发电厂电气部分第三章

第三章常用计算的基本理论和方法3．1正常运行时导体载流量计算一、概述1、两种工作状态1）正常工作状态：电压和电流都不会超过额定值，导体和电器能够长期安全经济地运行。2）短路工作状态：系统发生故障，I↑↑，U↓↓，此时，导体和电器应能承受短时发热和电动力的作用。2、所有电气设备在工作中，会产生各种功率损耗，其损耗有：1）电阻损耗：导体本身存在电阻。（铜损）2）介质损耗：绝缘材料在电场作用下产生的。（介损）3）涡流和磁滞损耗：铁磁物质在强大的交变磁场中。（铁损）本章主要讨论“铜损”发热问题。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备温度升高，从而产生不良影响。3、发热对电气设备的影响1）机械强度下降：T↑，会使材料退火软化。2）接触电阻增加：T过高，接触连接表面会强烈氧化，使接触电阻进一步增加。3）绝缘性能降低：长期受高温作用，将逐渐变脆和老化，使用寿命大为缩短。4、发热的分类按流过电流的大小和时间，发热可分为：1）长期发热：由正常工作电流引起的发热。长期发热的特征：发热时间长；通电持续时间内，发热功率与散热功率平衡，保持为稳定温度；稳定温升2）短时发热：由短路电流引起的发热，导体短路时间很小，但Ik很大。Q发仍然很多，且不易散出，另外，还要受到电动力的作用。短时发热的特征：发热时间短；短路时导体温度变化范围很大，整个发热过程中散热功率远小于发热功率；短路时间虽然不长，但电流大，因此发热量也很它们都以热量的形式表现出来，使导体的温度升高。大，造成导体迅速升温。为了保证导体的长期发热和短时发热作用下能可靠、安全地工作，应限制其发热的最高温度。5、最高允许温度为了保证导体可靠地工作，须使其发热温度不得超过一定的数值。按照工作状态，它又可分为下述两种：1）正常最高允许温度θal：对裸铝导体，θal=+70℃，计入太阳辐射θal=+80℃接触面镀锡时，θal=+85℃接触面有银覆盖时，θal=+95℃2）短时最高允许温度θsp：θspθal，因为短路电流持续时间短。硬铝θsp=200℃,硬铜θsp=300℃。3）封闭母线最高允许温度导体θal=+90℃外壳θal=+70℃4）钢构发热最高允许温度人可触及θal=+70℃人不可触及θal=+100℃混凝土中钢筋θal=+80℃按正常工作电流及额定电压选择设备，按短路情况来校验设备二、导体发热和散热1、发热：来自导体电阻损耗产生的热量和太阳日照的热量1）导体电阻损耗的（热量）功率QR单位长度导体通过电流IW时，所发出的热量，可按下式计算：acWRRIQ2（W/m)式中：fwtacKSR)]20(1[（Ω/m）式中：acR——导体的交流电阻（m/）——导体温度为C20时的直流电阻率（mmm/2）t——电阻温度系数（1C）W——导体的运行温度（C）S——导体截面积（2mm）fK——集肤效应系数2）太阳日照的（热量）功率Qt凡要装在屋外的导体，均应考虑日照的影响。Qt=EtAtFt(w/m)式中：Et----太阳辐射功率密度（W/m）)（注：我国取21000mWEt）At----导体的吸收率，对铝导体As=0.6Ft----单位长度导体受太阳辐射的面积（m2/m）,对于圆管导体Fs=D(D:导体直径，m)2、热量的传递过程（散热）从物理本质而盐，可分为：导流、对流、辐射1)对流Ql：气体各部分相对位移将热量带走的过程对流换热Ql：lwllFQ)(0（W/m）由于对流条件不同，可分为自然对流散热（风速小于0.2m/s）和强迫对流散热两种情况。a.自然对流散热空气自然对流散热系数：35.001)(5.1W[)/(2CmW]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。下面列出几种常用导体的对流散热面积：1）单条导体：)(2211AAF2）二条导体：3）三条导体：4）槽形导体：5）圆管导体：b.强迫对流散热强迫对流散热系数：DNu165.0)(13.0vVDNu若风向与导体不垂直，二者间有夹角，则1须进行修正强迫对流散热量为：])(sin)[()(13.01065.0nWBAvVDQ2)辐射Qf：热量从高温物体，以热辐射方式传至低温物体的传播过程。辐射换热量：fWfFQ])100273()100273[(7.5404（W/m）式中，-导体材料的辐射系数；rF-导体的辐射换热面积（m2/m）。单条导体辐射散热面积：)(221AAFf二条导体辐射散热面积：)]1(242[121AAAFf三条导体辐射散热面积：)]1(462[121AAAFf槽行导体辐射散热面积：bbhFf)2(2圆管行导体辐射散热面积：DFf3、导热Qd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。或在气体中，由于分子不停地运动，使热量从由高温区传至低温区，称为导热。)()(21WFQdd式中，----导体的导热面积[W/（m·c）];----物体厚度dF----导体的导热面积[M2]；θ1,θ2----高低温区温度注：导体内部由于温度处处相同，没有导热，另外，由于空气的导热系数很少，可以忽略不计。因此，Qd=03、根据能量守恒原理：导体产生的热量=耗散热量导体电阻损耗热量+吸收太阳热量之和=导体辐射散热+空气对流散热（ftRQQQQ1）三、导体载流量的计算计算目的：确定导体的长期允许工作电流，即载流量。1、导体的温升过程导体在未通过电流时，其温度和周围介质温度相同。当通过电流时，由于发热，使温度升高，并因此与周围介质产生温差，热量将逐渐散失到周围介质中去。在正常工作情况下，导体通过的电流是持续稳定的，因此经过一段时间后，电流所产生的全部热量将随时完全散失到周围介质中去，即达到发热与散热的平衡，使导体的温度维持在某一稳定值。当工作状况改变时，热平衡被破坏，导体的温度发生变化；再过一段时间，又建立新的热平衡，导体在新的稳定温度下工作。所以，导体温升过程也是一个能量守恒的过程。导体的温度由起始温度（θk）开始上升，经过一段时间后达到稳定温度（θw）。导体所产生的热量（QR），一部分用于本身温度升高所需的热量（Qc），另一部分散失到周围的介质中（Ql+Qf）。根据热平衡方程式：QR=Qc+Ql+Qf【暂不考虑日照Qt的影响】（1）FQQWWf)(01（W/m）【复合换热】式中，W——导体的总换热系数F——导体的换热面积W——导体的温度0——周围空气的温度在dt时间内，有dtFmcdRdtIWw)(02式中：I——流过导体的电流R——导体的电阻m——导体的质量c——导体的比热容导体通过正常工作电流时，其温度变化范围不大，因此认为R、C、为常数（实际上，R、C、为温度的函数）设温升0，则dd，有02mcRImcFdtdw(2)(2)式为一阶常系数微分方程。初始条件:t=0，=k(起始温升)=k-0，则两边取拉式变换得01)()(2smcRIsmcFsswk则有：mcFsmcFSSmcRIswkw11)(2则方程式的解为tmcFktmcFwwweeFRI)1(2热时间常数：FmcTwr稳定温升：FRIww2则有：rrTtkTtwee)1(解得：式中，Tt=mc/F-----发热时间常数；w=I2R/wF----稳定温升。当t时，导体的温升趋于稳定温升W：FRIwW2此时wwFRI2即在稳定发热状态下，导体中产生的全部热量都散失在周围环境中发热时间常数rTFmcTwr表示发热进程的快慢，rT与导体的热容量成正比，与导体的散热能力成反比，而与电流无关，实际上，当rTt)4~3(时，已趋于稳定温升W，稳定温度，w=0+w=0+I2R/wF】（5）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产生热量全部以对流和辐射形式散失掉，导体温升趋于稳定，且稳定温升与导体初始温度无关2、导体的载流量限制导体（或其它电气设备）长期工作电流的根本条件：是其稳定温度不应超过长期发热最高允许温度，即w≤p(al)允许电流：（1）温升过程是按指数曲线变化，开始阶段上升很快，随着时间的延长，其上升速度逐渐减小。（2）导体温升过程快慢取决于导体发热时间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导体散热能力成反比，而与通过电流大小无关；（3）对于某一导体，当通过的电流不同，发热量不同，稳定温升也就不同。电流大时，稳定温升高；电流小时，稳定温升低。（4）大约经过（3～4）T的时间，导体的温升即可认为已趋近稳定温升τW。根据稳定温升W的公式：FRIwW2有：RFIww而稳定温升0wW，其中0是环境温度，w是导体正常工作时长期发热稳定温度RFIww)(0在环境温度0下，使电气设备的稳定温度正好为允许温度，即使w=al的电流，称为该环温下的允许电流，记为Ial（0）（载流量）为：RQQRFIflawa)(011(3)计及日照影响时，屋外导体载流量1aI为RQQQRFItfoala11)((4)在制造规范确定的标准环境温度N及标准冷却方式=N下，电气设备的容许电流称为额定电流IN，即IN=Ial（0）即：IN=RFNalN)((5)通常，厂家给出的导体载流量是在环境温度0为额定环境温度C25时得出的，而当导体工作的实际环境温度与该温度不同时，则该导体的实际载流量应进行修正。即当实际环境温度为0时，导体的实际载流量011aaIKIKθ=Nalal0环境温度修正系数工程上往往以额定参数作为已知量来计算实际运行允许量（（3）或（4）/（5））导体允许长期工作电流Ial（0）=NaNNalNalIKKI)()(0式中，Ka=)1(一般N散热方程式修正系数；工程条件：Imax≤Ial（0）说明：上述公式的应用1)求导体的载流量，此时W=al=70(没有特殊说明时)举举例例11：：设求解：2)求导体的正常发热温度w，此时应知道实际运行的Imax举举例例22：：设求W（8.58W）3)求导体的截面积S3、提高允许电流的方法a）减小导体交流电阻SLKRKRfdcfac：1）采用ρ小的材料，如铜、铝合金等；2）减少接触电阻，接触面镀银，搪锡等；3）增大S（但S不宜太大，要考虑集肤效应的影响）S增大，往往集肤系数(Kf)也跟着增加，所以单条导体的截面积不宜做得过大，如矩形截面铝导体，单条导体最大截面积不超过1250mm2b）增大有效散热面积FF与导体的几何形状有关。在相同的S下，圆柱形外表表面最小，矩形、槽形外表面较大，管形母线内表面，只有在母线开槽或强迫冷却时，才起放热作用。c)提高换热系数1）加强冷却。如改善通风条件或采用强制通风，采用专用冷却介质等；对20000A以上的大电流母线，可强迫水冷和风冷；2）合理布置导体，可提高自然放热系数；3）导体表面涂漆，利用漆辐射系数大的特点，可提高辐射散热能力。屋内母线，能增加电流，并以此识别相序，黄（A），绿（B），红（C）；屋外母线，为减少对太阳辐射的吸收，不应涂漆，而保留其光亮表面。C，C，CA，IalNN30702520000现)30(alIAIal6.1885200025703070)30(，C，CA，IalNN70252000AI1600maxC300第二节载流导体短路时发热计算计算目的：校验热稳定，确定导体在短路时可能出现的最高短时发热温度h。如果h没有超过所规定的导体短时发热允许温度，则称该导体在短路时是热稳定的；否则，需要增大导体截面积或限制短路电流以保证导体在短路时的热稳定热稳定校验的根本条件是：导体短时发热最高温度不得超过短时最高允许值sp。即