发电厂电气部分-第三章-常用计算的基本理论和方法PPT课件.ppt

第三章常用计算的基本理论和方法 北方民族大学电信学院电气工程系 1 主要内容 导体载流量和运行温度计算载流导体短路时发热计算载流导体短路时电动力计算电气设备及主接线的可靠性分析技术经济分析小结 2 目标和要求 了解发热对电气设备的影响及导体发热和散热的平衡关系 掌握导体载流量的计算 大电流封闭母线运行温度的计算 三相导体短路时电动力的计算 了解电气设备及主接线可靠性分析的基本概念 主要指标 熟悉电气主接线可靠性的计算程序 熟悉技术经济分析的内容 基本原则及常用的分析方法 重点 导体载流量计算 载流导体短路时发热计算 三相导体短路时的电动力的计算 难点 载流导体短路时发热计算 短路电流热效应计算 本章学习要点 3 3 1导体载流量和运行温度计算 一 概述电气设备在运行时有两种工作状态 即正常工作状态和短路工作状态 电气设备在工作中将产生各种损耗 如a 铜损 b 铁损 c 介损 热能 温度升高 4 长期发热 导体在正常工作状态下由工作电流长期通过产生的发热 短时发热 导体在短路工作状态下由短路电流产生的发热 两种工作状态时的发热 1 短路电流大 发热量多2 时间短 热量不易散出 短时发热的特点 在短路时 导体还受到很大的电动力作用 如果超过允许值 将使导体变形或损坏 导体的温度迅速升高 5 正常时 70 计及日照 80 表面镀锡 85 短路时 硬铝及铝锰合金 200 硬铜 300 最高允许温度 为了保证导体可靠的工作 须使其发热温度不得超过一定期限 这个期限叫做最高允许温度 6 二 导体的发热和散热 导体的发热 导体电阻损耗的热量导体吸收太阳辐射的热量导体的散热 导体对流散热导体辐射散热导体导热散热 7 导体电阻损耗的热量 8 导体吸收太阳辐射的热量 9 由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程 称为对流 Fl 单位长度导体散热面积 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 导体对流散热量 10 由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程 称为对流 W 导体温度 0 周围空气温度 导体对流散热量 11 由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程 称为对流 1 自然对流散热 al 对流散热系数 根据对流条件的不同 有不同的计算公式 2 强迫对流散热 强迫对流风向修正系数 强迫对流散热量 导体对流散热量 12 导体辐射散热量 热量从高温物体以热射线方式传给低温物体的传播过程 称为辐射 导体材料的相对辐射系数 又称黑度 与导体材料表面状态及温度有关 Ff 单位长度导体的辐射散热面积 依导体形状和布置情况而定 13 14 导热散热量 固体中由于晶格振动和自由电子运动 使热量由高温区传至低温区 而在气体中 气体分子不停地运动 高温区域的分子比低温区域的分子具有较高的速度 分子从高温区运动到低温区 便将热量带至低温区 这种传递能量的过程 称为导热 导热系数 导热面积 物体厚度 15 三 导体载流量的计算 通过分析导体长期通过工作电流时的发热过程 计算导体的载流量 长期允许电流 16 17 影响导体载流量的因素材料 电阻率小的材料 形状 同样截面积 矩形 槽形比圆形导体表面积大 布置 竖放比平放散热好 18 提高导体载流量的措施 减少导体电阻 采用电阻率较小的材料 减小导体的接触电阻 增大导体的截面积 增大导体的换热面积 采用周边最大的截面形式 采用有利于增大散热面积的方式布置 提高换热系数 强迫冷却 室内裸导体表面涂漆 采用最佳散热方式 19 例题 20 解 1 求交流电阻 21 22 23 四 大电流导体附近钢构的发热 1 钢构发热的原因2 钢构发热的危害3 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 混泥土中的钢筋为80 24 4 减少钢构损耗和发热的措施 加大钢构和导体间的距离 使磁场强度减弱 因而可降低涡流和磁滞损耗 断开钢构回路 并加上绝缘垫 消除环流 采用电磁屏蔽 采用分相封闭母线 25 五 大电流封闭母线运行温度 目前 我国20万 90万KW机组的母线已广泛采用全连式分相封闭母线 成为大电流封闭母线 26 分相封闭母线的优点 运行可靠性高 短路时母线相间的电动力大大降低 壳外磁场减弱 可较好的改善母线附近钢构的发热 安装和维护工作量均小 分相封闭母线的缺点 母线散热条件较差 外壳上产生损耗 金属消耗量增加 27 大电流封闭母线的发热和散热发热 母线本身发热 外壳发热散热 以辐射和对流形式将热量从母线导体传至外壳 再从外壳传到周围空气中 28 3 2载流导体短路时的发热计算 回顾 电气设备在运行时有两种工作状态 即正常工作状态和短路时工作状态 短时发热的概念 短路开始到短路切除为止很短一段时间导体发热的过程 短时最高允许温度为了保证导体可靠的接地 须使其短时发热温度不得超过一定限制 这个限制叫做短时最高允许温度 与正常发热相比 短时发热的特点 导体发出的热量比正常发热要多 导体温度升的很高 29 短时发热计算的目的 通过分析导体通过短路电流时的发热过程 确定导体达到的最高温度 使这个温度不超过短时发热的最高允许温度 30 一 短路电流计算 补充 一 产生短路电流的原因1 什么是短路 短路 就是指供电系统中不等电位的导体在电气上被短接 如相与相之间 相与地之间的端接等 2 什么是短路电流 短路电流是指供电系统短路时产生超过规定值许多倍的大电流 31 3 短路产生的原因电气设备载流部分的绝缘材料老化 损坏 雷击或过电压击穿 风灾引起断线等 工作人员误操作 如带负荷拉刀闸 检修线路或设备未拆除地线就合闸供电 其他如外来物体搭在裸线上 挖沟损伤电缆 32 4 短路产生的危害热效应 短路电流通常是正常工作电流值的数倍 使设备过热 导致绝缘加速老化或损坏 电动力效应 巨大的短路电流产生很大的电动力 使设备机械变形 扭曲甚至损坏 磁效应 不对称短路电流产生不平衡的交变磁场 对通讯 控制设备造成影响 电压降低 很大的短路电流在线路上造成很大的电压降 影响用电设备的使用 33 二 短路过程暂态分析 什么是短路电流的暂态过程 短路发生后 电流在短时间内突然增大 经过一段时间 短路电流有所减少 系统又重新稳定在一个稳定的状态 从短路发生到系统重新稳定的这个过程 叫做系统的暂态过程 34 1 短路过程的简单分析 设供电系统在K点处发生三相短路 由于这是对称性故障 三相的故障相同 取其一相分析设取A相分析 35 36 由电工基础知道当电源电压以正弦规律变化时电流也以正弦规律变化 但比电压落后一个相位角 37 在K点发生三相短路时 其微分方程式为这是一个标准非齐次一阶微分方程 解得 设t 0时短路短路前瞬间的电流 短路后瞬间的电流 短路周期分量的幅值 38 分析短路电流的瞬时表达式 短路电流的周期分量 短路电流的非周期分量 周期分量 是幅值不变 并以50Hz的频率呈周期变化 非周期分量 是幅值随短路回路的Ta呈指数曲线衰减 在经历 3 5 Ta后 非周期分量衰减至零 此时电路只含短路电流周期分量 进入短路的稳定状态 39 短路电流各分量的波形图 短路电流各分量的波形图 40 2 几个有关的概念 短路电流的冲击值短路电流最大可能的瞬时值 称为短路电流的冲击值 短路全电流的有效值短路电流在某一时刻的有效值是以时间t为中心的一个周期T内短路全电路的均方根值 为了简化计算 通常取时刻t的瞬时值作为一个周期内的有效值 考虑非正弦电流有效值的计算公式可得 短路电流周期分量有效值或当时 非周期分量已衰减完毕 这时的短路电流只有周期分量 称为稳态短路电流 41 二 载流导体短路时的发热计算 载流导体短路时 或称为短时 发热 是指短路开始至短路被切除为止很短一段时间内导体发热的过程 42 1 导体短路时发热过程下图所示为导体在短路前后温度的变化曲线 在时间tw以前 导体处于正常工作状态 其温度稳定在工作温度 在时间tw时发生短路 导体温度急剧升高 是短路后导体的最高温度 时间tk时短路被切除 导体温度逐渐下降 最后接近于周围介质温度 短路前后导体温度的变化 43 短时发热特点 发热时间很短 通常只有0 15 8s左右 电流比正常工作电流大的多 这样导体产生的热量来不及散失到周围介质中去 全部用来使导体温度升高 散热量可以忽略不计 在短时间内 导体的温度快速升高 其电阻和比热容 温度变化1 单位质量物体吸热量的变化量 不再是常数而是温度的函数 44 当电力设备通过短路电流时 短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危害性 如载流部分可能因为电动力而振动 或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形 甚至使绝缘部件 如绝缘子 或载流部件损坏 电气设备的电磁绕组 受到巨大的电动力作用 可能使绕组变形或损坏 巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力 甚至发生斥开现象 导致设备故障 45 载流导体和电器耐受短路电流热效应而不致被损坏的能力 称为载流导体和电器的热稳定性 当确定了导体通过短路电流时的最高温度后 此值若不超过所规定的导体材料短时发热最高允许温度 则称该导体在短路时是热稳定的 否则 需要增加导体截面或限制短路电流 以保证其热稳定性 46 47 48 49 三 短路电流热效应的计算 为了求出通过短路电流时的热效应 必须由出发 并对这个方程的平方进行积分 由于此方程比较复杂 一般不宜用解析方法来进行计算 因此目前工程上采用实用的简化近似计算方法 50 等值时间法 适用于50MW以下发电机组 51 周期分量等值时间 52 非周期分量等值时间 53 54 55 非周期分量的热效应 56 实用计算法 续 57 小结1 58 59 例 60 例 续 61 例 解 计算短路电流的热效应Qk 短路电流通过的时间等于继电保护动作时间与断路器全开断时间之和 tk tpr tab 1 0 2 1 2s 62 例 续 63 3 3载流导体短路时电动力计算 电动力的概念 载流导体位于磁场中 就会受到磁场力的作用 这种力称为电动力 电动力计算的目的 当短路时 特别是流过冲击电流的瞬间 产生较大的电动力 可能导致导体变形或破坏电气设备 所以必须要求电气设备有足够的电动力承受能力 即动稳定性 校验设备的电动力称为动稳定校验 64 一 计算电动力的方法 毕奥 沙瓦定律导体在电磁场中受到电动力F按左右定则确定 式中L 导线长度 m B 磁感应强度 T I 通过导体的电流 A 导体与磁感应强度间的夹角 rad 65 1 两条平行导体间的电动力的计算中心距离为a的两平行无限长导体1和2 电流集中在导线轴线上 导体1在a处产生的磁感应强度B为 导体2受到的电动力 66 当两导体中流过的电流互为反向时 结论 两导体中流过的电流互为同向时 两力相吸 两导体中流过的电流互为反向时 两力相斥 67 2 电流分布对电动力的影响 1 实际电流在导体截面上的分布并不是集中在轴线上 导体的截面形状和尺寸影响电动力的大小 2 当导体的边沿距离 净距 小于其截面的周长时 应考虑电流在截面上的分布 3 电流分布对电动力的影响可以用一个形状系数来修正 修正后的电动力为 68 形状系数的确定 1 矩形导体的形状系数已制成曲线 如图所示 当bh时 即导体平放时 Kf 1 当b h时 即导体竖放时 Kf 1 当导体净距大于导体截面半周长的两倍 即a b 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 69 二 三相导体短路时的电动力 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 70 1 利用两平行导体的电动力计算公式与力的合成 便可计算布置在同一平面的三相导体的短路电动力 2 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 71 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 72 在假定电流正方向下 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 73 三相短路时 FB有三个分量组成 如图所示 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 74 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 a 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 75 b 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 76 c 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 将t 0 01s和Im Ish 1 82代入 得可见 三相短路时 中间相所受电动力最大 77 2 三相短路最大电动力与两相短路电动力的比较 78 3 导体振动时动态应力配电装置中的母线具有质量和弹性 是一弹性系统 当其受到外力作用 将在平衡位置两侧 按一定频率作往复振动 形成固有振动 又称自由振动 其振动频率称为固有频率 由于受到摩擦和阻尼的作用 振动会逐渐衰减 最后趋于平衡状态 这种衰减振动状态对母线强度的影响是不大的 但是若受到电动力的持续作用 周期性的电动力会导致强迫振动 电动力中有工频和二倍工频两个周期分量 如果母线的固有频率接近这两个频率之一时 就会出现共振现象 使振幅增大 甚至使母线系统遭到破坏 所以在设计时 应避免发生共振现象 79 导体发生振动时 动态应力的计算 80 为了避免导体发生共振 应使其固有频率f1在下述范围以外1 单条导体及一组中的各条导体 35 135HZ 2 多条导体及引下线的单条导体 35 155HZ 3 槽型和管型导体 30 160HZ 若固有频率在上述范围之内时 电动力应进行修正 可查右图求得 81 82 例3 3 某发电厂装有10kV单条矩形铝导体 尺寸为60mm 6mm 支柱绝缘子之间的距离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 7 1010Pa 单位长度的质量m 0 972kg m 试求导体的固有频率及最大电动力 解 导体的一阶固有频率为 导体的截面惯性矩 当导体支撑方式为两端简支 查表3 4 得Nf 1 57 故有 83 例3 3 某发电厂装有10kV单条矩形铝导体 尺寸为60mm 6mm 支柱绝缘子之间的距离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 7 1010Pa 单位长度的质量m 0 972kg m 试求导体的固有频率及最大电动力 解 f1 96 15Hz在35 135Hz范围以内 应考虑动态应力系数 查图3 14曲线 对应f 96 15Hz 1 35 则 84 3 4电气设备及主接线的可靠性分析 目的设计和评价主接线不同主接线方案比较 选择最优方案选择最优运行方式寻找主接线薄弱环节 以便合理安排检修计划和采取相应对策可靠性和经济性的最佳搭配 85 一 基本概念 可靠性的含义可靠性定义为元件 设备 系统等在规定的条件下和规定的时间内 完成规定功能的概率 电力系统可靠性定义 在任何情况下 能保质保量连续供电的能力 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 86 电气设备的分类可修复元件 系统 若元件 系统 投入使用一段时间后发生故障 经过修理后能再次恢复到正常状态 称之为可修复元件 系统 不可修复元件 系统 若元件 系统 投入使用后 一旦发生故障便无法修复 或虽能修复但很不经济 称之为不可修复元件 系统 例如 发电机变压器断路器输电线路等都属于可修复元件 电容器电灯泡等属于不可修复元件 87 电气设备的工作状态运行状态 工作或待命 又称为可用状态 即元件处于可执行它的规定功能的状态 停运状态 故障或检修 又称为不可用状态 即元件处于故障不能执行它的规定功能的状态 元件的寿命处在 运行 停运 两种状态的交替过程中 是一个循环过程 88 二 可靠性的主要指标 不可修复元件的可靠性指标可靠度 不可靠度 故障率 平均无故障工作时间 89 1 不可修复元件的可靠性指标 90 91 根据设备的寿命 故障率 t 大致分为三个阶段 92 93 2 可修复元件的可靠性指标 94 95 故障频率 表示设备在长期运行条件下 每年平均故障次数 平均运行周期的倒数 元件的不可用度常用FOR 强迫停运率 表示 96 3 电气主接线的可靠性指标 可用度平均无故障工作时间每年平均停运时间故障频率 97 三 电气主接