导体发热与电动力、导体选择

1、导体发热与电动力、导体选择 3-1 概述概述 3-2 导体的长期发热和短时发热导体的长期发热和短时发热 导体电阻损耗的热量导体电阻损耗的热量QR 导体的交流电阻导体的交流电阻Rac fltRQQQQ acWRRIQ2 fWtacKSR)20(1 导体吸收太阳辐射的热量导体吸收太阳辐射的热量Qt 导体对流散热量导体对流散热量QlDAEQttt lWllFQ)(0 一、导体的长期发热与计算一、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、通过电流后导体的稳定温升和稳定温度 (1)自然对流散热自然对流散热 屋内自然通风或屋外风速小于屋内自然通风或屋外风速小于0.2m/s35. 00)

2、(5 . 1 WllWllFQ)(0 单位长度导体散热面积与导体尺寸、布置方式等有关。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单条导体对流散热面积)(221AAFl 1000;100021bAhA mmmmmmb10862121214345.242AAAAAAFl mmmmb10821216463AAAAFl 三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二条导体对流散热面积 (2)强迫对流散热强迫对流散热 强迫对流散热系数强迫对流散热系数 空气导热系数空气导热系数,当气温为当气温为20 时时 65. 013. 0 VDNu21052. 2 空气运

3、动黏度系数，当空气温度为空气运动黏度系数，当空气温度为20 时时 如风向与导体不垂直如风向与导体不垂直,二者之间有一夹角二者之间有一夹角 ，则修正系数，则修正系数6107 .15 强迫对流散热量强迫对流散热量nBA)(sin 08. 1,68. 0,42. 0240 nBA时，时，当当 9 . 0,58. 0,42. 09024 nBA时时，当当 nWnWlBAVDDBADNuQ)(sin)(13.0)(sin)(065.00 DNul 导体辐射散热量导体辐射散热量QffWfFQ 4041002731002737 . 5 导体材料的辐射系数导体材料的辐射系数 材材 料料辐射系数辐射系数材材 料

4、料辐射系数辐射系数表面磨光的铝表面磨光的铝 表面不光滑的铝表面不光滑的铝 精密磨光电解铜精密磨光电解铜有光泽的黑漆有光泽的黑漆无光泽的黑漆无光泽的黑漆 0.0390.0570.0550.0180.0230.08750.960.98白漆白漆各种不同颜色油质涂料各种不同颜色油质涂料有光泽的黑色虫漆有光泽的黑色虫漆无光泽的黑色虫漆无光泽的黑色虫漆 0.800.950.920.960.8210.91flCRQQQQ FQQWWfl)(0 dtFmcdRdtIWW)(02 导体的温升导体的温升 热量平衡方程热量平衡方程 tmcFKtmcFWWWeeFRI )1(2FRIWW 2 FmcTWr rrTtK

5、TtWee )1(FRIWW 2 2、导体的安全载流量、导体的安全载流量 导体长期通过电流时，稳定温升导体长期通过电流时，稳定温升 flWWQQFRI 2RQQRFIflWW )(0 裸导体按周围环境温度为裸导体按周围环境温度为+25，允许最高温度为，允许最高温度为+70电气设备按环境温度为电气设备按环境温度为+40，允许最高温度为，允许最高温度为+75NalalK 0200)( alalwII 导体稳定温度计算导体稳定温度计算 周围环境温度与标准条件不同时，导体载流量的修正周围环境温度与标准条件不同时，导体载流量的修正例例 屋内配电装置中装有屋内配电装置中装有100mm8mm的矩形导体。导的

6、矩形导体。导体正常运行温度为体正常运行温度为70 ，周围空气温度为，周围空气温度为25 ，计算导，计算导体的载流量。体的载流量。m)/(100443. 0100422. 005. 133 R解解 (1)求交流电阻求交流电阻)/(26.55216. 0)2570(685. 5)(0mWFQlWll )/(65.691002731002737 . 5404mWFQfWf )(1679 ARQQIfl (2)求对流散热量求对流散热量(4)导体的载流量导体的载流量(3)求辐射散热量求辐射散热量 二、导体的短时发热与计算二、导体的短时发热与计算 (一一)短时发热过程及导体的最高温度短时发热过程及导体的最

7、高温度)/(2mJdmCdtRIkt dSlCdtSlImkt)1()1(002 dCdtISmkt 1110022dCdtISkWmtkkt11100022WkWWmkkmmAACCdCkW)1ln()1ln(1120020000 (二二)短路电流热效应短路电流热效应Qk的计算的计算dtItkkt02kQ)10(12Q222202pkkkttktptIIItdtI 222np)1 (QITIeTakTta 1、求周期分量的热效应、求周期分量的热效应 2、求非周期分量的热效应、求非周期分量的热效应nppQQ kQ (三三)短路时导体允许的最小截面短路时导体允许的最小截面 如果使导体短路时最高温

8、度如果使导体短路时最高温度k，刚好等于材料短路时最，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高允许温度，且已知短路前导体工作温度为w ，从曲线中，从曲线中可查得相应的可查得相应的Ak和和Aw。WhkAAQS21kWhkQCAAQS1min 考虑到集肤效应的影响考虑到集肤效应的影响kfQKCS1min 工作温度工作温度4045505560657075808590硬铝及铝锰合金硬铝及铝锰合金9997959391898785838281硬铜硬铜186 183 181 179 176 174 171 169 166 164 161)(8 .702Q2kSKAQQnpp )(8 .70

9、2)10(12Q22222pSKAIIItkkttk s2 . 12 . 01tk (2)计算最高温度计算最高温度w= 70 查得查得Aw=0.551016J/(m4) 由由Ak从曲线上查出从曲线上查出k=90C，不超过，不超过200C 满足要求满足要求 。 满足热稳定的最小截面计算：满足热稳定的最小截面计算：/10665. 01055. 08 .702)108100(05. 141616262mJAQSKAWkfk)(312108 .70205. 1871126minmmQKCSkf 解解:(1)短路电流热效应计算短路电流热效应计算0.55700.66590 3-3 导体的电动力计算导体的电

10、动力计算dliBFL 0sin 毕奥沙瓦定律法毕奥沙瓦定律法 一、两平行导体间的电动力一、两平行导体间的电动力aiaiHB1710101022 )(1021022170217NLaiidlaiiFL dlaiidlBidF sin102sin21712 )(102217NiiaLKF 二、三相母线在短路时的电动力二、三相母线在短路时的电动力 1、电动力的计算、电动力的计算 (1)作用在中间相作用在中间相(B相相)的电动力的电动力342sin3342sin23102227ATtATtmBteeIaLFaa3422sin23At (2)作用在外边相作用在外边相(A相或相或C相相)的电动力的电动力

11、aTtAmAeIaLF22762cos438383102 622cos4362cos23cos43 ATtAtetta2、电动力的最大值、电动力的最大值 二、三相导体短路时的电动力二、三相导体短路时的电动力1、电动力的计算、电动力的计算)(10616. 12)3(7NiaLFshA)(1073. 12)3(7NiaLFshB 三、三相导体的共振应力三、三相导体的共振应力mEILNff21 为避免导体产生危险共振为避免导体产生危险共振,对于重要的导体，应使其固有对于重要的导体，应使其固有频率在下述范围以外：频率在下述范围以外： 单条导体及一组中的各条导体单条导体及一组中的各条导体35135Hz；

12、多条导体及引；多条导体及引下线的单条导体下线的单条导体35155Hz； 槽形管形导体槽形管形导体30160Hz。)(1073. 127maxNiaLFsh 例例3-2某发电厂装有某发电厂装有10kV单条矩形导体，单条矩形导体，60mm6mm，支柱绝缘子的距离支柱绝缘子的距离L=1.2m，相间距离，相间距离a=0.35m，三相短路，三相短路冲击电流冲击电流ish=45kA。导体弹性模量。导体弹性模量E=71010Pa，单位长度，单位长度质量质量m=0.972kg/m，求导体固有频率及最大电动力。，求导体固有频率及最大电动力。)(15.96972.0108.101072.157.181021Hzm

13、EILNff解：解：)(108 .10101266 . 01248833mbhI)(5 .162735. 14500035. 02 . 11073. 11073. 12727maxNiaLFsh为了避免产生共振，应如何考虑？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；加大钢构和导体之间的距离，使磁场强度减弱； 断开钢构回路断开钢构回路,并加上绝缘垫并加上绝缘垫,消除环流；消除环流； 采用电磁屏蔽；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

14、中感应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；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。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，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。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规定钢构发热的最高允许温度 人可触及的钢构为人可触及的钢构为 70 ； 人不可触及的钢构为人不可触及的钢构为 100 ； 混凝土中的钢筋为混凝土中的钢筋为 80 。 3-6 母线、绝缘子和绝

15、缘套管的选择母线、绝缘子和绝缘套管的选择 一、母线的选择一、母线的选择 (一一)母线的材料、截面形状和布置方式母线的材料、截面形状和布置方式 1、母线的材料、母线的材料 2、母线的结构、母线的结构 3、母线的布置形式、母线的布置形式 4、电晕问题、电晕问题 (二二)母线截面积选择母线截面积选择 1、按最大长期工作电流选择、按最大长期工作电流选择maxgalII alNalalalIIKI 0 2、按经济电流密度选择、按经济电流密度选择JISgemax 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，但仍需要满足流选择

16、的截面，但仍需要满足maxgalII (三三)母线的热稳定校验母线的热稳定校验kfQKCS1min (四四)硬母线的动稳定校验硬母线的动稳定校验(软母线不需校验动稳定软母线不需校验动稳定) 1、单条矩形母线的应力计算、单条矩形母线的应力计算)/(11073. 127mNiafshph ).(102mNLfMph )(102aphphPWLfWM alph aalP61070 硬铝硬铝 硬铜硬铜aalP610140 若计算应力不满足要求，常用的办法是减小绝缘子的跨距。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。可根据母线材料允许应

17、力反求满足动稳定要求的最大允许跨距。alph alphWLf 102)(10maxmfWLphal 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。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。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、多条矩形母线的应力计算albph albph 每相有两条矩形母线时每相有两条矩形母线时bbbWM条间应力条间应力122bbbLfM 6/2hbWb)/(1015 . 2

18、1021)5 . 0(282127212mNbikbikfshshb)/(101)(81041)4 . 0(21021)2 . 04 . 0(292131272137123121mNbikkbikbiikfffshshshshbbb 每相有三条矩形母线时每相有三条矩形母线时为与母线材料及条数有关的系数：为与母线材料及条数有关的系数：双条铜母线为双条铜母线为1144，三条铜母线为，三条铜母线为1355；双条铝母线为双条铝母线为1003，三条铝母线为，三条铝母线为1197。)(4mfhbLbcr 衬垫数不宜太多，以免母线散热条件变坏，安装工作复衬垫数不宜太多，以免母线散热条件变坏，安装工作复杂。根

19、据设计和运行经验，衬垫间距一般取杂。根据设计和运行经验，衬垫间距一般取3050cm为宜为宜phalb)()(2)(12maxmfhbfWLbphalbbphalb 母线便满足动稳定要求。母线便满足动稳定要求。 只要实际选取只要实际选取crbLL maxbbLL 及及phalbbbWLf122 3、槽形母线的应力计算槽形母线的应力计算 双槽对双槽对X-X轴弯曲轴弯曲W=2WX； 双槽对双槽对Y-Y轴弯曲轴弯曲W=2WY；)/(1105101)5 . 0(22872mNhihifshshb)(1016. 4129222PahWLiWLfYbshYbbb 4、母线的共振校验、母线的共振校验mEIfN

20、Lf1max 二、绝缘子和穿墙套管选择二、绝缘子和穿墙套管选择NSNUU (一一)按安装地点选择支柱绝缘子和穿墙套管按安装地点选择支柱绝缘子和穿墙套管 (二二)按电压条件选择支柱绝缘子和穿墙套管按电压条件选择支柱绝缘子和穿墙套管 (三三)按电流条件选择穿墙套管按电流条件选择穿墙套管maxgNII 408585 K (五五) 动稳定校验动稳定校验deFF6 . 0 (四四) 热稳定校验热稳定校验ktQtI 2 同平面布置的三相平行母线，三相短路时中间相受力最大。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，而三相短绝缘子抗弯破坏负荷，是指作用在

21、绝缘子帽上的，而三相短路时的电动力路时的电动力F是作用在母线中心的，则作用在绝缘子帽上的是作用在母线中心的，则作用在绝缘子帽上的电动力电动力221727211073. 11073. 1)(21shshcaiaLLiaLFFF b-母线支持器厚度母线支持器厚度矩形母线竖放矩形母线竖放b=18mm；矩形母线平放及槽形母线矩形母线平放及槽形母线b=12mm；HHFF1 2/1hbHH 例例3-3选择发电机出口母线及其支柱绝缘子。已知发电机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,最大负荷最大负荷Tmax=3200h。发电机引出。发电机引出线三相短路电流数据为线

22、三相短路电流数据为I?=28kA,I0.1522kA,I0.3=20kA。继。继保动作时间保动作时间tp=0.1s，断路器全分闸时间，断路器全分闸时间tb=0.2s。三相母线。三相母线水平布置，绝缘子跨距水平布置，绝缘子跨距L=1.2m，相间距，相间距a=0.7m，周围环境，周围环境温度为温度为28。导体弹性模量。导体弹性模量E=71010Pa，Nf=3.56。)(148606. 1/150005. 1/2maxmmJISg 查手册选用截面为查手册选用截面为2 (808)=1280mm2的矩形母线。的矩形母线。 按导体平放，其按导体平放，其Ial=1858A (25 )，Kf=1.27，W=b

23、h2/3)(1795185825702870028AIIKIalNalalal 解解:1、发电机出口母线选择、发电机出口母线选择 (1)按经济电流密度选择母线截面。根据按经济电流密度选择母线截面。根据Tmax=3200h查查得得J=1.06(A/mm2)，求得母线经济截面：，求得母线经济截面： 满足母线正常发热要求。满足母线正常发热要求。)(1575150005. 105. 1maxAIINg )(15751795max28AIIg )(3 . 02 . 01 . 0stttbpk )(6 .150)20221028(123 . 0)10(12Q22222222pskAIIItkttkk )(

24、8 .156282 . 0Q222npskAIa )(4 .307QQ2pkskAQnp (2)校验母线热稳定校验母线热稳定 短路前母线工作温度短路前母线工作温度 )(5717951500)2870(282Cw 查表查表3-2得得C92，满足热稳定要求的母线最小截面，满足热稳定要求的母线最小截面 所选截面所选截面S=2808=1280mm214.8mm2，满足要求。，满足要求。)(8 .214104 .30727. 1921126minmmQKCSkf (3)校验母线动稳定校验母线动稳定)(106 .1010705. 1102 . 11260106522aphphPWLfWM )/(45.63

25、7210008. 01)104 .71(4 . 05 . 21015 . 28238212mNbikfshb)(48. 045.637208. 0008. 0100344mfhbLbcr)(31. 045.637210) 6 .1070(08. 02008. 0)(26maxmfhbLbphalb)( 3 . 042 . 14mLLb 0.3m1.2m 2、母线支柱绝缘子选择、母线支柱绝缘子选择 根据额定电压根据额定电压(10.5kV)和屋内装设的要求，选用和屋内装设的要求，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作用在

26、绝缘子上的电动力 因母线为两片平放，此时因母线为两片平放，此时F=F，)(1512)104 .71(7 . 02 . 11073. 11073. 123727NiaLFshca NNFP1512220636776 . 06 . 0 满足动稳定要求。满足动稳定要求。补充补充 选择发电机出口母线。已知选择发电机出口母线。已知UN=10.5kV,IN=1718A，最大负荷，最大负荷Tmax=3200h。发电机三相短路。发电机三相短路I?=16kA，I214kA，I4=18kA。后备。后备保护动作时间保护动作时间tp=4s，断路器全分闸时间，断路器全分闸时间tb=0.2s。三相母线水平布置，。三相母线

27、水平布置，相间距相间距a=0.4m，环境温度为，环境温度为35。导体弹性模量。导体弹性模量E=71010Pa，Nf=3.56。 解解 (1)按经济电流密度选择母线截面按经济电流密度选择母线截面 根据根据Tmax=3200h查得查得J=1.06(A/mm2)，则经济截面：，则经济截面：)(170206. 1/171805. 1/2mmJISN 查手册选截面为查手册选截面为2 (1008)=1600mm2的矩形母线。的矩形母线。 导体平放，其导体平放，其Ial=2259A (25 )，Kf=1.3，W=bh2/3)(1992225925703570035AIIKIalNalalal )(18041

28、71805. 105. 1maxAIINg )(18041992max35AIIg 满足母线正常发热要求。满足母线正常发热要求。 (2)校验母线热稳定校验母线热稳定)(2 . 42 . 04stttbpk )(47.911182 . 0)18141016(1242 . 0)10(124Q22222242222pskAIIIIkttk )(6419921804)3570(352Cw 查表查表3-2得得C89.5 所选截面所选截面S=21008=1600mm384.6mm2，满足要求。，满足要求。)(6 .3841047.9113 . 15 .891126minmmQKCSkf )(8 .4016

29、29 . 12kAIKish 查图查图3-4得导体形状系数得导体形状系数K12=0.3408. 0100/8/ hb074. 02 hbbbhbba (3)校验母线动稳定。校验母线动稳定。)/(7 .176810008. 01)108 .40(34. 05 . 21015 . 28238212mNbikfshb 设条间衬垫间跨距为设条间衬垫间跨距为0.5m，条间应力为，条间应力为)(696. 07 .17681 . 0008. 0100344mfhbLbcr )(1054.341 . 0008. 025 . 07 .1768212622222PahbLfWLfWMbbbbbbbb )/(720

30、)108 .40(4 . 011073. 111073. 123727mNiafshph 单位长度相间电动力为单位长度相间电动力为)(62. 37201067. 2)1054.3470(101056maxmfWLphal )(1067. 23/1 . 0008. 03/3522mbhW )/(16. 22700008. 01 . 0mkgbhmw 7331067. 612/1 . 0008. 012/ bhImmEIfNLf62. 116. 21067. 610720056. 37101max 选取的绝缘子跨距选取的绝缘子跨距mL5 . 1 如设条间衬垫间跨距为如设条间衬垫间跨距为0.4m，则

31、取，则取mL6 . 1 3-7 电力电缆选择电力电缆选择 一、电缆额定电压选择一、电缆额定电压选择 二、电缆芯线材料及型号的选择二、电缆芯线材料及型号的选择 三、电缆截面选择三、电缆截面选择maxgalIKI KK 1KKK2KKK3KKK43KKKK电缆的长期允许工作温度有电缆的长期允许工作温度有50、60、65、80等。等。额定温度在空气中为额定温度在空气中为25，在，在地下及水中为地下及水中为15。 K1、K2、K3、K4可直接从有可直接从有关设计手册中查得。关设计手册中查得。NalalK 0 K值可根据具体敷设条件求出：值可根据具体敷设条件求出： 空气中单根敷设空气中单根敷设 空气中多根敷设空气中多根敷设 空气中穿管敷设空气中穿管敷设 土壤中单根敷设土壤中单根敷设 土壤中多根敷设土壤中多根敷设 四、电缆允许电压损失校验四、电缆允许电压损失校验 对于供电容量较大、距离较远的电缆线路，应校验正常对于供电容量