《电能生产过程》学习笔记五

电能生产过程—学习笔记五主题：《电能生产过程》学习笔记内容：《电能生产过程》学习笔记五——载流导体的发热和电动力一、概述1、导体工作状态载流导体在运行过程中基于通过电流大小和持续时间不同，其工作状态通常分为两种。（1）正常工作状态，导体上承载的电压和电流都不超过额定值，导体可长期稳定运行。此时导体承受由工作电流所引起的连续发热，又称长期发热，其特征是导体内部所发出的热量与散失到周围介质中的热量相等（即热量平衡），因此导体的温度保持稳定不变。（2）短路工作状态，导体承载短路电流冲击的状态。此时由短路电流所引起的发热，称为短路时发热（或简称短时发热）。短路时短路电流很大，将产生较多的热量；一般情况下，短路故障持续的时间很短，平衡状态来不及建立。在故障持续的短期内，导体或电气设备应能承受短时发热和力的作用。2、导体发热及损耗来源常规导体上承载电流即会产生发热效应，该热效应来源于导体中的电能损耗，一般包括：①由载流导体和连接部分本身电阻所产生的损耗；②载流导体周围的金属构件处于交变电磁场中产生的磁滞和涡流损耗；③绝缘材料在电磁场作用下将产生介质损耗等。所有这些能量损耗几乎全部变为热能，从而使电气设备和载流导体温度升高。3、发热对导体的不良影响电能生产和传输过程中，发热是不可避免的，发热给电气设备带来的不良影响可归结为以下三个方面：（1）使绝缘材料的绝缘性能降低。绝缘材料老化的速度与使用时的温度有关，有机绝缘材料长期受到高温的作用，将会逐渐变脆和老化，致使绝缘材料失去弹性，绝缘性能降低。（2）使金属材料的机械强度下降。金属材料温度的升高，会使材料退火软化，机械强度下降，因而可能在短路电动力的作用下变形或损坏。（3）使导体接触的接触电阻增加。在导体的接触连接处，若温度过高，接触连接表面会被强烈氧化，形成电阻率很高的氧化层，将进一步使接触部分的温度继续升高，从而又加剧了发热势态，产生恶性循环，致使接触处松动或烧熔，破坏导体工作状态。4、导体允许工作温度为了保证电气设备可靠地工作，应限制其发热，限制其温度不得超过某一数值，该限制值称为最高允许温度。一般导体的长期最高允许温度为70℃，计及日照与散热镀层后可取为80~85℃；导体的短时最高允许温度对铝导体一般取为200℃，对硬钢导体取为330℃。二、导体长期发热与载流量计算1、导体的发热和散热（1）导体的发热电能生产过程—学习笔记五导体的发热主要来源于导体的电阻发热、日照发热（对户外导体），其中以电阻发热为主。—电阻发热单位长度的导体，通过电流I(A)时，由电阻损耗产生的热量为2RacQIR（W/m）其中导体的交流电阻Rac计算为twSf[1(20)]acdcaRKRKS式中，ρ为导体温度在20℃时的直流电阻率（Ω·mm2/m）；at为电阻温度系数（℃-1）；θw为导体的运行温度（℃）；Kf为导体集肤效应系数；S为导体截面积（mm2）。—日照发热安装在屋外的导体，应考虑日照的影响。对于单位长度圆管导体，日照的热量可计算为tttQEAD(W/m)，式中Et为太阳照射功率密度(W/m2)；At为导体的吸收率；D为导体的直径(m)。对于屋内导体，因无日照的作用，这部分热量可忽略不计。（2）导体的散热导体的散热来源于对流、辐射与传导3个热交换过程。—对流散热对流是由气体各部分发生相对位移将热量带走的过程，对流换热所传递的热量，与温差及换热面积成正比，即单位长度导体对流散热量Ql为llw0l()QF(W/m)式中l为对流换热系数[w／(m2·℃)]；θw为导体温度(℃)；θ0为周围空气温度(℃)；Fl为单位长度导体对流散热面积(m2/m)。由于对流条件不同，可分为自然对流和强迫对流两种情况。屋内自然通风或屋外风速小于0.2m/s，属于自然对流换热。—辐射散热热量从高温物体，以热射线方式传至低温物体的传播过程，称为辐射。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之差成正比，即单位长度导体辐射换热量为44W02732735.7()()(W/m)100100rrttQF式中为导体材料的辐射系数；Fr为单位长度导体的辐射散热面积(m2/m)。—传导散热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。在气体中，气体分子不停地运功，高温区域的分子比低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。单位长度导体导热量Qd为)(mWFQdd21式中为导热系数W/(m·℃)；Fd为导热面积(m2)；为物体厚度(m)；θ1、θ2分别为高温区和低温区的温度(℃)。电能生产过程—学习笔记五2、导体的长期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。导体的温升过程，可用热量平衡方程式来描述，发热过程中有如下关系：RtWlfd()QQQQQQ即导体电阻损耗产生的热量及吸收日照的热量之和（QR+Qt），一部分用于本身温度升高（QW），另一部分（Ql+Qf+Qd）以热传递的形式散失出去。工程上为了便于计算，常忽略日照发热的影响，并把辐射、传导换热量表示成与对流换热量相似的形式，并用一个总换热系数a及总的换热面积F来表示总换热作用。设导体在发热过程中的温度为θ，则FaQQQQQQWdflWR)()(0(W/m)设导体通过电流I时，在t时刻温度为θ，则温升为0，在时间dt内的热平衡方程为2ddd(J/m)IRtmcaFt式中m为单位长度导体的质量，c为导体的比热容，其中电阻R、比热容c及散热系数均可视为常数，初始条件为t=0，初始温升0ii。由此可求得2(1)aFaFttmcmciIReeaFt→∞，导体的温升亦趋于稳定值w，故稳定温升为2wIRaF。由此说明，载流导体升温过程是按指数曲线变化的，经过一段时间后，趋近稳定温升w。3、导体长期载流量计算根据稳定温升公式，可以算出导体的长期允许载流量，即由dflwQQQaFRI2在导体温度不超过规定上限w条件下，导体的载流量为RQQQRaFIdflw)(0(A)对于屋外导体，若计及日照作用时导体的载流量为RQQQQItdfl从上述过程可总结出提高导体长期允许载流量的措施。三、导体短时发热载流导体短路时（或称为短时）发热，是指短路开始至短路切除为止，很短一段时间内导体发热的过程。1、短时发热特点电能生产过程—学习笔记五短时发热中导体发出的热量比正常发热量要多得多，导体温度升得很高。其特点为：（1）发热时间很短，产生的热量来不及向周围介质散布，因此耗失的热量可以不计，基本上是绝热过程，即导体产生的热量，全部用于使导体温度升高。（2）短路时导体温度变化范围很大，电阻和比热容会随温度而变，故不能作为常数对待，而应为温度的函数。2、短时发热过程分析在导体短时发热过程中，热量平衡关系是：电阻损耗产生的热量等于导体温度升高所需的热量。在时间dt内，热平衡方程式为2ktddIRtmc式中Ikt为短路电流全电流的有效值；Rθ为温度为θ℃时导体的电阻，SlR)(10；m为导体的质量(kg)；cθ为温度为θ℃时导体的比热容，0(1)cc。其中ρ0为0℃时导体的电阻率；为ρ0的温度系数；c0为0℃时导体的比热容；为c0的温度系数；l为导体的长度；S为导体的截面积；ρm为导体材料的密度。将上述参数带入短时热平衡方程得2kt00(1)d(1)dmlItSlcS对上式求积分，等式左边积分从短路开始（t=0）到短路切除时（tk）积分，等式右边从导体的短路开始温度（θw）到通过短路电流发热后的最高温度（θh）积分，于是得2kthw201dktItAAS其中0hhh200(1)ln(1)mmcAcA这里积分2kt0dktIt，与短路电流发出的热量成比例，称为短路电流的热效应（或称热脉冲），用Qk表示，即2kkt0dktQIt。由此wkhASQA2，即可通过)(A曲线，在短路起始时刻温度状态[)(wA]上累加短路电流热效应量[2SQk]后，得到短路切除时刻温度状态[)(hA]，进而在)(A曲线上查得对应的温度h。四、导体电动力计算1、两平行载流导体间的作用力由毕沙拉定律，两平行导体中分别流有电流i1和i2时，当两电流方向相同时为吸引力，反之为推斥力，相互作用力的大小由下式决定：电能生产过程—学习笔记五120.2(N)LFKiia式中：i1和i2为流过两平行导体中的电流瞬时值（kA）；L为平行导体长度（m）；a为两导体中心的距离（m）；K为导体截面的形状系数。2、三相导体的短路电动力经计算，当三相导体安装于同一平面时，中间相导体所受的电动力最大（约比两边相受力大7％）。最大电动力大约出现于三相短路发生后的0.01s瞬间（第一个半周波），完全与三相短路电流最大瞬时值同步，且最大短路电动力出现的条件是短路发生在满足初始临界相角关系的位置处。短路电动力中含有50Hz（基频）与100Hz（倍频）的振动分量。3、导体振动应力与频率因三相短路电动力中含有50Hz（基频）与100Hz（倍频）的振动分量，对刚性导体为了避免产生危险的共振，应使其固有频率在下述范围以外：单条导体及一组中的各条导体35～135Hz；多条导体及引下线的单条导体35～155Hz；槽形和管形导体30～160Hz。