率小的材料。 导体形状，在同样截面积条件下，圆形导体的表面积较小，而矩形、槽形的表面积则较大。 导体布置应采取散热效果最佳的方式，而矩形截面导体竖放的散热效果比平放的要好。,裸导体按周围环境温度为+25，允许最高温度为+70电气设备按环境温度为+40，允许最高温度为+75,导体稳定温度计算,周围环境温度与标准条件不同时，导体载流量的修正,例 屋内配电装置中装有100mm8mm的矩形导体。导体正常运行温度为70 ，周围空气温度为25 ，计算导体的载流量。,解 (1)求交流电阻,(2)求对流散热量,(4)导体的载流量,(3)求辐射散热量,二、导体的短时发热与计算,(一)短时发热过程及导体的最高温度,导体短路时发热特点 (1)发热时间短，产生热量来不及向周围介质散矢，可认为在短路电流持续时间内所产生的全部热量都用来升高导体自身的温度，即认为是一个绝热过程； (2)短路时导体温度变化范围很大,它的电阻和比热容不能再视为常数，而应为温度的函数。,用曲线计算最高温度的方法(1)由已知的导体初始温度w (取正常运行时最高允许温度),从相应的曲线上查出Aw ；(2)由Aw和Qk值求出Ah ；(3)由Ah从曲线上查出h值。,(二)短路电流热效应Qk的计算,因短路电流的变化规律复杂，难于用简单的解析式来表示，故工程上常采用近似计算法来计算短路电流热效应。,1、求周期分量的热效应,2、求非周期分量的热效应,(三)短路时导体允许的最小截面 如果使导体短路时最高温度k，刚好等于材料短路时最高允许温度，且已知短路前导体工作温度为w ，从曲线中可查得相应的Ak和Aw。,考虑到集肤效应的影响,例3-1 发电机出口引出母线采用100mm8mm、Kf1.05的矩形截面硬铝母线，运行在额定工况时母线的温度为70C。流过母线的短路电流为I28kA，I0.624kA ，I1.222kA。继电保护动作时间为tp1s，断路器全分闸时间为tb0.2s。计算母线短路时最高温度及其热稳定性。解:(1)短路电流热效应计算,(2)计算最高温度w= 70 查得Aw=0.551016J/(m4),由Ak从曲线上查出k=90C，不超过200C 满足要求 。 满足热稳定的最小截面计算：,解:(1)短路电流热效应计算,0.55,70,0.665,90,3-3 导体的电动力计算,毕奥沙瓦定律法,一、两平行导体间的电动力,考虑导体截面尺寸和形状影响时,二、三相母线在短路时的电动力,1、电动力的计算,(1)作用在中间相(B相)的电动力,(2)作用在外边相(A相或C相)的电动力,2、电动力的最大值,FA最大值出现在固定分量和非周期分量之和为最大瞬间 即75或225 等。FB最大值出现在非周期分量最大的瞬间， 即75 165 225 等。,二、三相导体短路时的电动力,1、电动力的计算,三、三相导体的共振应力,导体具有质量和弹性，组成一弹性系统。当受到一次外力作用时，就按一定频率在其平衡位置上下运动，形成固有振动，其振动频率称为固有频率。若导体受到电动力的持续作用而发生振动，便形成强迫振动。 发电机、主变压器以及配电装置中的导体均属重要回路，这些回路需要考虑共振的影响。,导体发生振动时,在导体内部会产生动态应力。对动态应力的考虑,一般采用修正静态计算法。以求得实际动态过程中动态应力的最大值。,为避免导体产生危险共振,对于重要的导体，应使其固有频率在下述范围以外： 单条导体及一组中的各条导体35135Hz；多条导体及引下线的单条导体35155Hz； 槽形管形导体30160Hz。,例3-2某发电厂装有10kV单条矩形导体，60mm6mm，支柱绝缘子的距离L=1.2m，相间距离a=0.35m，三相短路冲击电流ish=45kA。导体弹性模量E=71010Pa，单位长度质量m=0.972kg/m，求导体固有频率及最大电动力。,解：,计算结果f1在35135Hz之间，应考虑动态应力系数，对应96.15Hz，系数为1.35。,为了避免产生共振，应如何考虑？,3-4 大电流封闭母线的发热和电动力,减少钢构损耗和发热措施 加大钢构和导体之间的距离，使磁场强度减弱； 断开钢构回路,并加上绝缘垫,消除环流； 采用电磁屏蔽； 在磁场强度最大的部位套上短路环，利用短路环中感应电流的去磁作用以降低导体的磁场； 在导体与钢构间安置屏蔽栅，栅中电流可使磁场削弱。 采用分相封闭母线。每相母线分别用铝质外壳包住，外壳上的涡流和环流能起双重屏蔽作用。,规定钢构发热的最高允许温度 人可触及的钢构为 70 ； 人不可触及的钢构为 100 ； 混凝土中的钢筋为 80 。,1-发电机，2-发电机出线箱，3-发电机出线套管处的强制风冷装置，4-分相封闭母线主回路，5-分相封闭母线上的强制风冷装置；6-电压互感器柜分支回路；7-电压互感器柜：8-与断路器、负荷开关或隔离开关相连的伸缩装置， 9-穿墙段，10-外壳伸缩接头，11-支持绝缘子观察(检修)窗：12-封闭母线支撑装置； 13-厂用变压器分支回路14-厂用变压器，15-防火墙，16-主变压器连接装置，17-主变压器,分相封闭母线优点 运行可靠性高。母线置于壳中，能防止相间短路，且外壳多点接地，可保障人身安全； 短路时母线相间的电动力大大降低。由于外壳涡流和环流的屏蔽作用，使壳内磁场减弱，对减小短路电动力有明显的效果； 壳外磁场因外壳电流的屏蔽作用而减弱，可较好改善母线附近钢构的发热； 安装和维护工作量均小。 分相封闭母线缺点 母线的自然散热条件变差； 外壳会产生电能损耗； 有色金属消耗较多，投资较大。,随着发电机组容量的加大，导体电流也相应增大，给发电机出口母线运行的可靠性提出新的问题。 如果采用敞露式布置，绝缘子易积灰尘，造成短路故障。 发电机出口短路电流大，给设备选型带来困难。 由于正常工作电流大，导体周围出现强大的交变电磁场，使其附近钢构中产生很大的磁滞和涡流损耗，钢构因此而发热。 钢构温度升高后，可能使材料产生热应力而引起变形，或使接触连接损坏。混凝土中的钢筋受热膨胀，可能使混凝土发生裂缝。,3-6 母线、绝缘子和绝缘套管的选择 一、母线的选择,为了汇集、分配和传输电能，常常需要设置母线。发电厂的母线分为发电机出口母线、发电机电压(汇流)母线和升高电压(汇流)母线。,母线的选择内容包括： 母线的材料、截面形状、布置方式； 母线的截面； 校验动稳定和热稳定； 对重要的和大电流的母线，校验其共振频率； 对110kV及以上的母线，还应进行电晕校验。,(一)母线的材料、截面形状和布置方式 1、母线的材料,常用的母线材料有铜、铝和铝合金三种。一般采用铝或铝合金作为母线材料。,2、母线的结构,矩形母线：散热条件好，安装连接方便。但集肤效应系数较大，为了不浪费母线材料，单条矩形母线的最大截面一般不超过1250mm2，当工作电流不超过2000A时，可采用每相单条矩形母线。当工作电流在20004000A时，每相可采用24条矩形母线并列使用。但每相的条数一般不超过3条。这是因为受邻近效应影响，每相母线的总载流量并非随着条数的增多成比例增加。 槽形母线：截流量大，集肤效应系数小，机械强度高，一般适用于母线工作电流为40008000A的回路中。 管形母线：集肤效应系数最小，机械强度高，还可以采用管内通水或通风的冷却措施，当母线工作电流超过8000A时，常采用管形母线。(大于等于200MW机组) 35500kV 母线可采用软导线或采用管形硬母线。,3、母线的布置形式,4、电晕问题,电晕是一种强电场下的放电现象。当导体周围电场强度超过了空气的耐压强度(2.1kV/cm)时，导体周围的空气便被电离，发出咝咝的撕裂声和蓝紫色光。 电晕放电引起电能损耗、金属腐蚀等不良影响。 试验和分析表明，电压越高，电场强度越大，母线越容易发生电晕。此外，母线表面带有棱角或不光滑，曲率半径太小，都易出现高电场集中，也容易发生电晕。 为避免或减少电晕现象，升高电压母线一般不采用有棱角的截面形状，而采用表面比较光滑的圆形截面形状，如钢芯铝绞线、圆管形铝合金硬母线等，且直径不可太小。,(二)母线截面积选择,1、按最大长期工作电流选择,发电机、变压器回路的Igmax=1.05IN。这是因为发电机允许在低于额定电压5%而额定容量不变的情况下工作； 母线分段电抗器回路应考虑一段母线上最大一台机组退出运行时，由另一段母线供给的电流，通常取母线上最大一台机组额定电流的50%80%； 线路最大工作电流考虑事故时由其他回路转移过来的负荷电流。,2、按经济电流密度选择,当导体通过电流时，要产生电能损耗。 一年中导体所损耗的能量，与导体通过的电流大小和年利用小时数有关，还与导体的截面有关。 从降低损耗考虑，导体截面越大越好；但从降低投资、维修费用、利息支付及有色金属消耗量等方面考虑，导体截面越小越好。 年计算费用最小所对应的导体截面是最经济的，称之为经济截面。导体单位经济截面上通过的电流称为经济电流密度，用J表示。,按经济电流密度选择的母线截面，通常会大于按最大长期工作电流选择的截面，但仍需要满足,(三)母线的热稳定校验,(四)硬母线的动稳定校验(软母线不需校验动稳定),发电厂各种截面形状的硬母线均被安装在支柱绝缘子上，当母线通过冲击短路电流时，作用在母线上的电动力可能使其弯曲，严重时可能使母线变形、乃至损坏。为保证母线在短路时的动稳定性，必须对母线进行应力计算。要求母线所受的应力小于母线的允许应力。,1、单条矩形母线的应力计算,若计算应力不满足要求，常用的办法是减小绝缘子的跨距。 可根据母线材料允许应力反求满足动稳定要求的最大允许跨距。,为了避免水平放置的矩形母线因本身重量而过分弯曲，要求所选用的绝缘子跨距不得超过1.52.0m。一般情况下，绝缘子跨距等于配电装置间隔的宽度，以便于安装绝缘子。,2、多条矩形母线的应力计算,式中相间应力计算与单条相同，仅W应改用多条矩形母线组合的截面系数。,当每相由多条矩形母线组成时，作用在母线上总的最大计算应力由相间应力和同相条间应力组成。,每相有两条矩形母线时,条间应力,每相有三条矩形母线时,由于同相条间距很小(一般等于母线厚度b)，因此条间应力很大。为了减少条间应力，通常在条间设有衬垫，为防止同相母线在条间力作用下发生弯曲而相碰，母线衬垫间的距离还必须小于临界距离。,为与母线材料及条数有关的系数：双条铜母线为1144，三条铜母线为1355；双条铝母线为1003，三条铝母线为1197。,衬垫数不宜太多，以免母线散热条件变坏，安装工作复杂。根据设计和运行经验，衬垫间距一般取3050cm为宜,3、槽形母线的应力计算,双槽对X-X轴弯曲W=2WX； 双槽对Y-Y轴弯曲W=2WY；,槽形母线应力计算与矩形母线相同，由相间应力和槽间应力组成。相间应力计算同矩形母线，但截面系数W与矩形母线不同。,如用焊片将双槽焊成一体，则双槽对Y0-Y0轴弯曲，W=WY0。 槽形母线的WX、WY及WY0可从本书附表及有关手册中查得。,4、母线的共振校验,对重要回路和电流很大的母线，如发电机、主变压器电路的母线，汇流母线等，应进行共振校验。 为避免母线系统发生机械共振,要求母线系统的固有频率避开其共振频率.,计算槽间应力时，认为电流在两槽间平均分配,一般两半槽宽加上缝隙宽等于槽高,K1-2=1，b=h/2。,二、绝缘子和穿墙套管选择,支柱绝缘子应按安装地点和额定电压选择，并进行短路动稳定校验； 穿墙套管应按安装地点、额定电压和额定电流选择，并按短路条件进行动、热稳定校验。,(一)按安装地点选择支柱绝缘子和穿墙套管,一般用于屋内配电装置的选用户内式，用于屋外配电装置的选用户外式。当户外污秽严重时，应选用防污式。,(二)按电压条件选择支柱绝缘子和穿墙套管,(三)按电流条件选择穿墙套管,按照当地温度条件修正额定电流。 穿墙套管的额定电流按最高允许温度为85，周围环境的计算温度为40 给定的。当实际安装地点的周围环境温度在4060时，应将套管的额定电流乘以温度修正系数。,(五) 动稳定校验,(四) 热稳定校验,穿墙套管的热稳定参数一般以ts允许通过的热稳定电流It给出，其热稳定条件：,三相母线是通过支柱绝缘子或穿墙套管支持和固定的，短路时作用在母线上的相间电动力会传到支柱绝缘子上，为保证它们在这种情况下不受损坏，应满足下列条件,同平面布置的三相平行母线，三相短路时中间相受力最大。,绝缘子抗弯破坏负荷，是指作用在绝缘子帽上的，而三相短路时的电动力F是作用在母线中心的，则作用在绝缘子帽上的电动力,b-母线支持器厚度矩形母线竖放b=18mm；矩形母线平放及槽形母线b=12mm；,例3-3选择发电机出口母线及其支柱绝缘子。已知发电机UN=10.5kV,IN=1500A,最大负荷Tmax=3200h。发电机引出线三相短路电流数据为I=28kA,I0.1522kA,I0.3=20kA。继保动作时间tp=0.1s，断路器全分闸时间tb=0.2s。三相母线水平布置，绝缘子跨距L=1.2m，相间距a=0.7m，周围环境温度为28。导体弹性模量E=71010Pa，Nf=3.56。,查手册选用截面为2 (808)=1280mm2的矩形母线。 按导体平放，其Ial=1858A (25 )，Kf=1.27，W=bh2/3,解:1、发电机出口母线选择 (1)按经济电流密度选择母线截面。根据Tmax=3200h查得J=1.06(A/mm2)，求得母线经济截面：,满足母线正常发热要求。,(2)校验母线热稳定,短路前母线工作温度,查表3-2得C92，满足热稳定要求的母线最小截面,所选截面S=2808=1280mm214.8mm2，满足要求。,可不考虑母线共振问题。,(3)校验母线动稳定,查图3-4得导体形状系数K12=0.4单位长度条间的电动力,0.3m,2、母线支柱绝缘子选择 根据额定电压(10.5kV)和屋内装设的要求，选用ZB-10Y型支柱绝缘子，其抗弯破坏负荷Fp=3677N。 作用在绝缘子上的电动力,因母线为两片平放，此时F=F，,满足动稳定要求。,补充 选择发电机出口母线。已知UN=10.5kV,IN=1718A，最大负荷Tmax=3200h。发电机三相短路I=16kA，I214kA，I4=18kA。后备保护动作时间tp=4s，断路器全分闸时间tb=0.2s。三相母线水平布置，相间距a=0.4m，环境温度为35。导体弹性模量E=71010Pa，Nf=3.56。 解 (1)按经济电流密度选择母线截面 根据Tmax=3200h查得J=1.06(A/mm2)，则经济截面：,查手册选截面为2 (1008)=1600mm2的矩形母线。 导体平放，其Ial=2259A (25 )，Kf=1.3，W=bh2/3,满足母线正常发热要求。,(2)校验母线热稳定,查表3-2得C89.5,所选截面S=21008=1600mm384.6mm2，满足要求。,查图3-4得导体形状系数K12=0.34,(3)校验母线动稳定。,设条间衬垫间跨距为0.5m，条间应力为,单位长度相间电动力为,选取的绝缘子跨距,如设条间衬垫间跨距为0.4m，则取,3-7 电力电缆选择,电力电缆的选择内容包括： 电缆的额定电压； 电缆的芯线材料及型号； 电缆的截面和根数； 校验电缆的热稳定； 校验电缆正常运行时的电压损失。 电缆的动稳定不必校验。,一、电缆额定电压选择,电缆额定电压必须大于或等于所在电网的额定电压。,二、电缆芯线材料及型号的选择,电缆芯线材料有铝芯和铜芯两种，为了节约投资，一般选用铝材料。但当电缆被用于移动、剧烈振动、高温、腐蚀性等场所以及励磁回路和发电厂厂用电回路时，可选用铜芯材料。电缆的型号繁多，应根据电缆的用途、使用场所和敷设方式等具体情况进行选择。,选用电力电缆的一般情况是： 三相低压动力电缆一般选用三芯或四芯(四线制时)聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆； 厂用高压电缆选用纸绝缘铅包电缆，腐蚀性场所或技术经济合理时，可选用交联聚乙烯绝缘聚乙烯护套电缆； 110kV及以上高压电缆选用单相充油电缆； 直埋地下的电缆选用钢带铠装防腐电缆； 高温场所选用耐热型电缆； 潮湿或腐蚀场所选用塑料护套电缆； 敷设高差大的场所选用塑料电缆或不滴流电缆； 重要直流回路或保安电源回路的电缆选用阻燃型电缆。,三、电缆截面选择,电缆的长期允许工作温度有50、60、65、80等。额定温度在空气中为25，在地下及水中为15。 K1、K2、K3、K4可直接从有关设计手册中查得。,