导体载流量和运行温度计算

《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算教学内容本节教学内容一、概述二、导体的发热和散热三、导体载流量的计算首页《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算一.概述一、概述1）当电流通过导体时，在导体电阻中所产生的电阻损耗。2）绝缘材料在电压作用下所产生的介质损耗。3）导体周围的金属构件，特别是铁磁物质，在电磁场作用下，产生的涡流和磁滞损耗。（1）长期发热：导体和电器中长期通过正常工作电流所引起的发热。（2）短时发热：由短路电流通过导体和电器时引起的发热。发热的分类第一节导体载流量和运行温度计算《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算一.概述发热对电器设备的影响（1）机械强度下降高温会使金属材料退火软化，机械强度下降。（2）接触电阻增加高温将造成导体接触连接处表面氧化，使接触电阻增加，温度进一步升高，产生恶性循环，可能导致连接处松动或烧熔。（3）绝缘性能降低有机绝缘材料（如电缆纸、橡胶等）长期受高温的作用，将逐渐变脆和老化，使用年限缩短，甚至碳化而烧坏。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算一.概述为了保证导体在长期发热和短时发热作用下能可靠、安全地工作，应使其发热的最高温度不超过导体的长期发热和短时发热最高允许温度。（1）导体的长期发热最高允许温度不应超过+70℃，在计及日照影响时，钢心铝线及管形导体可按不超过+80℃考虑。当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时，可提高到+85℃。（2）导体的短时最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取+200℃，硬铜可取+300℃。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算一.概述（3）影响长期发热最高允许温度的因素主要是保证导体接触部分可靠地工作。发生短路故障时，除了引起发热外，还会产生很大的电动力，造成导体变形或损坏。（4）影响短时发热最高允许温度的因素主要是机械强度和带绝缘导体的绝缘耐热度（如电缆），机械强度的下降还与发热持续时间有关，发热时间越短，引起机械强度下降的温度就越高，故短时发热最高允许温度远高于长期发热最高允许温度。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热二、导体发热和散热的计算导体的发热计算,是根据能量守恒原理,即导体产生的热量与耗散的热量应相等来进行计算的。在稳定状态时,导体电阻损耗的热量及吸收太阳热量之和应等于导体辐射散热和空气对流散热之和(对空气的导热可略去不计),即:fltRQQQQ式中QR–单位长度导体电阻损耗的热量,W/m;Qt–单位长度导体吸收太阳日照的热量,W/m;Ql–单位长度导体的对流散热量,W/m;Qf–单位长度导体向周围介质辐射散热量,W/m;《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热1．导体电阻损耗产生的热量QR单位长度导体的交流电阻：单位长度的导体，通过有效值为Iw的交流电流时，由电阻损耗产生的热量：ac2wRIQR(W/m)SKRf)]20(1[wtac(/m)式中Rac－导体的交流电阻（/m）；－导体温度为20℃时的直流电阻率（·mm2/m）；t－电阻温度系数（℃－1）；w－导体的运行温度（℃）；Kf－集肤系数：S－导体截面积（mm2）。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热矩形截面导体的集肤系数曲线示于图3-1中。圆管形截面导体的集肤系数曲线示于图3-2中。图中f为电源频率，Rdc为1000m长导体的直流电阻。导体的集肤系数Kf与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。常用电工材料的电阻率及温度系数，列于表3-l。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热表3－1电阻率及温度系数t《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热图3－1矩形导体的集肤系数导体的集肤系数与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。矩形截面导体的集肤系数，示于图3－1。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热圆柱及圆管导体的集肤系数，示于图3－2。f为电源频率，Rdc为1000m长导体的直流电阻。图3－2圆柱及管形导体的集肤系数《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热2．导体吸收太阳辐射的热量Qt太阳照射（辐射）的热量也会造成导体温度升高，安装在屋外的导体，一般应考虑日照的影响，圆管形导体吸收的太阳日照热量为：DAEQttt(W/m)式中Et－太阳辐射功率密度，取Et＝1000（W/m2）；At－导体的吸收率，对铝管取At＝0.6；D－导体的直径（m）。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热3．导体对流散热量QllllFQ)(0w(W/m)式中l－对流换热系数[W／(m2·℃)]；w－导体温度(℃)；0－周围空气温度(℃)；Fl－单位长度导体散热面积（m2/m)。对流换热所传递的热量，与温差及换热面积成正比，即对流换热量为《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热对流换热系数αl的计算（1）自然对流换热量的计算屋内空气自然流动或屋外风速小于0.2m/s，属于自然对流换热。此种情况的对流换热系数取:35.00w)(5.1l[W／(m2·℃)]单位长度导体的对流换热面积Fl是指有效面积，它与导体形状、尺寸、布置方式和多条导体的间距等因素有关。图3-3《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热单条矩形导体竖放时（如图3-3a所示）的对流散热面积（单位为m2/m）为:)(221AAFl圆管形导体(直径为D)，如图5-3d所示，的对流换热面积为DFlπ两条矩形导体竖放时（如图3-3b所示）的对流散热面积（单位为m2/m）为:bmm6mm8mm101F12A215.2AA2143AA《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热（2）强迫对流散热量的计算屋内人工通风或屋外导体处在风速较大的环境时，可以带走更多的热量，属于强迫对流换热。圆管形导体的对流散热系数为:DNlu65.013.0VDNu式中－空气的导热系数，当气温为20℃时，＝2.52×10－2〔W／（m·℃）〕；D－圆管外径(m)；Nu—努谢尔特准则数，这是传热学中表示对流换热强度的一个数据；V－风速(m/s)；D－圆管外径(m)；－空气的运动粘度系数，当空气温度为20℃时，＝15.7×10－6（m2/s）。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热风向与导体不垂直的修正系数nBA)(sin当0º≤24º时，A=0.42，B=0.68，n=1.08；当24º≤90º时，A=0.42，B=0.58，n=0.9。将式(3－7)代入式(3－5)，即得强迫对流散热量Qf为:DBADNQnwuIsin0]sin[13.0016.0nwBAVD(W/m)《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热4．辐射换热量的计算根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律，导体向周围空气辐射的热量为：θW、θ0——导体温度和周围空气温度（℃）；ε—导体材料的辐射系数，如表3-2所示；Ff—单位长度导体的辐射换热面积（m2/m）。ffFQ404w1002731002737.5(W/m)《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热表3－2导体材料的辐射换热系数《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算二.导体的发热和散热5.导热散热量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。而在气体中，气体分子不停地运动，高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。导热量Qd为21ddFQ（W）式中－导热系数〔W/（m.℃）〕；Fd－导热面积（m2）；－物体厚度（m）；1、2－分别为高温区和低温区的温度（℃）。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算三.导体载流量的计算1、导体的温升过程导体的温度由最初温度开始上升，经过一段时间后达到稳定温度。导体的升温过程，可按热量平衡关系来描述。导体散到周围介质的热量，为对流换热量QI与辐射换热量Qf之和（一般导热量很小可以忽略），这是一种复合换热。工程上为了便于分析与计算，常把辐射换热量表示成与对流换热量相似的计算形式，故用一个总换热系数w来包括对流换热与辐射换热的作用，即FQQWWfl0《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算在导体升温的过程中，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（QI+Qf）。由此可写出热量平衡方程式如下flcRQQQQ(W/m)在时间dt内，由上式可得：dtFmcdRdtIWW)(02(J/m)式中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－导体的总换热系数〔w／(m2·℃)〕；F－导体的换热面积(m2/m)；w－导体的温度(℃)；0－周围空气的温度(℃)。《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算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及换热系数均可视为常数。式（3－13）经整理后，即得0202102020)(1对上式进行积分，当时间由0t时，温度从开始温度i上升至相应温度，故解之得：)()(ln0202k《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算设开始温升为k＝k－0，对应于时间t的温升为＝－0，代入式（3－14），可求得tmcFktmcF12经过很长时间后t，导体的温升亦趋于稳定值s，故稳定温升为FRIww2《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算式中Tr－导体的发热时间常数。得出升温过程的表达式为rrTtkTtwee1此式说明，升温过程是按指数曲线变化，如图3－5所示。大约经过t＝（3～4）Tr时间，便趋近稳定温升w。FmcTWr令《风电厂电气系统》第三章常用计算的基本理论和方法第一节导体载流量和运行温度计算三、导体载流量的计算2.导体的载流量上面已推导出，导体长期通过电流I时，稳定温升为w＝