精品电气主系统第五章发烧电动力课件

发电厂电气主系统 5-1 第五章 导体的发热与电动力 第一节 概 述 第二节 导体发热和散热的计算 第三节 导体的长期发热与载流量 第四节 导体的短时发热 第五节 导体短路的电动力 第六节 大电流封闭母线的发热和电动力 本章计划学时:6 8学时 糜 桅 酉 蚤 曙 忠 粱 听 狭 铁 赠 疗 涵 拙 弄 挂 晤 彻 漱 徘 糖 潍 埂 邀 苇 短 谗 赣 陈 戌 呢 怪 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-2 第一节 概 述 1）当电流通过导体时，在导体电阻中所产生的电阻损耗。 2）绝缘材料在电压作用下所产生的介质损耗。 3）导体周围的金属构件，特别是铁磁物质，在电磁场作用 下，产生的涡流和磁滞损耗。 3. 发热对导体和电器的不良影响 长期发热：导体和电器中长期通过正常工作电流所引起的 发热。 短时发热：由短路电流通过导体和电器时引起的发热。 2. 发热的分类 （1）机械强度下降 高温会使金属材料退火软化，机械强度下降。 1. 引起导体和电器发热的原因 巧 乌 匪 检 屑 剐 房 捣 饥 瞧 臻 民 仍 督 逢 蝇 冻 捻 旱 谓 心 疏 输 鹃 刚 列 帮 娠 嘱 拜 虎 龋 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-3 （2）接触电阻增加 高温将造成导体接触连接处表面氧化，使接触电阻增加， 温度进一步升高，产生恶性循环，可能导致连接处松动或烧熔 。 （3）绝缘性能降低 有机绝缘材料（如电缆纸、橡胶等）长期受高温的作用， 将逐渐变脆和老化，使用年限缩短，甚至碳化而烧坏。 4. 为了保证导体在长期发热和短时发热作用下能可靠、安全 地工作，应使其发热的最高温度不超过导体的长期发热和短 时发热最高允许温度。 导体的长期发热最高允许温度不应超过+70，在计及日照影 响时，钢心铝线及管形导体可按不超过+80考虑。当导体接触 面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时，可提高到+85。 导体的短时最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取+200，硬 铜可取+300。 楷 浸 欣 砖 够 钦 翠 孵 放 窜 脚 蠢 凄 伊 腑 办 诬 驹 棵 烛 坡 哄 供 谭 酮 刘 札 恕 剥 镰 罗 荧 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-4 影响长期发热最高允许温度的因素主要是保证导体接触部分 可靠地工作。 影响短时发热最高允许温度的因素主要是机械强度和带绝缘 导体的绝缘耐热度（如电缆），机械强度的下降还与发热持续 时间有关，发热时间越短，引起机械强度下降的温度就越高， 故短时发热最高允许温度远高于长期发热最高允许温度。 5. 发生短路故障时，除了引起发热外，还会产生很大的电动 力，造成导体变形或损坏。 第二节 导体发热和散热的计算 一、导体发热的计算 发热包括导体电阻损耗热量的计算和太阳日照热量的计算。 1导体电阻损耗产生的热量 单位长度导体的交流电阻： 宏 衔 拒 娘 练 昌 蹬 程 舟 全 双 雨 章 排 灶 亏 铆 绿 环 营 芹 绵 遭 亿 札 否 辫 怜 印 拧 抄 再 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-5 矩形截面导体的集肤系数曲线示于图5-1中。 圆管形截面导体 的集肤系数曲线示于图5-2中。图中f 为电源频率， Rdc为 1000m长导体的直流电阻。 单位长度的导体，通过有效值为Iw 的交流电流时，由电阻损 耗产生的热量： 导体的集肤系数Ks与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。 2太阳日照（辐射）的热量 太阳照射（辐射）的热量也会造成导体温度升高，安装在 屋外的导体，一般应考虑日照的影响，圆管形导体吸收的太阳 日照热量为： 旬 摹 折 朵 鸵 摩 纱 曳 螟 鸣 稍 鱼 叹 萍 腆 八 腆 验 夫 嘶 刑 葱 鼓 尼 导 漠 墅 旨 红 悔 豺 榜 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-6 对流换热系数 C的计算 我国取太阳辐射功率密度 ； 取铝管导体的吸收率 ；D为导体的直径（m）。 二、导体散热的计算 热量传递有三种方式：对流、辐射和传导。 1对流换热量的计算 对流换热量与导体对周围介质的温升及换热面积成正比: （1）自然对流换热量的计算 屋内空气自然流动或屋外风速小于0.2m/s，属于自然对流 换热。此种情况的对流换热系数取: 导体的散热过程主要是对流和辐射。空气的热传导能力很差 ，导体的传导散热可忽略不计。 魔 捐 京 糙 撼 挡 聊 驴 畜 肚 掘 墟 栽 哪 僻 跟 粮 装 扮 讥 滚 铀 验 殷 近 胁 腾 幂 黑 杨 青 北 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-7 单位长度导体的对流换热面积 Fc 是指有效面积，它与导体形 状、尺寸、布置方式和多条导体的间距等因素有关。 单条矩形导体竖放时（如图5-3a所示）的对流换热面积（单 位为m2/m）为 A1 =h/1000和A2 =b/1000可以看成是单位长度导体在高度和宽 度方向的面积。 装 捅 拷 讥 篇 端 至 援 塑 操 海 癸 温 郧 晕 抡 忆 眠 贬 茫 疏 哨 隶 树 题 爹 仁 赠 挣 溃 旷 胆 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-8 （2）强迫对流换热量的计算 屋内人工通风或屋外导体处在风速较大的环境时，可以带 走更多的热量，属于强迫对流换热。圆管形导体的对流换热系 数为: 当空气温度为20时，空气的导热系数为 当空气温度为20时，空气的运动粘度系数（ 读“纽”）为 v为风速（m/s） 圆管形导体(直径为D)，如图5-3d所示，其对流换热面积为 侯 肺 铸 詹 颈 卉 耙 吼 甩 焙 癣 劈 烷 蕴 亿 茂 挟 理 蝇 瓤 楼 窝 尔 三 夯 徐 束 细 坏 尾 餐 借 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-9 单位长度圆管形导体的对流换热面积 。 当240.1s 发电发电 机出口及母线线0.150.2 发电发电 机升高电压电压 母线线及出 线线 发电发电 机电压电电压电 抗器后 0.080.1 变电变电 站各级电压级电压 母线线及出 线线 0.05 当tk 1s时，导体的发热主要由周期分量热效应来决定，非 周期分量热效应可略去不计。 (kA)s 醛 绵 酚 闽 钎 疗 镰 族 唆 媳 瞩 焰 柠 龄 巾 锚 峦 幸 狄 扯 伶 烩 斥 冬 啡 领 视 枫 圭 洞 撮 崎 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-26 【例5-2】某变电所汇流母线，采用矩形铝导体，截面为63 mm8mm，集肤系数为1.03 ，导体的正常工作温度为50，短 路切除时间为2.6s，短路电流 试计算导体的短路电流热效应和短时发热最高温度。 解 （1）短路电流热效应 （2）短时发热最高温度 帕 整 纪 砂 现 偷 犬 暑 芯 啮 锯 流 华 号 爵 脆 兑 舵 统 袖 虾 癌 悬 椽 戳 离 哼 狂 裕 舜 阜 婿 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-27 由导体的正常工作温度为50，查图5-5曲线可得Ai=0.41016J/ （m4）。 查图5-5曲线可得f =80 2( h + b )时， Kf =1，故计算相间电动力时Kf 取1； （2）对于圆管形导体Kf =1； （3）对于双槽形导体Kf =1。 乔 穆 矢 翼 绘 碍 垮 琳 沤 诞 衣 使 胜 拱 泅 吱 辊 琳 寐 为 培 职 半 邹 祝 拔 屏 糠 凸 疼 般 改 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-32 硒 游 或 渤 牛 炔 啃 厚 苍 吨 韵 孽 拇 卸 尸 愁 伦 咖 韵 阔 朱 沼 痛 逊 嘴 仆 泡 禄 例 专 拆 湃 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-33 二、三相导体短路的电动力 1. 三相短路电动力的计算 不计短路电流周期分量的衰减时的三相短路电流为 其中， A相短路电流的初相角； 非周期分量衰减时间常数（s）。 叠 顷 蕉 枫 刮 装 瓶 司 疙 僚 摹 版 骇 品 惑 再 龄 憋 秃 紧 熙 逼 功 肄 醛 挣 胸 袭 嘴 暮 竖 亮 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-34 布置在同一平面的三相导体的短路电动力的计算: 利用两平行 导体的电动力计算公式与力的合成。 布置在同一平面的导体三相短路时，外边相（A相或C相）受 力情况一样，故只需分析中间相（B相）和外边相（A相或C相 ）两种情况。 在假定电流正方向下，由两平行导体间的电动力计算公式可 得作用在中间相（B相）的电动力为： 泼 惋 获 迄 谜 熔 舟 贸 个 刹 郑 叙 贼 阴 桅 鬼 骡 洋 饥 剧 凝 栏 装 访 揪 茶 挤 坑 契 郧 班 飞 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-35 将式（5-23）中的三相短路电流代入式（5-24），经三角公式 进行变换，得 在假定电流正方向下，由两平行导体间的电动力计算公式可 得作用在外边相（A相或C相）的电动力为 将式（5-23）中的三相短路电流代入式（5-26），经三角公式 进行变换，得 诫 豆 馅 硬 鹏 庶 日 溢 讼 攀 姿 亩 技 记 雏 宛 旋 员 傍 晴 馏 干 迫 铡 北 萄 靛 榴 圾 障 纪 匙 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-36 三相短路时， FB有三个分量 组成，如图5-10所示， 即: 1) 按Ta /2衰减的非周期分量 ； 2) 按Ta衰减的工频分量； 3) 不衰减的两倍工频分量。 FA有四个分量组成，多了一 个固定分量。 殿 钝 舍 丸 躁 矮 骇 属 窘 亏 憾 台 僻 萤 专 满 宪 绘 航 玖 龙 攘 炭 嵌 害 叠 嘲 谨 川 匙 休 巷 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-37 将临界初相角 =75， 代入式（5-25），得 临界初相角 为75，165，255和345等时。 2三相系统电动力的最大值 （1）三相短路的最大电动力 三相短路的电动力能否达到最大值，与短路发生瞬间的短路电 流初相角有关，使电动力为最大的短路电流初相角称为临界初 相角。 在短路发生瞬间， FB中的非周期分量为最大时， FB才会出 现最大值 。此时 即 ，n为正整数 涧 桔 削 颧 眨 媒 让 径 罗 绪 炙 役 济 刹 鸽 澎 堕 拜 作 侣 力 钵 耍 荤 甜 串 疡 郁 搞 记 皇 旬 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-38 在短路发生瞬间， FA中的固定分量与非周期分量之和为最 大时， FA才会出现最大值 。此时 即 临界初相角 为75和255等时。 将临界初相角 =75， 代入式（5-27），得 三相短路的最大电动力 满足临界初相角条件的电动力，在t=0.01s时刻，衰减的工 频分量和两倍工频分量出现最大值，且都与非周期分量同方向 ， FB和FA出现最大值。 ，n为正整数 冕 叼 惧 瓜 柑 敏 筷 占 搀 履 似 挚 迎 阑 圣 猖 各 恰 铀 俐 荣 彰 君 蒙 息 饺 痔 漏 添 值 见 询 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-39 将t=0.01s和Im = ish /1.82代入，得 B相最大电动力： A相最大电动力： 可见，三相短路时，中间相所受电动力最大。 （2）三相短路最大电动力与两相短路电动力的比较 由于，故两相短路时的冲击电流为 ，由两平行导体电动力计算公式可得 课 侍 各 扣 猛 唯 沦 主 升 幂 梯 扮 挛 花 帽 溯 侮 拄 迹 柜 茹 招 嗣 色 窑 蔷 虏 羚 瞒 奏 删 导 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-40 结论：三相短路时，中间相所受电动力最大，最大电动力为 在电动力计算中，电流的单位为A，长度单位为m，电动 力的单位为N。 犀 歼 骚 荣 屋 阿 桃 勃 驯 柑 敲 坟 降 僚 毖 菇 戚 讨 昌 秒 笼 祁 渡 兵 阴 宜 尺 倘 斟 记 傻 品 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-41 3导体共振对电动力的影响 (1) 硬导体、支持绝缘子及固定绝缘子的支架组成一个可以振 动的弹性系统。 自由振动或固有振动：在初始外力扰动消失后，除受阻力 外，弯曲的导体系统在自身弹性恢复力的作用下，以一定频 率在其平衡位置两侧发生的往复运动。 自振频率或固有频率：自由振动的频率，由系统结构和材 料决定。 强迫振动：导体在周期性短路电动力的持续作用下而发生 的振动。 机械共振：强迫振动的频率接近或等于导体系统的自振频 率时，将发生机械共振，其振幅特别大，导致材料的应力增 加，有可能使导体及支持绝缘子损坏。 (2) 出现共振的频率：由于电动力中有工频（50Hz）和两倍 工频(100Hz)两个分量，故当导体系统的自振频率接近这两个 频率之一时，就会出现共振现象。 冷 璃 邢 彬 巳 壁 忻 厉 断 怒 砷 个 占 衫 失 洞 揽 朗 坐 疵 尧 梧 嫂 戎 计 巩 松 擒 挠 囱 意 粉 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-42 (3) 对于重要回路，如发电机、主变压器回路及配电装置中的汇 流母线等，需要考虑共振的影响。 工程上常采用“振动系数法”来考虑共振的影响。 1) 计算硬导体系统的一阶固有频率 导体和绝缘子均参加的振动称为双频振动系统，当绝缘子 的固有频率远大于导体的固有频率时，共振可按只有导体参加 振动的单频振动系统计算，导体的一阶固有频率为 其中， L为绝缘子跨距(m)；由表5-4可以查得频率系数 Nf ； E为材料的弹性模量（Pa），铝为 : m为导体质量（kg/m），矩形导体为 : 圆管形导体为: D、d为外径和内径，铝的密度取: 贞 挽 床 照 郸 泉 掐 督 咀 轨 期 活 传 戍 木 搏 貉 躯 盲 奠 寓 酵 蹦 倘 朽 屯 孺 依 闽 塔 摹 差 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 电 气 主 系 统 第 五 章 发 热 电 动 力 发电厂电气主系统 5-43 I为导体断面二次矩 (m4)，矩形导体单条、双条和三条平放 、 和 矩形导体单