高铁变电所电气设备选择-电流的热效应、力效应分析

学校：短路电流的电动力效应短路电流的电动力效应当电流流过电气设备和载流导体时存在相互作用力，称为电动力。载流导体之间电动力的大小和方向，取决于电流的大小和方向、导体的尺寸、形状和相互间的位置及周围介质的特性。电动力的概念变形或损坏短路电流机械强度短路导体间的电动力磁场对载流导体的电动力式中：B——dl处的磁感应强度（T）；α——dl与B的夹角（rad）。电动力dF的方向由左手定则决定。

如图所示，通过电流i的导体I，处在外磁场B中，导体l上单元长度dl上所受的电动力dF为：（N）沿导体l全长积分，可得l全长上所受的电动力为：（N）短路电流的电动力效应两根平行细长均匀截流导体的电动力公式仅适用于圆形或管形截面的导体。对于非圆形截面，如矩形截面的两平行母线，其截面周长的尺寸远小于两导体的空间距离时，该公式也同样适用。在上述表达中两平衡导体相互作用的电动力方程式：导体长度

：两根平行导体中心间距。、：任意时刻短路全电流的有效值（A），因短路电流非周期分量随时间衰减，IKt也随时间而变化；短路电流的电动力效应当两根平行矩形截面母线相邻很近时（如大工作电流配电装置中的各相母线、有多条时、条间距离很小），母线电动力的计算公式应乘以形状系数K2进行修正：两根平行细长均匀截流导体的电动力短路电流的电动力效应两根平行细长均匀截流导体的电动力

形状系数Ks可由图所示的函数关系曲线查得。其中a、b、h分别为母线轴间距离、母线宽度、母线高度。图中可见，当母线立放时，则Ks＜1当母线平放时则Ks＞1但最大不超过1.4。若

即母线的空间间距大于或等于矩形截面周长2（b+h）时无论m值怎么样，其形状系数Ks均接近于1。决定矩形母线形状系数的曲线短路电流的电动力效应在三相平行导体中，当发生两相短路时，流到短路点的故障相电流大小相等、方向相反。当导体通过短路电流时，通常按短路开始时的最大冲击短路电流计算导体或母线间的最大相互作用力。则故障相导体间的最大电动力（斥力）为：同一平面内三相平行截流导体间的电动力：两相短路冲击电流（kA）式中短路电流的电动力效应

如图所示，为了研究三相平行导体发生三相短路时各相导体所受电动力的情况，先在图中U、V、W三根导体中分别通入三相短路电流（不计非周期分量）为：同一平面内三相平行截流导体间的电动力三相平行导体受力分析短路电流的电动力效应式中：为短路电流周期分量幅值（A），从图中可以看出当三相导体平行布置在同一平面内时，每相导体的电流同时受另外两相电流磁场的作用。作用于每相导体的电动力，决定于该导体中的电流与其他两相电流的相互作用力。边缘相U相、W相与中间相V相导体上所受的的电动力并不相同。同一平面内三相平行截流导体间的电动力三相平行导体受力分析短路电流的电动力效应同一平面内三相平行截流导体间的电动力

中间相V相所受的电动力为：

边缘相（以U相为例）上所受的电动力为（假设）：三相平行导体受力分析短路电流的电动力效应同一平面内三相平行截流导体间的电动力当wt=75°时，边缘相U或W相所受电动力最大，为：当wt=105°和wt=75°时，V相所受电动力最大，为：其中负号表示最大电动力受力方向与原设方向相反并进行整理化简后取，可以得到以下结论。

将式带入式与式短路电流的电动力效应同一平面内三相平行截流导体间的电动力式中：三相短路冲击电流，kA。比较和可以看到当布置在同一平面内的三相平行导体中通过三相短路电流时，中间相导体所受电动力最大。在实用中，我们最关心的是短路过程中电动力的最大值，所以，只有当中的IM为短路冲击电流时才有真正的最大值:短路电流的电动力效应同一平面内三相平行截流导体间的电动力比较与式可得：显然，三相短路时导体所受电动力比两相短路时导体受力更大，即三相短路时在中间相导体上的破坏力最严重。所以，在对母线、瓷瓶以及各电气设备的动稳定性校验时，均以三相短路时所产生的最大电动力来考虑。短路电流的电动力效应学校：短路电流的热效应短路电流的热效应电流的热效应概念高压电气设备和载流导体通过电流时，导体和其接触部分的电阻产生的功率损耗、导体周围的金属材料，特别是铁磁物质在交变磁场中因涡流产生的损耗、导体周围的绝缘材料在电场作用下产生的介质损耗等，几乎将全部转变为热能。传导、辐射或对流导体本身发热，温度升高机械强度/承受电动力/绝缘老化使用寿命负荷电路的热效应短路电流的热效应电气设备流过负荷电流及短路电流时的温度变化曲线如图所示。0-t1时刻内，设备未为投入运行；t1-t2时刻内,设备投入运行；t2时刻发生短路；t3时刻短路被切除。导体通过电流时温度的变化曲线负荷电路的热效应短路电流的热效应导体通过电流时温度的变化曲线在t1-t2时刻内，电气设备和载流导体连续通过恒定负荷电流ＩL。我国采用的计算环境温度θ0N电气设备和穿墙套管，θ0N

=40℃埋入地中的电力电缆θ0N

=15℃母线、架空导线和电力电缆电缆θ0N=25℃负荷电路的热效应短路电流的热效应

在规定的计算环境温度θ0N下，电力设备流过额定电流IN时，导体稳定温度将上升到正常发热允许温度θLa。序号电气部分名称最高允许发热温度介质温度40℃时的温升在空气中(℃)在油中(℃)在空气中(℃)在油中(℃)1不与绝缘材料接触的载流与不载流的金属部分1159075502与绝缘材料接触的载流和不载流的金属部分以及由绝缘材料制成的零件，当绝缘等级为：YAE、B、F、H、C

85100115

9090

456075

50503最上层变压器油：（1）作为灭弧介质时（2）只作绝缘介质时

——

8090

——

40504接触连接：（1）由钢或其合金制成，没有银覆盖层；用螺栓.螺纹.柳钉和其他能保证紧固连接方法压紧的（2）用弹簧压紧的（3）由铜和其合金制成，有镀银层（4）由银制成或表面带有焊接的银片

80

7590105

85

809090

40

355065

45

405050我国规定的各种载流部分长期发热(正常发热)的允许温度表负荷电路的热效应短路电流的热效应应用时须注意：当环境温度不等于θ0N时，其额定电流将发生变化，此时应将额定电流θ0N乘以温度修正系数Kθ作为实际环境温度下的额定电流。公式中θ0N应修正为θ0当流过设备的负荷电流不等于额定电流时，在计算环境温度θ0N下，负荷电流发热稳定温度θL可用下式计算：负荷电路的热效应θL=θ0N+(θLa-θ0N)(IL/IN)²θL=θ0+(θLa-θ0)(IL/KθIN)²短路电流的热效应当系统发生短路故障时，通过导体的短路电流要比正常工作电流大很多倍。虽然继电保护装置能在很短的时间内切除故障，但导体的温度仍有可能被加热到很高的温度，导致电气设备的破坏。短路电流发热计算的目的就在于确定导体短路时的最高温度，再与该类导体在短路时的最高允许温度相比较。短路电流的热效应为什么进行短路电流发热计算短路电流的热效应在图中，t2到t3的时间是短路电流发热时间，它等于主继电保护动作时间加上断路器的分闸时间。由于这个时间很短，短路电流通过导体产生的热量来不及向周围散失，全部用于使导体温度升高。短路电流的热效应短路电流的热效应导体通过电流时温度的变化曲线导体的材料和种类短时最高允许温度导体的材料和种类短时最高允许温度母线

铜铜(有锡覆盖层接触面时)铝钢(不和电气设备直接连接)钢(和电气设备直接连接)

300200200420320

充油纸绝缘电缆（60～330kV）橡皮绝缘电缆聚氯乙烯电缆150

150120交联聚乙烯电缆铜芯铝芯230200油浸纸绝缘电缆

铜芯10kV及以下铝芯10kV及以下20～30kV250200175

有中间接头的电缆(不包括聚氯乙烯电缆)150短路时发热最高允许温度表短路电流的热效应短路电流的热效应短路电流的热平衡方程式短路电流的热效应Ikt：任意时刻短路全电流的有效值（A），因短路电流非周期分量随时间衰减，IKt也随时间而变化；Rθ：温度为θ℃时导体的电阻其值为；cθ：温度为θ℃时导体的比热（W·s/g）其为；G：导体总质量(g)。I2kt·R

θdt=cθ·Gdθ短路电流的热效应为计算方便，工程上按铜、铝、钢的ρ0、c0、γ、α、β等参数作出了A=f(θ)

曲线。

当已知θ求A或者已知A求θ时，均可直接查曲线求得。短路电流的热效应短路电流的热效应短路发热的A=f(θ)曲线确定在实际计算中，通常采用等效方法进行计算，即假定在短路整个过程中始终以稳态短路电流：I∞流通，它在假想时间tim内所产生的热量等于实际短路电流Ikt在实际短路时间内所产生的热量，即：短路电流的热效应短路电流的热效应假定时间tim短路电流的热效应短路电流的热效应求出Ak

:可求得