发电厂电气部分_第3章.ppt

发电厂电气部分,第3章常用计算的基本理论和方法,本章学习的主要内容,载流导体发热理论电动力理论电气设备及主接线的可靠性分析主接线方案的技术经济分析,载流导体发热理论部分的相关内容,发热对电气设备的影响长期发热和短路时发热的特点通电导体的温升过程分析导体的载流量和运行温度计算短路时发热温度的计算方法及应用大电流导体附近的钢构发热问题及解决办法大电流封闭母线运行温度的计算,电动力理论,两平行载流导体上受到的电动力及其计算三相导体短路时的受力情况进行分析三相导体短路时的最大短路电动力计算导体振动的动态应力分析及计算分相封闭母线的电动力计算,3.1概述（1）,3.1.1运行中的电气设备发热的致因1.载流导体的电阻损耗；2.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；3.绝缘材料内部的介质损耗等。上述损耗都会转变成热量使电气设备的温度升高。(即电器元件、设备在工作中都有热损耗。热源P（W）能耗（零部件的）温度升高),3.1概述（2）,3.1.2电气设备发热的分类为分析问题方便通常分为：1.长期发热由正常工作电流产生。2.短时发热由故障时的短路电流产生。,3.1概述（3）,3.1.3、发热对电气设备的影响发热引起的主要问题：使材料的物理、化学性能起变化，机械性能和电气性能下降，最后导致电器设备的工作故障，甚至造成严重事故。具体可归纳如下：,1.使绝缘材料的绝缘性能降低,有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐老化，以致失去弹性和降低绝缘性能。绝缘材料老化的速度与使用时的温度有关。因此，对不同等级的绝缘材料，根据其耐热的性能和使用年限的要求，应规定相应使用温度。在使用过程中如超过这一温度，绝缘材料将加速老化，大大缩短使用寿命。,2.使金属材料的机械强度下降,当使用温度超过规定允许值后，由于退火，金属材料机械强度将显著下降。例如当长期发热温度超过：l000C（铝）1500C（铜）短时发热温度超过：2000C（铝）2500C（铜）时，其抗拉强度显著下降，因而可能在短路电动力的作用下变形或损坏。,3.使导体接触部分的接触电阻增加,当发热温度超过一定值时，接触部分的弹性元件就会因退火而压力降低，同时发热使导体表面氧化，产生电阻率很高的氧化层（银的氧化层电阻不大），使接触电阻增加，引起接触部分温度继续升高，将会产生恶性循环，破坏正常工作状态。,3.1.4保证导体可靠地工作最高允许温度,为了保证电器设备在工作年限内可靠工作，必须限制各种材料的发热温度，使其不超过一定数值，这个温度就是最高允许发热温度，简称最高允许温度a。材料不同，作用不同，允许的a不同。通常设：周围空气温度为0；零部件温度为；当零部件温度0时，则温升0；按标准，0取最不利的情况：+40,1.导体正常工作时最高允许温a,一般不超过700C；在计及太阳辐射（日照）的影响时：钢芯铝绞线及管形导体，可按不超过80来考虑；当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时：允许提高到850C；当有银的覆盖层时：可提高到95。,2.导体通过短路电流时最高允许温度,硬铝及铝锰合金：可取2000C，硬铜：可取3000C。可见可见短时最高允许温度可高于正常最高允许温度,3.1.5导体的发热和散热计算,根据能量守恒原理有热平衡式：导体的（发热量散热量）使导体温度升高的热量求解长期发热所对应的热平衡式，可得到：1.长期发热的温升及其过程；2.导体的允许载流量。求解短时发热所对应的热平衡式，可得到：1.短时发热的最高温度h；2.与短时发热量相对应（成比例）的短路热效应Qk（电气设备的发热耐受能力技术参数）。因此需对热平衡式中的各发热量、散热量进行计算。,1.导体的发热和散热,导体的发热：来自导体电阻损耗的热量；日照（当导体放置在露天时）。热量的耗散有：对流、辐射、导热三种形式。,1.导体的发热和散热续1,发热量和散热量计算式,发热量计算式,散热量计算式,导体电阻损耗引起的发热量QR,吸收太阳辐射的热量Qt,导体对周围辐射散热量Qf,空气对流使导体散去的热量Ql,2.导体温度的升高及热平衡式,在稳定状态时：若QRQtQfQl则导体不会有温升（导体温度与环境温度相等）。（由于空气导热量很小，因此裸导体对空气的导热散热量Qd可略去不计）。若发热量之和QRQt散热量之和QfQl，则导体温度升高（高于环境温度），热量为Qc。,通电导体温度不升高时的热平衡式：,（1）通电导体电阻损耗的热量QR的计算,常用电工材料的电阻率及电阻温度系数如表3一1所示。,导体的集肤效应系数,导体的集肤效应系数与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。矩形截面导体的集肤效应系数，如图31所示。,导体的集肤效应系数2,圆柱及圆管导体的集肤效应系数，如图32所示。图中f为电源频率，Rdc,为100m长导体的直流电阻。,（2）导体吸收太阳辐射的热量Qt计算,（3）导体对流散热量Ql计算,1）自然对流散热系数,2）强迫对流散热系数,单位长度导体的散热面积与导体尺寸、布置方式等因素有关。导体片（条）间距离越近，对流条件就越差，故有效面积应相应减小。以下是几种常用导体（如图3一3所示）的对流散热面积。,a.单条导体的散热面积,b.二条导体的散热面积,c.三条导体的散热面积,d.槽形导体的散热面积,e.圆管形导体的散热面积,（4）导体辐射散热量Qf的计算,导体材料的辐射系数,单条导体辐射表面积,两条导体辐射表面积,三条导体、槽形导体导体的辐射表面积,（5）导热散热量Qd的计算,3.2导体正常运行时的（长期）发热与短路时的（短时）发热计算,3.2.1长期发热计算3.2.2短时发热计算,学习长期发热计算后应了解和掌握的内容,1.导体正常工作时的温升过程分析与计算2.长期发热温升的特点3.导体载流量的计算4.大电流附近的钢构发热5.大电流封闭母线运行温度的计算,学习短时发热计算后应了解和掌握的内容,1.计算短时发热的目的2.导体短路时的发热分析过程3.短路电流热效应的计算方法,3.2.1长期发热计算,1.导体正常工作时的温升过程分析由热平衡式(室内、不含日照发热量Qt)：QcQR（QlQf）或QRQcQlQf（312）QR为导体流过电流发热产生的热量。Qc为导体温度升高所需的热量，当其为零时导体无温升。（QlQf）w（w0）F为对流、辐射复合散热总散热量。F导体的散热面积，m2w对流、辐射复合散热总散热系数。,热平衡式（312）的求解与分析,长期发热温升的特点,由,这就是长期发热温升的特点,2.导体载流量的计算,稳定温升为：,可见：导体（或电器）的载流量与其材料、有效截面积、环境温度、散热条件、是否受日照等因素有关，这就是额定电流的由来。,提高导体的载流量措施,当导体的材料、尺寸、散热条件确定之后，导体的载流量亦随之确定（电气设备额定电流的确定为同理）。增加（320）（321）式中的分子，减小其分母可提高导体的载流量，通常的措施有：采用电阻率小的材料，如铝、铝合金等。在同样截面积的条件下，采用表面积较大得导体的形状（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）。,3.大电流附近的钢构发热,刚构发热的原因：磁滞、涡流损耗。导体电流大于3000A时，附近的的措施不容忽视。钢构发热可能引起的不良后果。减少钢构发热的措施的措施：P64,钢构发热可能引起的不良后果,使材料产生热应力而引起变形。使接触连接损坏。混凝土中的钢筋受热膨胀，会使混凝土发生裂缝。钢构发热的最高允许温度规定：人可触及的钢构为70oC；人不可触及的钢构为100oC；混凝土中的钢筋为80oC。,减少钢构热损耗和发热的常用措施,（1）加大钢构和导体之间的距离使磁场强度减弱，因而可降低涡流和磁滞损耗。（2）断开钢构回路，并加上绝缘垫消除环流。,减少钢构热损耗和发热的常用措施（续1）,（3）采用电磁屏蔽在磁场强度H最大的部位套上短路环（铝环或铜环），利用短路环中感应电流的去磁作用以降低导体的磁场，如图3一6所示；在导体与钢构之间安置屏蔽栅，栅中的电流亦可使磁场削弱。,减少钢构热损耗和发热的常用措施（续2）,（4）采用分相封闭母线。如图3一7所示，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，壳内和壳外磁场均大大降低，从而使附近钢构发热得到较好改善。,4.大电流封闭母线运行温度的计算,主要内容：（1）大电流封闭母线（全连式分相封闭母线）的使用场合；（P65）（2）分相封闭母线的优点；（P65）（3）大电流封闭母线的发热和散热的计算式；（4）大电流封闭母线运行温度的计算。（采用工程算法利用外壳总散热曲线、母线850C时的总散热曲线、母线散热差值与母线实际温度的关系曲线）,（1）大电流封闭母线的发热和散热,1）封闭母线的发热母线导体的发热损耗计算母线外壳的发热损耗计算2）封闭母线的散热母线的散热量计算（母线向外壳的辐射散热和对流散热）外壳的散热量计算（外壳对周围空气的辐射散热和自然对流散热）,（1）大电流封闭母线的发热和散热,1）封闭母线的发热计算,母线导体的发热损耗计算,母线外壳的发热损耗计算,（1）大电流封闭母线的发热和散热续1,2）封闭母线的散热,母线的散热量计算,外壳的散热量计算,母线向外壳的辐射散热量,母线向外壳的对流散热量,中间相（B相）外壳的辐射散热量,外边相（A、C相）外壳的辐射散热量,外壳的自然对流散热量,封闭母线及其结构,发变组之间的引出线采用敞露式，容易受到外界的影响，如表面积灰和发生相间短路等，使运行可靠性降低。我国20万一90万kW机组的母线，已广泛采用全连式分相封闭母线，称为大电流封闭母线。全连式分相封闭母线结构：母线由铝管制成，每相母线各封装在单独的外壳内，外壳两端用短路板连接起来。其结构参见图3一8所示,分相封闭母线的优、缺点1,优点：运行可靠性高因母线置于外壳中，能防止相间短路，而且外壳多点接地，可保障人体接触时的安全；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，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。,分相封闭母线的优、缺点2,缺点：母线散热条件较差；外壳上产生损耗；金属消耗量增加。,1）封闭母线的发热,2）封闭母线的散热,（2）大电流封闭母线运行温度的计算,根据前述的封闭母线的发热和散热计算式，列出热平衡方程式解出母线运行温度w。工程算法是利用三条工程曲线（参见P67、P68）,大电流封闭母线运行温度计算（工程曲线的应用）,1）外壳的总散热曲线如图3一9所示。将式（(3-26)、式(3-27)式（3-28）相加起来，即得:计算出Qs即可查曲线得sQsQRQwRQsR,2）母线的总散热曲线如图3一10所示。利用式（(3一24）和式（(3一25)，并假定母线温度。，859C，便可得到：算出s即可由曲线查出Qw85,3）Qw，与w，的关系曲线如图3一11所示QwQwQw85QwQwRQwR、QsR为母线的发热损耗、外壳的发热损耗，可直接算得。,3.2.2短时发热计算,1.计算短时发热的目的2.导体短路时的发热过程分析短时发热的特点热平衡方程式的分析计算计算结果式的应用3.短路电流热效应Qk的定义及其计算定义计算方法,1.计算短时发热的目的,（1）确定导体的最高温度（2）或算出与导体的最高温度相对应的短路电流热效应Qk,2.导体短路时的发热过程分析短时发热的特点,1）发热时间短，是一个绝热过程产生的热量来不及向周围介质散布，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）电阻和比热容不能再视为常数短路时导体温度变化范围很大，它的，而应为温度的函数。,短路时导体的发热过程如图3一12所示从短路开始（tw)到短路被切除（tk）这段极短的时间内，导体的温度从初始值w，很快上升到最大值h。在短路被切除后，导体的温度从最大值h、自然冷却到周围环境温度o,热平衡方程式的分析计算,计算结果式的应用,3.短路电流热效应Qk的定义及其计算,（1）等值时间法计算QkQpQnp,（2）实用计算法计算QkQpQnp,3.3载流导体短路时的电动力计算,一、计算电动力的方法二、三相载流导体短路时的电动力三、分相封闭母线的电动力计算,3.3.1计算电动力的方法,电动力是磁场对载流导体的一种作用力。电气设备在正常状态下，由于流过导体的工作电流相对较小，相应的电动力也较小，因而不易为人们所察觉。而在短路时，特别是短路冲击电流流过时，电动力可达到很大的数值，当载流导体和电气设备的机械强度不够时，将会产生变形或损坏。为了防止这种现象的发生，必须研究短路冲击电流产生电动力的大小和特征，以便选用适当强度的导体和电气设备，保证足够的动稳定性。必要时应采取限制短路电流的措施，以减小短路电动力。,计算电动力的方法有：1.毕奥一沙瓦定律计算2.能量守恒定理计算（略）,1.毕奥一沙瓦定律法计算电动力,如图3一16所示，处在磁场中的导体L，通过电流i，根据毕奥一沙瓦定律可知，导体单元长度dl上所受的电动力dF为,将式（3一44)沿导体L的全长积分，可得到导体L全长上所受的总电动力为,2两条平行导体间的电动力的计算,因配电装置中，导体都是平行布置的，所以在分析三相导体受力情况之前，先分析两根细长平行导体间的电动力。,利用式（3一45）来确定两条载流导体间的电动力，可以认为一条导体处在另一条导体的磁场里。设载流导体1中的电流i1在导体2处所产生的磁感应强度为,矩形截面、槽形截面的形状系数k参见图3-18、表3-4对于图3-18而言，,3.3.2三相载流导体短路时的电动力,1.电动力的计算,边相、中相的三相短路电动力组成及分量,2.电动力的最大值,FA的最大值出现在固定分量和非周期分量之和为最大的瞬间，此时临界初相角A=75o或255o等。FB的最大值出现在非周期分量为最大的瞬间，此时临界初相角A为75o,165o,255o及345o等。将临界初相角分别代人电动力表示式（3-49）和式（3-50)，一般取Ta=0.05s,得到：,两相短路和三相短路时的电动力比较,3.导体振动时的动态应力,3.3.3分相封闭母线的电动力计算,采用分相封闭母线后，邻相母线产生的磁通穿人本相时，因受到外壳屏蔽作用而大大减弱。母线通过短路电流时，受到壳内磁场的作用，经推导得出三相短路时的电动力为：,3.4电气设备及主接线的可靠性分析,一、基本概念二、可靠性的主要指标三、电气主接线的可靠性,3.4.1基本概念,发电厂和变电站能否完成规定的功能与电气设备及主接线有着密切的关系。对电气设备及主接线进行可靠性分析计算的主要目的，是通过设备的可靠性数据来分析计算电气主接线的可靠性，将其分析计算结果用作：,（1）设计和评价电气主接线的依据；（2）选择最优方案的依据；（3）对已经运行的主接线，寻求可能的供电路径，选择最佳运行方式；（4）寻找主接线的薄弱环节，以便合理安排检修计划和采取相应对策（5）研究可靠性和经济性的最佳搭配等。,可靠性分析计算结果用于：,1可靠性的含义,系统是由许多元件组成元件不能再分解元件与系统是相对的可靠性定义：元件、设备和系统在规定的条件下和预定时间内，完成规定功能的概率。,电气主接线的可靠性定义,在规定的额定条件下和预定的时间内（例如一年）完成预期功能状况的概率。预定的功能可规定一些判据来衡量。衡量主接线完成功能和丧失功能的判据：保证某回路或某若干回路供电连续性的概率；保证发电出力的概率；保证母线电能质量的概率目前，在设计主接线时，多以保证连续供电和发电出力的概率作为可靠性计算的判据。,2.从可靠性观点看电气设备的分类,电力系统中使用的设备（元件）可分为两类：可修复元件和不可修复元件。可修复元件：经过一段时间工作后，发生了故障，经过修理能再次恢复到原来的工作状态的设备，如断路器、变压器等。不可修复元件：工作一段时间后，发生了故障不能修理，或者虽能修复但不经济的设备，如电阻、电容等。可修复系统：由可修复元件组成的系统。,电气主接线属于可修复系统,电力系统中使用的绝大部分设备，如发电机、变压器、断路器、母线和输电线路等都属于可修复元件，因此电气主接线亦属于可修复系统。,3电气设备的工作状态,基本上可分为两种：(1)运行状态（工作或待命）可用状态，即元件处于可执行它的规定功能的状态(2)停运状态（故障或检修）不可用状态，即元件由于故障处于不能执行其规定功能的状态。不可用状态中计划停运状态是事先安排的。强迫停运状态是随机的。为简化分析，可靠性研究中不包括计划停运状态。,可修复元件的寿命过程流程图,图中“1”表示运行状态，“0”表示停运状态，持续工作时间TU和持续停运时间TD都是随机变量，元件运行一段时间TU1后，随机地发生故障，为恢复其功能进行修理，经TD1时间后又投人运行。整个元件的寿命处在“运行”、“停运”两种状态的交替之中，是一个循环过程。,3.4.2可靠性的主要指标,可靠性指标既可以从成功（及完成某功能）的角度来描述，也可以从失败（失效）的角度来描述。常用的指标有：可靠度、可用度、故障率、平均无故障时间（又称平均工作时间）和平均停运时间。,1不可修复元件的常用可靠性指标,（1）可靠度R（t）一个元件在预定时间内和规定条件下，执行规定功能的概率。（2）不可靠度F（t）与可靠度相反，不可靠度函数F(t）表示元件在小于或等于预定时间t发生故障的概率。（3）故障率（t）对一个不可修复元件，故障率表示元件在t时刻以前处于正常工作状态，在t时刻以后的下一个时间间隔t内发生故障的条件概率。（4）平均无故障工作时间（Meantimetofailuer）MU是元件连续工作时间TU随机变量的数学期望,各指标之间的关系,可靠度R（t）与不可靠度F（t）是时间的函数。两态情况下,下面关系成立：元件的可靠度和不可靠度是对立的事件，其概率之和等于1，所以当t=0时，R(t)1；t,R(t）0。这说明元件在开始运行时是完好的，可靠度R(0)1，但在工作无穷大时间以后，元件必然发生故障（失效），故R(）0。R(t)表示可靠度在时间上如何从1向0减小的情况，（如图3一25所示）。不可靠度和可靠度说明的问题相同。设总共有n个相同元件，运行t时间以后已有nf(t)个元件损坏，还剩ns(t)个元件完好，则有,可靠度、不可靠度和故障率三者的关系,f(t)称为故障密度函数是不可靠度F(t)对时间t的一阶微分，表示单位时间内发生故障的概率。故障率函数为故障密度函数f(t）与可靠度函数R(t）的比。式（3一66）表明可靠度、不可靠度和故障率三者的关系，对元件的大量观测统计，可以找出R(t)或F(t)=1-R(t)，则可按式（3一66）求得（t）,设备可靠度R(t)是以故障率（t）对时间积分为指数的指数函数，这个结论非常重要故障率越小可靠度越高。当（t）=为常数时设备可靠度R(t)按时间呈指数分布，并且只与故障率一个参数有关，不反映设备的维修状态，所以只能用作描述不可修复元件的靠性。,平均无故障工作时间MU与故障率（t）的关系,根据期望的定义MUMU由式（(3一73）可见，在上述条件下平均无故障工作时间MU和该设备的故障率互为倒数。当故障率为常数又时，设备的平均无故障工作时间MU=1/也是一个常数。,故障率（t）的典型形态,故障率（t）的典型形态如图3-26所示,其形似浴盆，故称浴盆曲线。对可修复元件讲，原则上示每件设备都能经历故障率曲线的各个阶段。而不可修复设备由于寿命只有一次，在曲线上只有一个点来表示。,2可修复元件的可靠性指标(1),（1）故障率(t）元件由运行状态向停运状态的转移概率密度（或单位时间内（如一年）元件发生故障而停运的次数）（2）修复率(t）元件由运行停运状态经过修理后转向运行状态的转移概率密度（表示修理能力的指标平均单位时间内能修复设备的台数）（3）平均修复时间MD元件连续停运时间TD随机变量的数学期望，亦称平均停运时间。（4）平均运行周期TS可修复元件的平均故障间隔时间（Meantimebetweenfailure），或称为平均运行周期。,2可修复元件的可靠性指标(2),（5）可用度A又称可用率、有效度，是指稳态下元件或系统处于正常运行状态的概率。可用度与可靠度的不同在于，可靠度的定义中要求元件在时间区间0,t连续地处于工作状态，而可用度则无此要求。故而可用度能确切地描述可修复元件的有效程度。（6）不可用度（又称不可用率、无效度）指稳态下元件或系统失去规定功能而处于停运状态的概率，是可用度的对立事件，。（7）故障频率表示设备在长期运行条件下，每年平均故障次数，为平均运行周期TS的倒数,各可靠性指标的数学表达式及其相互关系（1）,平均修复时间平均运行周期可用度,各可靠性指标的数学表达式及其相互关系（2）,不可用度故障频率,算例【例36】,3.电气主接线的可靠性指标（1）,发电厂和变电站的电气主接线由发电机、变压器、断路器、母线和输电线路等元件组合而成，设备多、连接复杂，各种设备的操作、计划检修及故障，对整个主接线的可靠性都有影响。主接线可靠性的判据随着主接线的功能及在电力系统中地位不同而异。例如：对终端变电站，其可靠性判据就是对低压母线供电的可靠程度；对中间变电站，其可靠性判据除要考虑对低压母线供电的可靠程度外，还要考虑保证高压侧功率流动交换的可靠程度等。,3.电气主接线的可靠性指标（2）,对主接线可靠性的衡量以是否保证连续供电和保证发出给定电力的概率为基本判据，如果不能连续供电就算系统不可靠，对发电系统，即使连续供电，只要发电容量不能满足负荷需求就算不可靠。主接线的可靠性指标用某种供电方式下的可用度A、平均无故障工作时间TU、每年平均停运时间TD和故障频率等表示。,3.4.3电气主接线的可靠性计算,1.串联系统如果系统中任何一个元件发生故障，便构成系统故障，这种系统称为串联系统。注意这里所说的“串联”一词，与电路中元件的串联概念不