第六章 载流导体的发热和电动力

第一节概述一、发热和电动力对电气设备的影响▉电气设备的两种工作状态▉电气设备工作中的两种损耗▉电气设备工作时的两种发热及不良影响▉电气设备流过短路电流时的巨大危害二、导体的发热和散热▉发热▉散热▉发热和电动力对电气设备的影响1.电气设备在运行中的两种工作状态（1）正常工作状态。指运行参数都不超过额定值，电气设备能够长期而经济地工作的状态。（2）短路时工作状态。当电力系统中发生短路故障时，电气设备要流过很大的短路电流，在短路故障被切除前的短时间内，电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。2.电气设备工作中的两种损耗（1）“铜损”，即电流在导体电阻中的损耗；（2）“铁损”，即在导体周围的金属构件中产生的磁滞和涡流损耗；（3）“介损”，即绝缘材料在电场作用下产生的损耗。这些损耗都转换为热能，使电气设备的温度升高。本章主要讨论铜损发热问题。▉发热和电动力对电气设备的影响▉发热和电动力对电气设备的影响3.电气设备工作时的两种发热及不良影响电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短时发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，从而产生不良的影响。（1）机械强度下降。（2）接触电阻增加。（3）绝缘性能下降。▉发热和电动力对电气设备的影响4.电气设备流过短路电流时的巨大危害当电气设备通过短路电流时，短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危害性。如：（1）载流部分可能因为电动力而振动，或者因电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件（如绝缘子）或载流部件损坏。（2）电气设备的电磁绕组，受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏。（3）巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。▉导体的发热和散热1.发热导体的发热主要来自导体电阻损耗的热量和太阳日照的热量。（1）导体电阻损耗的热量QR；（2）太阳日照产生的热量。2.散热散热的过程实质是热量的传递过程，其形式一般由三种:（1）导热。使热量由高温区传至低温区。（2）对流。在气体中，各部分气体发生相对位移将热量带走的过程。（3）辐射。热量从高温以热射线方式传至低温物体的传播过程。第二节导体的长期发热一、导体的温升过程二、导体的载流量三、提高导体载流量的措施▉导体的温升过程—（1）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。▉导体温升过程—（2）（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）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。（3）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。从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出：▉导体的载流量导体长期通过电流Ⅰ时,稳定温升为。由此可知：导体的稳定温升，与电流的平方和导体材料的电阻成正比，而与总换热系数和换热面积成反比。导体允许的长期工作电流为：式中，，称为导体载流量的修正系数。FRI2NNNNNxuIKII00NNNK00▉提高导体载流量的措施—（1）在工程实践中，为了保证配电装置的安全和提高经济效益，应采取措施提高导体的载流量。常用的措施有：（1）减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比，故减小导体电阻可以有效的提高导体载流量。减小导体电阻的方法：①采用电阻率ρ小的材料作导体，如铜、铝合金等；②减小导体的接触电阻（Rj）；③增大导体的截面积(S),但随着截面积的增加，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，单条导体的最大截面积不超过1250mm2。▉提高导体载流量的措施—（2）（2）增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积（F）成正比，所以导体宜采用周边最大的截面形式，如矩形截面、槽形截面等，并采用有利于增大散热面积的方式布置，如矩形导体竖放。（3）提高换热系数。提高换热系数的方法主要有：①加强冷却。如改善通风条件或采取强制通风，采用专用的冷却介质，如SF6气体、冷却水等；②室内裸导体表面涂漆。利用漆的辐射系数大的特点，提高换热系数，以加强散热，提高导体载流量。表面涂漆还便于识别相序。第三节短路电流的电动力效应一、两平衡导体间的电动力计算▉两根平行载流导体间的作用力▉导体间的电动力二、三相短路时的电动力计算▉三相短路时的电动力▉两相短路时的电动力三、考虑母线共振影响时对电动力的修正▉两平行导体间电动力的计算1.两根平行载流导体间的作用力当两个平行导体通过电流时，由于磁场相互作用而产生电动力，电动力的方向与所通过的电流的方向有关。如图6-7所示，当电流的方向相反时，导体间产生斥力；而当电流方向相同时，则产生吸力。▉两平行导体间电动力的计算2.两根导体间的电动力根据比奥——沙瓦定律，导体间的电动力为式中i1、i2———分别通过两平行导体的电流（A）；l———该段导体的长度（m）；a———两根导体轴线间的距离（m）；Kx——形状系数。)(102721AaliiKFX形状系数表示实际形状导体所受的电动力与细长导体（把电流看作是集中在轴线上）电动力之比。▉三相短路时的电动力计算—（1）三相短路时，每相导体所承受的电动力等于该相导体与其它两相之间电动力的矢量和。三相导体布置在同一平面时，各相导体所通过的电流不同，故边缘相与中间相所承受的电动力也不同。图6-8为对称三相短路时的电动力示意图。▉三相短路时的电动力计算—（2）23)3()2(II）（NialFchB27max1073.1)3()2(23chchii最大冲击力发生在短路后0.1s，而且以中间相受力最大。用三相冲击短路电流ich(kA)表示的中间相的最大电动力为根据电力系统短路故障分析的知识：，故两相短路时的冲击电流为。发生两相短路时，最大电动力为237227max][105.1][102）（）（chchialialF两相短路时最大电动力小于同一地点三相短路时的最大电动力，要用三相短路时的最大电动力校验电气设备的动稳定。▉考虑母线共振影响时对电动力的修正—（1）如果把导体看成是多垮的连续梁，则母线的一阶固有振动频率为mEILNff2式中Nf——频率系数；L——跨距，m；E——导体材料的弹性摸具，Pa；Ⅰ——导线断面二次矩，m4；m——导线单位长度的质量，kg/m。Nf根据导体连续跨数和支撑方式决定，其值如表6-4示。表6-4导体不同固定方式时的频率系数Nf值▉考虑母线共振影响时对电动力的修正—（2）当一阶固有振动频率f1在30～160Hz范围内时，因其接近电动力的频率（或倍频）而产生共振，导致母线材料的应力增加，此时用动态应力系数β进行修正，故考虑共振影响后的电动力的公式为）（NialFchB27max1073.1（1）单条导体及一组中的各条导体35～135Hz（2）多条导体及有引下线的单条导体35～155Hz（3）槽形和管形导体30～160Hz。▉载流导体的发热和电动力—思考题（1）1.研究导体和电器的发热的意义是什么？长期发热和短时发热各有何特点？2.为什么要规定导体和电器的发热允许温度？短时发热允许温度和长期发热允许温度是否相同，为什么？3.导体长期允许电流是根据什么确定的？提高导体长期允许电流应采取哪些措施？▉载流导体的发热和电动力—思考题（2）4.为什么要计算导体短时发热最高温度？如何计算？5.怎样计算短路电流周期分量和非周期分量的热效应？6.电动力对导体和电器运行有何影响？7.三相平行导体中最大电动力发生在哪一相上，在短路后什么时间出现？