发电厂电气部分第五讲

1、第三章 常用计算的基本理论和方法常用计算的基本理论和方法教学内容教学内容 n载流导体长期发热的特点载流导体长期发热的特点, , 导体长期允许载流量的计算方法导体长期允许载流量的计算方法及及提高导体载流量的措施提高导体载流量的措施 n载流导体短时发热的特点载流导体短时发热的特点, , 导体短时最高发热温度的计算方导体短时最高发热温度的计算方法、法、短路电流热效应的计算方法短路电流热效应的计算方法、热稳定的概念、热稳定的概念n三相导体短路电动力的计算方法和特点三相导体短路电动力的计算方法和特点、动稳定的概念、动稳定的概念n大电流导体附近钢构发热的原因及大电流导体附近钢构发热的原因及减小钢构发热的办

2、法减小钢构发热的办法 、封闭母线的的特点封闭母线的的特点 n技术经济方案比较技术经济方案比较一、一、导体载流量和运行温度计算导体载流量和运行温度计算发热的原因发热的原因：n电阻损耗电阻损耗 导体内部导体内部n磁滞和涡流损耗磁滞和涡流损耗导体周围的金属构件导体周围的金属构件n介质损耗介质损耗 绝缘材料内部绝缘材料内部长期发热，由正常工作电流产生长期发热，由正常工作电流产生短时发热，由故障短路电流产生短时发热，由故障短路电流产生发热的危害发热的危害：n机械强度下降；机械强度下降；n接触电阻增加；接触电阻增加；n绝缘性能下降绝缘性能下降1、最高允许温度最高允许温度 n正常最高允许工作温度正常最高允许

3、工作温度：70（一般裸导体）（一般裸导体）80（计及日照时的钢芯铝绞线、管形导体）（计及日照时的钢芯铝绞线、管形导体）85（接触面有镀锡的可靠覆盖层）（接触面有镀锡的可靠覆盖层） - -主要决定于系统接触电阻的大小主要决定于系统接触电阻的大小 n短时最高允许温度短时最高允许温度：200（硬铝及铝锰合金）（硬铝及铝锰合金）300（硬铜）（硬铜） -主要决定于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质主要决定于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质绝缘强度的大小绝缘强度的大小 最高允许温度最高允许温度n钢构发热的最高允许温度钢构发热的最高允许温度： 7070（人可触及的钢构）（人可触及的钢构） 100

4、100（人不可触及的钢构）（人不可触及的钢构） 8080（混凝土中的钢筋）（混凝土中的钢筋）n封闭母线最高允许温度：封闭母线最高允许温度： 导体：导体： 90 90 外壳：外壳： 70 70 2、导体的长期发热导体的长期发热 -指导体通过工作电流时的发热过程指导体通过工作电流时的发热过程 I-流过导体的电流（A）R-导体的电阻（）m-导体的质量（kg）c-导体的比热容J/(kg. )W W -导体总的换热系数W/(m2. )F-导体的换热面积（ m2 /m)0 -周围空气的温度（ ） -导体的温度（ ） 1、导体长期发热的特点导体长期发热的特点 热平衡方程：QR = Qc + Ql + Qf导

5、体产生的热量导体产生的热量 = = 导体自身温度的升高导体自身温度的升高 + + 对流和辐射散失到周围介质的热量对流和辐射散失到周围介质的热量 稳定稳定温升温升导体发热导体发热时间常数时间常数rrTtkTtwee)1 (0kk0FRIww2FmcTwrdtFmcdRdtIww)(02初始温升初始温升:对应于时间对应于时间t的温升的温升:若若tw导体长期发热的特点导体长期发热的特点l3 3）导体达到稳定发热状态后，）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产生的热量全部以对由电阻损耗产生的热量全部以对流和辐射的形式散失掉，导体的流和辐射的形式散失掉，导体的温升趋于稳定，且稳定温升与导温升趋于稳定，且稳

6、定温升与导体的初始温度无关。体的初始温度无关。导体温升变化曲线导体温升变化曲线l1 1）导体通过电流）导体通过电流I I后，温度后，温度开始升高，经过（开始升高，经过（3 34 4）倍）倍T Tt t( (时间常数时间常数) )，导体达到稳定，导体达到稳定发热状态；发热状态；l2 2）导体升温过程的快慢取决）导体升温过程的快慢取决于导体的发热时间常数，即与于导体的发热时间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导导体的吸热能力成正比，与导体的散热能力成反比，而与通体的散热能力成反比，而与通过的电流大小无关；过的电流大小无关；3、提高导体载流量的措施提高导体载流量的措施（1 1）减小交流电阻）减小交流

7、电阻Rac(Rac(公式公式3-3)3-3)， 采用电阻率小的材料。如铜、铝采用电阻率小的材料。如铜、铝 增大导体的截面增大导体的截面减小接触电阻。减小接触电阻。 表面镀锡表面镀锡 银等银等采用集肤效应系数小的导体采用集肤效应系数小的导体与电流频率、导体的形状和尺寸有关（图与电流频率、导体的形状和尺寸有关（图3-1 3-23-1 3-2）（2 2）增大散热面积。）增大散热面积。相同截面积，矩形导体的表面积大于圆形的相同截面积，矩形导体的表面积大于圆形的矩形竖放的表面积大于平放的矩形竖放的表面积大于平放的（3 3）增大复合散热系数：强迫对流、表面涂漆）增大复合散热系数：强迫对流、表面涂漆 FRI

8、ww2RQQRFIflw)(0关于集肤效应系数关于集肤效应系数常用硬导体长期允许载流量和集肤效应系数常用硬导体长期允许载流量和集肤效应系数见见 343页附表页附表1 344页附表页附表2 附表附表3 4、大电流导体附近钢构的发热、大电流导体附近钢构的发热1 1、发热的原因：磁滞和涡流损耗、发热的原因：磁滞和涡流损耗导体电流大于导体电流大于3000A3000A，附近钢构的发热不容忽视，附近钢构的发热不容忽视危害：危害： （1 1）材料产生应力而变形；）材料产生应力而变形；（2 2）接触连接损坏；）接触连接损坏；（3 3）混凝土中钢筋受热膨胀，使混凝土裂缝）混凝土中钢筋受热膨胀，使混凝土裂缝2 2

9、、钢构发热的最高允许温度：、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 70 ； 人不可触及的钢构为人不可触及的钢构为100100； 混凝土中的钢筋为混凝土中的钢筋为8080。3 3、减少钢构损耗和发热的措施：、减少钢构损耗和发热的措施：1 1）加大导体和钢构间的距离；）加大导体和钢构间的距离；2 2）断开钢构回路，加绝缘垫；）断开钢构回路，加绝缘垫；3 3）采用电磁屏蔽，在）采用电磁屏蔽，在H H最大处套短路环；最大处套短路环；4 4）采用分相封闭母线。）采用分相封闭母线。5、分相封闭母线的特点、分相封闭母线的特点优点优点：1 1）运行可靠性高：防止相间短路，外壳多点接地

10、能够保障人体接触时的）运行可靠性高：防止相间短路，外壳多点接地能够保障人体接触时的安全；安全；2 2）短路时母线相间短路电动力大大降低：外壳涡流和环流的屏蔽作用使）短路时母线相间短路电动力大大降低：外壳涡流和环流的屏蔽作用使壳内的磁场减弱；壳内的磁场减弱；3 3）改善母线附近钢构的发热：壳外磁场受外壳电流的屏蔽作用而减弱；）改善母线附近钢构的发热：壳外磁场受外壳电流的屏蔽作用而减弱；4 4）安装和维护的工作量减少。）安装和维护的工作量减少。缺点缺点：1 1）母线散热条件差；）母线散热条件差；2 2）外壳上产生损耗；）外壳上产生损耗；3 3）金属耗量增加。）金属耗量增加。二、载流导体的短时发热计

11、算二、载流导体的短时发热计算n目的目的：确定导体的最高温度（：确定导体的最高温度（不应超过不应超过规定的导体短时发热温度。当满足这个条件，规定的导体短时发热温度。当满足这个条件，认为导体在短路时具有认为导体在短路时具有热稳定热稳定性）性）-指短路开始到短路切除为止很短一段时间内导体的指短路开始到短路切除为止很短一段时间内导体的发热过程。发热过程。ainbrbrprKtttttt短路短路时间时间保护动保护动作时间作时间断路器的全开断路器的全开断时间断时间燃弧燃弧时间时间断路器固有断路器固有分闸时间分闸时间1、短时发热的特点短时发热的特点 短时均匀导体的发热过程短时均匀导体的发热过程n是绝热的过程

12、。是绝热的过程。由于发热时间短，可认由于发热时间短，可认为电阻损耗产生的热量来不及散失，全部用为电阻损耗产生的热量来不及散失，全部用于使导体温度升高。于使导体温度升高。 QR = Qc n导体温度变化很大，电阻和比热容随导体温度变化很大，电阻和比热容随温度而变化。温度而变化。 短时最高发热温度短时最高发热温度h h为短路电流切除时刻为短路电流切除时刻t tk k 对应的导体温度对应的导体温度)1 ()1 (002CCSlmSlRdmCdtRImkt根据热平衡方程根据热平衡方程: :dCdtISmkt1110022hwkdCdtISmtkt11100022320000/1)(0/10)(mkgm

13、SmlCCCkgJCCCmCkgmCkgJCRAImtk导体材料的密度，导体的截面积，导体的长度，的温度系数，比热容时导体的比热容，的温度系数，电阻率时导体的电阻率，导体的质量，时导体的比热容，温度为时导体的电阻，温度为短路全电流的有效值， whwwmhhmtktAAcCdtISk)1ln()1ln(1200200022定义：定义：dtIQkkttk02短路电流热效应短路电流热效应whkAAQS212、导体短时发热的最高发热温度导体短时发热的最高发热温度假设假设：已知短路电流热效应已知短路电流热效应Q Qk k则：则：1 1）由导体初始温度）由导体初始温度ww查出查出AwAw；2 2）求出求出

14、A Ah h3)3)查出查出h h)1ln(200wcA)( C)/(4mJA0的曲线)(Af铝铝铜铜wwAhkwAQSA21h18dtIQktktd02定义：定义：短路全电流短路全电流aTtapoPkteitIIcos2dapdpapoTtatPTtnpoptttktdQQieTdtIdteitIdtIQakkakk22022002)1(2)cos2(短路电流周期短路电流周期分量有效值分量有效值短路电流非周短路电流非周期分量起始值期分量起始值3、短路电流热效应的计算、短路电流热效应的计算（等值时间法等值时间法）19)(22idhydAAStIQ2It2Ithyt稳态短路电流。热的等值时间；短

15、路电流非周期分量发的等值时间；短路电流周期分量发热间；短路电流发热的等值时式中IttthyaphyphyhyaphyphydtItItIQ222短路起始次暂态电流。可得曲线，利用的计算ItIItftthyphyphyp ,),()120 )(sthyp5 . 005 . 1112355 . 21 . 0t2t4t 等值时间曲线等值时间曲线) 5t5) 51 (5（时，当，内的使用曲线只能求出hyphyphypttsttst的计算hyapt) 2222205. 005. 0,)1 (2IQsTITieTQdapnpoTtadapak 一般dpdhyphyQQttst不计非周期的影响。时，当,1

16、短路电流热效应的计算短路电流热效应的计算（实用计算法实用计算法）npptktkQQdtIQk02)10(12222202kkkttktptpIIItdtIQ222)1 (TIIeTQakTtanp周期分量周期分量的热效应的热效应 非周期分量非周期分量的热效应的热效应 当短路电流切除时间超过当短路电流切除时间超过1 1秒秒时，可忽略非周期分量的影响时，可忽略非周期分量的影响 非周期非周期分量等分量等效时间效时间见表见表3-3注注意意pkQQ 22例：有一铝母线型号为例：有一铝母线型号为LMY-1008，UN=10.5kV，IN=1500A,i=46 OC，t k=1.2s，I=28kA，I0.6

17、=22kA, I1.2=20kA，求，求QK、 f。解：解：1）)(4.602)20221028(122.1)10(1222222222skAIIItQtktkpk )(8.156282.0222skAITQnp 23)(2.7598.1564.6022skAQQQnppk满足要求。查曲线得查得CCmJAQSAmJoACfikfi00416162162416o20060/1047.01035.0)08.01.0(102.7591/1035.46由三、载流导体短路电动力计算三、载流导体短路电动力计算1 1、两条无线细长载流导体间的电动力、两条无线细长载流导体间的电动力n短路时，导体温度高，还受到

18、电动力作用，当导体和电气短路时，导体温度高，还受到电动力作用，当导体和电气设备机械强度不够时，将会设备机械强度不够时，将会变形或损坏变形或损坏。n必须研究短路电流产生电动力的大小和特征，以便选用适必须研究短路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，保证足够的当强度的导体和电气设备，保证足够的动稳定动稳定，必要时采，必要时采取限制短路电流的措施。取限制短路电流的措施。LaiiF217102(N)217102iiaLKFf(N)K Kf f- -形状系数形状系数n圆形导体：圆形导体： K Kf f =1=1n槽形导体：见表槽形导体：见表3-43-4n矩形导体：见图矩形导体：见

19、图3-18 3-18 11Khb，1趋近于增大，bhba1)1)计算矩形导体相间电动力时不需要考虑计算矩形导体相间电动力时不需要考虑K K2)2)计算矩形导体同相条间电动力时必须考虑计算矩形导体同相条间电动力时必须考虑K K注意：注意：n考虑截面因素时两载流导体间考虑截面因素时两载流导体间的电动力的电动力2、三相导体短路的电动力、三相导体短路的电动力n三相短路时三相短路时)(1027CBBABCBABiiiiaLFFF)5 . 0(1027CABAACABAiiiiaLFFF如不计短路电流周期分量的衰减，三相短路电流为如不计短路电流周期分量的衰减，三相短路电流为： sin)sin(3ATtAm

20、AaetIi )32sin()32sin(3ATtAmBaetIi )32sin()32sin(3ATtAmCaetIi)3422sin(23)342sin(3)342sin(23102227AATtATtmBtteeIaLFaa)6122cos(43)612cos(23cos43)612cos(438383102227ATtATtAmAtetteIaLFaa最大电动力最大电动力： FA的最大值出现在固定分量和非周期分量之和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；为最大的瞬间； FB的最大值出现在非周期分量为最大的瞬间。的最大值出现在非周期分量为最大的瞬间。临界初相角为临界初相角为

21、75、225 .n说明：说明：短路电动力的最大值出现在短路后很短的瞬间，忽短路电动力的最大值出现在短路后很短的瞬间，忽略周期分量和非周期分量的衰减，略周期分量和非周期分量的衰减，则：则： 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，临界初相角间，临界初相角A=75、225等；等； FB的最大值出现在非周期分量为最大的瞬间，临界初相角的最大值出现在非周期分量为最大的瞬间，临界初相角A=75、165、225等。等。t=0.01s 时，短路电动力的幅值最大时，短路电动力的幅值最大2)3(7max10616. 1shAiaLF2)3(7max

22、1073. 1shBiaLF282. 182. 1IIimsh2)3(72)3(72)2(7)2(max105 . 123102102shshshiaLiaLiaLF3、两相短路电动力、两相短路电动力2)3(7max1073. 1shBiaLF4、最大短路电动力、最大短路电动力n三相导体最大短路电动力出现在三相短三相导体最大短路电动力出现在三相短路故障后的路故障后的0.01s，作用在中间作用在中间B相相，27max1073. 1shiaLF（N）282. 182. 1IIimsh5、导体振动的动态应力、导体振动的动态应力n凡是连接发电机、主变压器以及配电装置中的导体均应考凡是连接发电机、主变压

23、器以及配电装置中的导体均应考虑共振的影响虑共振的影响n导体发生振动时，内部产生动态应力：导体发生振动时，内部产生动态应力：27max1073. 1shiaLF 与导体的固有振动频率有关，见图与导体的固有振动频率有关，见图3-23动态动态应力应力系数系数为避免共振，重要导体的固有频率在下述范围以外：为避免共振，重要导体的固有频率在下述范围以外：（1 1）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 35135HZ35135HZ（2 2）多条导体及引下线的单条导体）多条导体及引下线的单条导体 35155HZ35155HZ（3 3）槽形和管形导体）槽形和管形导体30160HZ30160HZ

24、四、技术经济方案比较发电厂和变电站的设计方案选择发电厂和变电站的设计方案选择n先提出若干个可行的接线方案先提出若干个可行的接线方案n经技术分析评价（可靠、先进、适用）经技术分析评价（可靠、先进、适用）, ,逐渐淘汰逐渐淘汰n在剩余满足技术要求的几个方案中，进行经济比较在剩余满足技术要求的几个方案中，进行经济比较（合理，费用少）（合理，费用少） 经济比较主要是对各方案的综合总投资和年运行费经济比较主要是对各方案的综合总投资和年运行费用进行综合效益比较，确定最佳方案。用进行综合效益比较，确定最佳方案。1、方案的经济比较项目（1 1）综合总投资）综合总投资主要包括变压器、开关设备、配电装置综合投资以

25、及不可预主要包括变压器、开关设备、配电装置综合投资以及不可预见的附加投资等。只需计算方案不同部分的投资。见的附加投资等。只需计算方案不同部分的投资。I I0 0: :主体设备的综合投资，包括变压器、开关设备、母线、主体设备的综合投资，包括变压器、开关设备、母线、配电装置及明显的增修桥梁、公路和拆迁等费用。配电装置及明显的增修桥梁、公路和拆迁等费用。a:a:不明显的附加费用比例系数，如基础加工、电缆沟道开挖不明显的附加费用比例系数，如基础加工、电缆沟道开挖费用等，费用等，220220KVKV取取7070，110110KV KV 取取9090)1 (1000 II（2 2）运行期的年运行费用）运行期的年运行费用主要包括一年中变压器的电能损耗及检修、维护、折旧费等。主要包括一年中变压器的电能损耗及检修、维护、折旧费等。IIAC21变压器的电能损耗，变压器的电能损耗，kW.hkW.h电价电价检修维护费率，检修维护费率，0.0220.0220.0420.042折旧费率，折旧费率，0.0050.0050.0580.0