发电厂电气部分第三章

一、概述载流导体的电阻损耗(铜损)绝缘材料内部的介质损耗（介损）金属构件中的磁滞和涡流损耗（铁损）长期发热，是由正常运行时工作电流产生的；短时发热，是由故障时的短路电流产生的。热量电气设备的温度升高一、概述发热对电气设备的影响：（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。（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。（3）使导体接触部分的接触电阻增加。接触部分的弹性元件因退火而压力降低，同时接触表面氧化，接触电阻增加，引起温度继续升高，产生恶性循环一、概述在短路时，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。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限值，这个限值叫作最高允许温度。按照有关规定：（1）导体的正常最高允许温度，一般不超过+70℃；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+85℃；当有银的覆盖层时，可提高到95℃。（2）导体通过短路电流时，短时最高允许温度可高于正常最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取200℃，硬铜可取300℃。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导体导热散热二、导体的发热和散热导体的发热计算，根据能量守恒原理fltRQQQQ（3-1）QR:单位长度导体电阻损耗的热量Qt:单位长度导体吸收太阳辐射的热量Ql:单位长度导体的对流散热热量Qf:单位长度导体向周围介质辐射的散热量单位长度（1m）的导体，通过母线电流IW（A）时，由电阻损耗产生的热量，可用下式计算（3-2）导体的交流电阻为（3-3）式中：为导体的运行温度；Rdc为1000m长导体在20℃的直流电阻；S为导体截面积。为导体集肤效应系数；导体温度为20℃时的直流电阻率；材料电阻率与电阻温度导数见表3-1.（一）导体电阻损耗的热量QRacWRRIQ2wtwacdcff120RRKKSfk材料名称（℃-1）纯铝0.029000.00403铝锰合金0.037900.00420铝镁合金0.045800.00420铜0.017900.00385钢0.139000.004552(mm/m)t导体的集肤效应系数Kf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3-1所示，图中f为电流频率。圆柱及圆管导体的集肤效应系数Kf如图3-2所示。表3-1电阻率及电阻温度系数t“十一五”国家级规划教材图3-1矩形导体的集肤效应系数“十一五”国家级规划教材图3-2圆柱及圆管导体的集肤效应系数“十一五”国家级规划教材吸收太阳辐射（日照）的能量会造成导体温度升高，凡安装在屋外的导体应考虑日照的影响。对于单位长度圆管导体，可用下式计算（W/m）（3-4）对于屋内导体，因无日照的作用，这部分热量可忽略不计。（二）导体吸收太阳辐射的热量QtttttttQEAFEAD式中：Et－太阳照射功率密度(W/m2)At－导体的吸收率D－导体的直径(m)（三）对流散热量QL由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程，称为对流。由传热学可知，对流散热所传递的热量，与温差及散热面积成正比，即导体对流散热量为（W/m）（3-5）llw0lQ()F“十一五”国家级规划教材（1）自然对流散热。屋内自然通风或屋外风速小于0.2m/s，属于自然对流散热。空气自然对流散热系数，[W/（m2·℃℃）]（3-6）单位长度导体的散热面积与导体的形状、尺寸、布置方式等因素有关。导体片（条）间距离越近，对流散热条件就越差，故有效面积应相应减小。几种常用导体的对流散热面积如图3-3所示。图3-3常用导体对流散热面积形式0.35lw01.5()“十一五”国家级规划教材单条矩形导体对流散热面积为，A1、A2分别为单位长度导体在高度h方向和宽度b方向的面积l122()FAA/m)(m100021hA/m)(m100022bA如图3-3(b)所示，二条矩形导体对流散热面积为10mm8mm6mmb212l122122(m/m)2.54(m/m)34(m/m)AFAAAA“十一五”国家级规划教材如图3-3(c)所示，三条矩形导体对流散热面积为当如图3-3(d)所示，槽形导体对流散热面积：当100mmh200mm时，为当h200mm时，为212l212834(m/m),104()(m/m)mmAAbFmmAA2l1222(m/m)10001000hbFAA2l122222(m/m)10001000hbFAA“十一五”国家级规划教材当时，因内部热量不易从缝隙散出，平面位置不产生对流，故如图3-3(e)所示，圆管导体对流散热面积为（2）强迫对流散热。屋外配电装置中的管形导体，常受到大气中风吹的作用，风速越大，对流散热的条件就越好，因而形成强迫对流散热。强迫对流散热系数a1为2l122(m/m)1000hFA2l(m/m)FD“十一五”国家级规划教材（3-7）如果风向与导体不垂直，其值为将式（3-7）乘以修正系数后，代入式（3-5）中，即得强迫对流散热量为（3-8）ulND0.65u0.13VDNvnBA)(sinulw00.650()[(sin)]0.13()[(sin)](W/m)nnwNQABDDVDABv“十一五”国家级规划教材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。根据斯蒂芬—波尔兹曼定律，导体向周围空气辐射的热量，与导体和周围空气绝对温度四次方差成正比，即导体辐射散热量Qf为（3-9）式中，为导体材料的相对辐射系数，见表3-2。（四）导体辐射散热量Qf44w0ff2732735.7(W/m)100100QF“十一五”国家级规划教材材料辐射系数材料辐射系数绝对黑体1.00氧化了的钢0.80表面磨光的铝0.040有光泽的黑漆0.82氧化了的铝0.20～0.30无光泽的黑漆0.91氧化了的铜0.60~0.70各种颜色的油漆，涂料0.92~0.96表3-2导体材料的黑度系数Ff为单位长度导体的辐射散热表面积。计算时参见图3-4“十一五”国家级规划教材图3-4导体的辐射散热（a）单条矩形导体；（b）二条矩形导体“十一五”国家级规划教材图3-4（a）所示，单条矩形导体辐射散热表面积为图3-4（b）所示，二条矩形导体内侧缝隙间的面积仅有一部分能起向外辐射作用。故二条矩形导体的辐射散热表面积为三条矩形导体的辐射表面积，可按二条导体相同理由求得槽形导体的辐射散热表面积为“十一五”国家级规划教材（五）导热散热量根据传热学可知，导热散热量Qd为（3-10）圆管导体的辐射散热表面积为2f(m/m)FD为导热系数[W/（m·℃）]；Fd为导热面积（m2）；为物体厚度（m）；分别为高温区和低温区的温度（℃）。12、12dd(W)QF“十一五”国家级规划教材三、导体载流量的计算工程上为了便于分析和计算，常把辐射散热量表示成与对流散热量相似的计算形式，用一个总散热系数和总散热面积F来表示对流散热和辐射散热的作用，即在导体升温过程中，导体产生的热量QR，一部分用于本身温度升高所需的热量QC，一部分散失到周围介质中(Ql+Qf)。由此可写出热量平衡方程如下（3-12）（3-11）（一）导体的温升过程lfww0()QQFRclf(W/m)QQQQ“十一五”国家级规划教材设导体通过电流I时，在t时刻导体运行温度为，则其温升，在时间dt内的热量平衡微分方程为（3-13）导体通过正常工作电流时，其温度变化范围不大，因此电阻R、比热容c及散热系数均可视为常数。设t＝0时，初始温升。当时间由0→t时，温升由，对上式进行积分2wddd(J/m)IRtmcFt2w2ww1dd()mctIRFFIRFk2w2ww01dd()tmctIRFFIRFww0wkk0k“十一五”国家级规划教材（3-14）由此可求得（3-15）经过很长时间后，导体的温升亦趋于稳定值，故稳定温升为（3-16）导体的发热时间常数（3-17）tw2w2wwklnIRFmctFIRFww2kw(1)FFttmcmcIReeF2wwIRFrwmcTF“十一五”国家级规划教材升温过程表达式（3-18）上式说明升温的过程是按指数曲线变化，大约经过t=(3~4)Tr时间，便趋近稳定温升，如图3-5所示。图3-5导体温升的变化曲线rrwk(1)ttTTee“十一五”国家级规划教材（二）导体的载流量根据稳定温升公，可计算导体的载流量，即（3-19）则导体的载流量为（3-20）对于屋外导体，计及日照时导体的载流量为（3-21）2wwlfIRFQQww0lf()(A)FQQIRRlftQQQIAR“十一五”国家级规划教材一、导体短路时发热过程载流导体短路时发热计算的目的：确定短路时导体的最高温度，它不应超过所规定的导体短时发热允许温度。当满足这个条件时则认为导体在流过短路电流时具有热稳定性。短路时导体的发热过程如图3-6所示。h第二节载流导体短路时发热计算“十一五”国家级规划教材导体短路时发热有下列特点：（1）短路电流大，持续时间短，导体内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）短路时导体温度变化范围很大，它的电阻和比热容不能再视为常数，而应为温度的函数。图3-6短路时均匀导体的发热过程“十一五”国家级规划教材根据短路时导体发热的特点，在时间内，可列出热平衡方程式（3-22）2ktdd(J)iRtmC01(1)()fkRSm(kg)mSl0(1)CCdtRclf(W/m)QQQQ导体发热热平衡方程“十一五”国家级规划教材导体短路时发热的微分方程式整理后得（3-23）对上式两边求积分(注意左右积分区间不同)（3-24）2kt0m0(1)d(1)dflkitSlCS20mkt201d1fkCitdSkhw20mkt2001dd1tfkCitS断路器参数动作时间：（为短路切除时间）kprbrtttkttbrtbr上式中左端积分与短路电流发出的热量成比例，称为短路电流热效应（或热脉冲）（3-25）式（3-24）右端积分式中k22kkt0d(As)tQithhhwww0m0m000mhh200mwwhw2011ddd111[ln(1)][ln(1)]CCCCAA0mhhh20[ln(1)]CA4[J/(m)]0mwww20[ln(1)]CA4[J/(m)]其中：khw2fkQAAS于是式（3-24）可写成：（3-26）今天再大的事，到了明天就是小事；今年再大的事，到了明年就是故事；今生再大的事，到了来世就是传说。人生如行路，一路艰辛，一路风景。你的目光所及，就是你的人生境界。上式中A值与导体的材料和温度有关，为了简化Aw和Ah的计