電氣設(shè)備的熱和電動力計算課件

1、電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件第五章 電氣設(shè)備的發(fā)熱及電動力計算5.1 電氣設(shè)備的允許溫度電氣設(shè)備的允許溫度n1、電氣設(shè)備的運行特點、電氣設(shè)備的運行特點發(fā)發(fā)熱熱絕緣絕緣老化老化介質(zhì)介質(zhì)損耗損耗渦流和渦流和磁滯損耗磁滯損耗電能損耗電能損耗影響設(shè)備正影響設(shè)備正常壽命和工常壽命和工作狀態(tài)作狀態(tài)絕緣絕緣材料材料交變磁場交變磁場鐵磁鐵磁物質(zhì)物質(zhì)電流電流導(dǎo)體導(dǎo)體電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n2、電氣設(shè)備的發(fā)熱類型、電氣設(shè)備的發(fā)熱類型長期發(fā)熱長期發(fā)熱由正常工作電流引起，可用來確由正常工作電流引起，可用來確定導(dǎo)體正常工作時的最大允許載流量。定導(dǎo)體正常工作時的最大允許載流量。n特點：特點：電流小，持續(xù)時間長，

2、熱量的產(chǎn)生與電流小，持續(xù)時間長，熱量的產(chǎn)生與散失將維持一動態(tài)平衡，達到一穩(wěn)定溫升，散失將維持一動態(tài)平衡，達到一穩(wěn)定溫升，溫度不再改變。溫度不再改變。短短（路）（路）時發(fā)熱時發(fā)熱由短路電流引起，可用來由短路電流引起，可用來確定短路切除以前可能出現(xiàn)的最大溫度。確定短路切除以前可能出現(xiàn)的最大溫度。n特點：特點：電流大且時間短暫，熱量幾乎全部用電流大且時間短暫，熱量幾乎全部用于導(dǎo)體溫升。于導(dǎo)體溫升。電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n3、發(fā)熱的其它概念：、發(fā)熱的其它概念：熱穩(wěn)定性熱穩(wěn)定性長期工作電流或短路電流通過導(dǎo)長期工作電流或短路電流通過導(dǎo)體、電器時，實際發(fā)熱溫度不超過各自發(fā)熱的體、電器時，實際發(fā)熱溫度

3、不超過各自發(fā)熱的允許溫度，即具有足夠熱穩(wěn)定性。允許溫度，即具有足夠熱穩(wěn)定性。允許溫度允許溫度：可承受的最高溫度值。：可承受的最高溫度值。允許溫升允許溫升：n長期發(fā)熱的允許溫升較周圍（計算）環(huán)長期發(fā)熱的允許溫升較周圍（計算）環(huán)境溫度的溫度升高值。境溫度的溫度升高值。n短時發(fā)熱的允許溫升較短路前的溫度升短時發(fā)熱的允許溫升較短路前的溫度升高值，通常與導(dǎo)體長期工作時的最高允許溫高值，通常與導(dǎo)體長期工作時的最高允許溫度相比較。度相比較。電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件5.2 導(dǎo)體長期發(fā)熱的計算導(dǎo)體長期發(fā)熱的計算n兩種計算思路：兩種計算思路：根據(jù)根據(jù)y y（導(dǎo)體長期發(fā)熱允許溫度）（導(dǎo)體長期發(fā)熱允許溫度） I

4、 Iy y（允（允許電流）；許電流）； 進而校驗，使?jié)M足進而校驗，使?jié)M足I Ig.zdg.zdI Iy y 根據(jù)根據(jù)I Ig.zdg.zd（導(dǎo)體最大長期工作電流）（導(dǎo)體最大長期工作電流） c c（導(dǎo)體長期發(fā)熱穩(wěn)定溫度）；（導(dǎo)體長期發(fā)熱穩(wěn)定溫度）； 進而校驗，使?jié)M足進而校驗，使?jié)M足c cy y電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n一、允許電流一、允許電流I Iy y的確定的確定對于母線、電纜等均勻?qū)w，其允許電流對于母線、電纜等均勻?qū)w，其允許電流I Iy y可可查標(biāo)準(zhǔn)截面允許電流表。查標(biāo)準(zhǔn)截面允許電流表。注意：注意：n對應(yīng)查得的電流的條件為：計算環(huán)境溫度對應(yīng)查得的電流的條件為：計算環(huán)境溫度0 25，

5、最高發(fā)熱允許溫度，最高發(fā)熱允許溫度y70；n故當(dāng)實際環(huán)境溫度故當(dāng)實際環(huán)境溫度與與0不一致或敷設(shè)條件不不一致或敷設(shè)條件不同時，需要進行同時，需要進行溫度校正溫度校正：)(0AIIyyyy電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n二、導(dǎo)體長期發(fā)熱溫度二、導(dǎo)體長期發(fā)熱溫度cc（y ）( (I Ig.zdg.zd/I Iyy) )實際環(huán)境溫度實際環(huán)境溫度I Ig.zdg.zd最大長期工作電流（一般考慮持最大長期工作電流（一般考慮持續(xù)續(xù)30min以上以上的最大工作電流）的最大工作電流）I Iyy校正后的允許電流校正后的允許電流電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件5.3 導(dǎo)體短路時的發(fā)熱計算導(dǎo)體短路時的發(fā)熱計算n導(dǎo)體必須

6、能承受短路電流的熱效應(yīng)而不致使絕緣導(dǎo)體必須能承受短路電流的熱效應(yīng)而不致使絕緣材料軟化燒壞，也不致使芯線材料的機械強度降材料軟化燒壞，也不致使芯線材料的機械強度降低，這種能力即低，這種能力即導(dǎo)體的短路熱穩(wěn)定性導(dǎo)體的短路熱穩(wěn)定性。n短路熱穩(wěn)定性的校驗短路熱穩(wěn)定性的校驗思路：思路：當(dāng)導(dǎo)體通過短路電流時的最高發(fā)熱溫度當(dāng)導(dǎo)體通過短路電流時的最高發(fā)熱溫度d dd yd y規(guī)定的導(dǎo)體短時發(fā)熱允許溫度，規(guī)定的導(dǎo)體短時發(fā)熱允許溫度，則認(rèn)為導(dǎo)體在短路條件下是熱穩(wěn)定的；則認(rèn)為導(dǎo)體在短路條件下是熱穩(wěn)定的；否則是熱不穩(wěn)定的。否則是熱不穩(wěn)定的。電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n一、短路時發(fā)熱的計算條件一、短路時發(fā)熱的計算條

7、件由其短時發(fā)熱的主要特點而決定由其短時發(fā)熱的主要特點而決定:a、視為、視為絕熱過程絕熱過程短路時間內(nèi)產(chǎn)生的短路時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量全部用來提高導(dǎo)體本身的溫度，即熱量全部用來提高導(dǎo)體本身的溫度，即不考慮散熱；不考慮散熱；b、短路時導(dǎo)體的物理特性，如、短路時導(dǎo)體的物理特性，如比熱、電比熱、電阻率阻率等不能視為常數(shù)，而是溫度的函數(shù)；等不能視為常數(shù)，而是溫度的函數(shù)；c、短路電流瞬時值的實際變化規(guī)律復(fù)雜，、短路電流瞬時值的實際變化規(guī)律復(fù)雜，故選取故選取短路電流全電流的有效值短路電流全電流的有效值來進行來進行發(fā)熱計算。發(fā)熱計算。電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n二、短路時最高發(fā)熱溫度二、短路時最高發(fā)熱溫度d的計

8、算的計算n熱平衡：熱平衡：產(chǎn)生的全部熱量吸收的產(chǎn)生的全部熱量吸收的短路電流全電流的有效值；短路電流全電流的有效值；(5-3)、(5-4)分分別為溫度別為溫度時導(dǎo)體的電阻、比熱。時導(dǎo)體的電阻、比熱。n設(shè)短路發(fā)生時間為設(shè)短路發(fā)生時間為0t，相應(yīng)的導(dǎo)體溫，相應(yīng)的導(dǎo)體溫度變化為度變化為q （起始溫度）（起始溫度） d，兩邊積，兩邊積分、整理可得：分、整理可得：式中即短路電流的熱效應(yīng)。式中即短路電流的熱效應(yīng)。mdCdtRId2qddAAQS21tdddtIQ02dIRC（5-7）電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件AdAq參見參見P71式式58 但注意：但注意：Aq有誤！有誤！n由上述可看出由上述可看出Qd、

9、Ad、Aq的解析算法很麻煩，所的解析算法很麻煩，所以一般采取以一般采取簡化方法等值時間法：簡化方法等值時間法：、Qd的的等效計算等效計算（因（因id實際變化復(fù)雜）實際變化復(fù)雜）由由I（穩(wěn)態(tài)電流）和（穩(wěn)態(tài)電流）和tdz（短路發(fā)熱等效時間，（短路發(fā)熱等效時間，假想值）推出假想值）推出Qd，則有：，則有：（59）且且tz, tfz分別為周期性、非周期性短路電流分量等值時間。分別為周期性、非周期性短路電流分量等值時間。tz的確定的確定由周期分量等值時間曲線（圖由周期分量等值時間曲線（圖53）tz=f(,t)可查得?？刹榈?。dztddtIdtIQ202)(stttfzzdz電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件

10、即以即以I/I 之比代表短路電流的變化規(guī)律。之比代表短路電流的變化規(guī)律。其中，其中，I短路次暫態(tài)電流有效值，即短路后短路次暫態(tài)電流有效值，即短路后第一周期的第一周期的iz有效值有效值（周期性分量（周期性分量0s有效值）。有效值）。 圖圖5-3的的tz=f(,t)曲線只作出了曲線只作出了t5s時，若短路持時，若短路持續(xù)時間續(xù)時間t5s，則：，則： tdz=tz(5)+(t5) (s)（短路時間（短路時間一般不會超過一般不會超過5s，即，即5s后已達短路后穩(wěn)態(tài)。）后已達短路后穩(wěn)態(tài)。）tfzt1s時，短路電流非周期分量基本衰減完，不計時，短路電流非周期分量基本衰減完，不計其發(fā)熱，即無需計算其發(fā)熱，即

11、無需計算tfz。t1s時，應(yīng)計其發(fā)熱影響：時，應(yīng)計其發(fā)熱影響：（等效）（等效）fztfztIdti202II 電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件又因為又因為其中，其中，Ta為短路電流非周期分量為短路電流非周期分量ifz衰減時間常數(shù)衰減時間常數(shù)（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因為因為ifz為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為0.025s；在在4倍時間常數(shù)后，即短路時間倍時間常數(shù)后，即短路時間t0.1s后熱量不再后熱量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下簡化處理簡化處理：nt1s時，時，tfz=0n0.1t1s時，時，nt0.1s時，時，tfz按按(5-13)

12、式計算式計算)025. 0exp(1 (05. 02 ttfz)exp(2 afzTtIi2 05. 0fzt又因為又因為其中，其中，Ta為短路電流非周期分量為短路電流非周期分量ifz衰減時間常數(shù)衰減時間常數(shù)（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因為因為ifz為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為0.025s；在在4倍時間常數(shù)后，即短路時間倍時間常數(shù)后，即短路時間t0.1s后熱量不再后熱量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下簡化處理簡化處理：nt1s時，時，tfz=0n0.1t1s時，時，nt0.1s時，時，tfz按按(5-13)式計算式計算2 05. 0fz

13、t又因為又因為其中，其中，Ta為短路電流非周期分量為短路電流非周期分量ifz衰減時間常數(shù)衰減時間常數(shù)（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因為因為ifz為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為為一衰減分量，其發(fā)熱時間常數(shù)為0.025s；在在4倍時間常數(shù)后，即短路時間倍時間常數(shù)后，即短路時間t0.1s后熱量不再后熱量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下簡化處理簡化處理：nt1s時，時，tfz=0n0.1t1s時，時，nt0.1s時，時，tfz按按(5-13)式計算式計算2 05. 0fzt電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n2、 d的確定全步驟的確定全步驟n將將材料的材料的A值與溫度值與溫度的關(guān)系

14、作成圖的關(guān)系作成圖54示示f(A)曲線（取決于導(dǎo)體的材料類型）；曲線（取決于導(dǎo)體的材料類型）；n由導(dǎo)體材料及初始溫度由導(dǎo)體材料及初始溫度q查出查出Aq ；n按上述方法（式按上述方法（式59）求出）求出Qd ，又由，又由Aq、導(dǎo)、導(dǎo)體截面體截面S，推出，推出Ad值：值：n最后，可由最后，可由Ad值查相應(yīng)材料的值查相應(yīng)材料的f(A) 曲線得曲線得到到d 。（注意：注意：A為為導(dǎo)體加熱系數(shù)導(dǎo)體加熱系數(shù)，也有些以，也有些以K表示，決表示，決定于材料類型；定于材料類型； Aq 、Ad分別為負(fù)荷時、短路時的導(dǎo)體加熱系數(shù)。）分別為負(fù)荷時、短路時的導(dǎo)體加熱系數(shù)。）qddAQSA21電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課

15、件n三、校驗熱穩(wěn)定性三、校驗熱穩(wěn)定性n1、載流導(dǎo)體、載流導(dǎo)體允許溫度法：允許溫度法： d d y最小截面法：最小截面法：n由式（由式（57）及（）及（59）可算出可算出n設(shè)設(shè)d d y，qy 進而進而d y Ad y ，y Ay 一般取一般取集膚效應(yīng)系集膚效應(yīng)系數(shù)數(shù)Kj1 1；C C為導(dǎo)體熱穩(wěn)定系數(shù)，參表為導(dǎo)體熱穩(wěn)定系數(shù)，參表5 55 5。n只需實際截面只需實際截面SSzx，即熱穩(wěn)定滿足。即熱穩(wěn)定滿足。qddzAAtISdzydyjdzzxtCIAAKtIS電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n2、一般電器、一般電器式中，式中，Ir為為電器熱穩(wěn)定電流、電器熱穩(wěn)定電流、t為為熱穩(wěn)定試驗時間，熱穩(wěn)定試驗

16、時間，兩者均為產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)、可查。兩者均為產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)、可查。n3、三相短路和兩相短路發(fā)熱比較、三相短路和兩相短路發(fā)熱比較一般均以三相短路電流為準(zhǔn)校驗；一般均以三相短路電流為準(zhǔn)校驗；若（如獨立運行的發(fā)電廠，有可能）若（如獨立運行的發(fā)電廠，有可能）則須進行發(fā)熱比較。則須進行發(fā)熱比較。n若則需按兩相短路校驗。若則需按兩相短路校驗。tItIrfz22)2()3( II)2()2() 3() 3(22dzdztItI) 2() 2() 2(fzzdzttt電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件n其中其中的計算的計算由周期分量等值時間由周期分量等值時間曲線：曲線：又因為又因為所以進而查曲線所以進而查曲線53得得

17、n則由式（則由式（513）算出。）算出。)2()2( )2( II)3( )2( 23II)2()3( )2( 866. 0II)2(zt)2(zt)2(fzt電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件5.4導(dǎo)體短路時的電動力導(dǎo)體短路時的電動力基本概念基本概念n載流導(dǎo)體的電動力載流導(dǎo)體的電動力：載流導(dǎo)體處在磁場中會受載流導(dǎo)體處在磁場中會受到力的作用，載流導(dǎo)體間也會有力的作用，這種到力的作用，載流導(dǎo)體間也會有力的作用，這種力稱為電磁互作用力，即電動力。力稱為電磁互作用力，即電動力。n在電器中，載流導(dǎo)體間、線圈匝間、動靜觸頭間、在電器中，載流導(dǎo)體間、線圈匝間、動靜觸頭間、電弧與鐵磁體間等都有電動力的作用。電弧

18、與鐵磁體間等都有電動力的作用。在正常電流下，電動力不致于使電器損壞，但在正常電流下，電動力不致于使電器損壞，但動、靜觸頭間的電動斥力過大會使接觸壓力減動、靜觸頭間的電動斥力過大會使接觸壓力減小、接觸電阻增大，從而造成觸頭的熔化或熔小、接觸電阻增大，從而造成觸頭的熔化或熔焊，影響其正常工作。焊，影響其正常工作。電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件在強大短路電流下所形成的電動力，可能使電在強大短路電流下所形成的電動力，可能使電器發(fā)生誤動作或使導(dǎo)體機械變形，甚至損壞。器發(fā)生誤動作或使導(dǎo)體機械變形，甚至損壞。 n電動力常用來驗證電氣設(shè)備的機械強度是電動力常用來驗證電氣設(shè)備的機械強度是否足夠。否足夠。n電動力

19、穩(wěn)定性電動力穩(wěn)定性：簡稱動穩(wěn)定性，是指：簡稱動穩(wěn)定性，是指當(dāng)大電流通過電器時，在其產(chǎn)生的電動力作用當(dāng)大電流通過電器時，在其產(chǎn)生的電動力作用下，電器有關(guān)部件不產(chǎn)生損壞或永久變形的性下，電器有關(guān)部件不產(chǎn)生損壞或永久變形的性能；能；或者說，電器有關(guān)部分在電動力作用下不產(chǎn)生或者說，電器有關(guān)部分在電動力作用下不產(chǎn)生損壞或永久變形所能通過的最大電流的能力。損壞或永久變形所能通過的最大電流的能力。以以可能的最大沖擊電流的峰值可能的最大沖擊電流的峰值表示，也有的以表示，也有的以其與額定電流的比值表示。其與額定電流的比值表示。 電氣設(shè)備的發(fā)熱和電動力計算課件電動力的計算：n一、兩平行一、兩平行圓導(dǎo)體圓導(dǎo)體（實心、空心即圓管形（實心、空心即圓管形均可）均可）為兩導(dǎo)體中心距離，為兩導(dǎo)體中心距離，L為導(dǎo)體長度，為導(dǎo)體長度，d為截為截面半徑；面半徑；當(dāng)當(dāng)d且且L時，可