第三章常用計算的基本理論和方法

第三章常用計算的基本理論和方法

電氣設(shè)備有電流通過時將產(chǎn)生損耗。

3-1導(dǎo)體載流量和運行溫度計算

一、概述

發(fā)熱對電氣設(shè)備的影響

(1)使絕緣材料的絕緣性能降低;(2)使金屬材料的機械強度下降;(3)使導(dǎo)體接觸部分的接觸電阻增加。

導(dǎo)體通過短路電流時，最高允許溫度可高于正常最高允許溫度，對硬鋁及鋁錳合金取200℃

，硬銅取300℃

。

載流導(dǎo)體的電阻損耗；載流導(dǎo)體周圍金屬構(gòu)件處于交變磁場中所產(chǎn)生的磁滯和渦流損耗；絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗。

損耗都將轉(zhuǎn)變成熱量使電氣設(shè)備的溫度升高。長期發(fā)熱:由正常工作電流產(chǎn)生的；短時發(fā)熱:由故障時的短路電流產(chǎn)生的。

最高允許溫度導(dǎo)體正常最高允許溫度一般不超過+70℃;

在計及太陽輻射影響時,鋼芯鋁絞線及管形導(dǎo)體,按不超過+80℃考慮;

當(dāng)導(dǎo)體接觸面處有鍍(搪)錫的可靠覆蓋層時,允許提高到+85℃

,當(dāng)有銀的覆蓋層時，可提高到95℃

。

二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱

1、導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR

導(dǎo)體的交流電阻Rac

電阻率及電阻溫度系數(shù)材料名稱電阻率電阻溫度系數(shù)純鋁鋁錳合金鋁鎂合金軟棒銅硬棒銅鋼0.027~0.0290.037900.045800.017480.017900.15000.004100.004200.004200.004330.004330.00625

2、導(dǎo)體吸收太陽輻射的熱量Qt

3、導(dǎo)體對流散熱量Ql

(1)自然對流散熱

屋內(nèi)自然通風(fēng)或屋外風(fēng)速小于0.2m/s

單位長度導(dǎo)體散熱面積與導(dǎo)體尺寸、布置方式等有關(guān)。

單條導(dǎo)體對流散熱面積

三條導(dǎo)體對流散熱面積

二條導(dǎo)體對流散熱面積

(2)強迫對流散熱

強迫對流散熱系數(shù)

空氣導(dǎo)熱系數(shù),當(dāng)氣溫為20℃時

空氣運動黏度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20℃時

如風(fēng)向與導(dǎo)體不垂直,二者之間有一夾角φ

，則修正系數(shù)強迫對流散熱量

4、導(dǎo)體輻射散熱量Qf導(dǎo)體材料的輻射系數(shù)

材料輻射系數(shù)材料輻射系數(shù)表面磨光的鋁表面不光滑的鋁精密磨光電解銅有光澤的黑漆無光澤的黑漆

0.039~0.0570.0550.018~0.0230.08750.96~0.98白漆各種不同顏色油質(zhì)涂料有光澤的黑色蟲漆無光澤的黑色蟲漆0.80~0.950.92~0.960.8210.91

三、導(dǎo)體載流量的計算

1、導(dǎo)體的溫升過程

熱量平衡方程

2、導(dǎo)體的載流量

導(dǎo)體長期通過電流時，穩(wěn)定溫升

為提高導(dǎo)體載流量，宜采用電阻率小的材料。導(dǎo)體形狀，在同樣截面積條件下，圓形導(dǎo)體的表面積較小，而矩形、槽形的表面積則較大。導(dǎo)體布置應(yīng)采取散熱效果最佳的方式，而矩形截面導(dǎo)體豎放的散熱效果比平放的要好。裸導(dǎo)體按周圍環(huán)境溫度為+25℃，允許最高溫度為+70℃電氣設(shè)備按環(huán)境溫度為+40℃，允許最高溫度為+75℃

導(dǎo)體穩(wěn)定溫度計算

周圍環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)條件不同時，導(dǎo)體載流量的修正[例3-1]

屋內(nèi)配電裝置中裝有100mm×8mm的矩形導(dǎo)體。導(dǎo)體正常運行溫度為70℃

，周圍空氣溫度為25℃

，計算導(dǎo)體的載流量。解(1)求交流電阻(2)求對流散熱量(4)導(dǎo)體的載流量(3)求輻射散熱量

四、大電流導(dǎo)體附近鋼構(gòu)的發(fā)熱

減少鋼構(gòu)損耗和發(fā)熱措施

加大鋼構(gòu)和導(dǎo)體之間的距離，使磁場強度減弱；

斷開鋼構(gòu)回路,并加上絕緣墊,消除環(huán)流；

采用電磁屏蔽；在磁場強度最大的部位套上短路環(huán)，利用短路環(huán)中感應(yīng)電流的去磁作用以降低導(dǎo)體的磁場；在導(dǎo)體與鋼構(gòu)間安置屏蔽柵，柵中電流可使磁場削弱。

采用分相封閉母線。每相母線分別用鋁質(zhì)外殼包住，外殼上的渦流和環(huán)流能起雙重屏蔽作用。

隨著發(fā)電機組容量的加大，導(dǎo)體電流也相應(yīng)增大，導(dǎo)體周圍出現(xiàn)強大的交變電磁場，使其附近鋼構(gòu)中產(chǎn)生很大的磁滯和渦流損耗，鋼構(gòu)因此而發(fā)熱。鋼構(gòu)溫度升高后，可能使材料產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形,或使接觸連接損壞?；炷林械匿摻钍軣崤蛎?可能使混凝土發(fā)生裂縫。

規(guī)定鋼構(gòu)發(fā)熱的最高允許溫度

人可觸及的鋼構(gòu)為70℃

；

人不可觸及的鋼構(gòu)為100℃

；

混凝土中的鋼筋為80℃

。12345678910111213141516171-發(fā)電機，2-發(fā)電機出線箱，3-發(fā)電機出線套管處的強制風(fēng)冷裝置，4-分相封閉母線主回路，5-分相封閉母線上的強制風(fēng)冷裝置；6-電壓互感器柜分支回路；7-電壓互感器柜：8-與斷路器、負荷開關(guān)或隔離開關(guān)相連的伸縮裝置，9-穿墻段，10-外殼伸縮接頭，11-支持絕緣子觀察(檢修)窗：12-封閉母線支撐裝置；13-廠用變壓器分支回路14-廠用變壓器，15-防火墻，16-主變壓器連接裝置，17-主變壓器

分相封閉母線優(yōu)點①運行可靠性高。母線置于殼中，能防止相間短路，且外殼多點接地，可保障人身安全；②短路時母線相間的電動力大大降低。由于外殼渦流和環(huán)流的屏蔽作用，使殼內(nèi)磁場減弱，對減小短路電動力有明顯的效果；③殼外磁場因外殼電流的屏蔽作用而減弱，可較好改善母線附近鋼構(gòu)的發(fā)熱；④安裝和維護工作量均小。

分相封閉母線缺點①母線的自然散熱條件變差；②外殼會產(chǎn)生電能損耗；③有色金屬消耗較多，投資較大。

3-2載流導(dǎo)體短路時發(fā)熱計算

一、導(dǎo)體短路時發(fā)熱過程

導(dǎo)體短路時發(fā)熱特點

(1)發(fā)熱時間短，產(chǎn)生熱量來不及向周圍介質(zhì)散布，可認為在短路電流持續(xù)時間內(nèi)所產(chǎn)生的全部熱量都用來升高導(dǎo)體自身的溫度，即認為是一個絕熱過程；

(2)短路時導(dǎo)體溫度變化范圍很大,它的電阻和比熱容不能再視為常數(shù)，而應(yīng)為溫度的函數(shù)。用曲線計算最高溫度的方法(1)由已知的導(dǎo)體初始溫度θw

(取正常運行時最高允許溫度),從相應(yīng)的曲線上查出Aw

；(2)由Aw和Qk值求出Ah

；(3)由Ah從曲線上查出θh值。

二、短路電流熱效應(yīng)Qk的計算

因短路電流的變化規(guī)律復(fù)雜，難于用簡單的解析式來表示，故工程上常采用近似計算法來計算短路電流熱效應(yīng)。

1、等值時間法

2、實用計算法(1)求周期分量的熱效應(yīng)(2)求非周期分量的熱效應(yīng)非周期分量等效時間T

短路點T(s)tk≤0.1stk>0.1s

發(fā)電機出口0.150.20發(fā)電機升高電壓母線及出線發(fā)電機電壓電抗器后0.080.10變電站各電壓母線及出線0.05[例3-4]鋁導(dǎo)體LMY-100×8,電壓10.5kV,電流1500A，正常負荷時θw=46℃

,保護動作時間1s,斷路器開斷時間0.2s，短路電流I0=28kA,I0.6=22kA,I1.2=20kA。計算短路電流熱效應(yīng)和導(dǎo)體最高溫度。解(1)

(2)

3-3載流導(dǎo)體短路時電動力計算

一、計算電動力的方法

1、畢奧沙瓦定律法

2、兩條平行導(dǎo)體間電動力計算考慮導(dǎo)體截面尺寸和形狀影響時

二、三相導(dǎo)體短路時的電動力

1、電動力的計算

(1)作用在中間相(B相)的電動力

(2)作用在外邊相(A相或C相)的電動力2、電動力的最大值FA最大值出現(xiàn)在固定分量和非周期分量之和為最大瞬間即75°或225°

等。FB最大值出現(xiàn)在非周期分量最大的瞬間，即75°165°225°

等。

二、三相導(dǎo)體短路時的電動力1、電動力的計算2、電動力的最大值

二、三相導(dǎo)體短路時的電動力1、電動力的計算

3、導(dǎo)體振動時動態(tài)應(yīng)力

導(dǎo)體具有質(zhì)量和彈性，組成一彈性系統(tǒng)。當(dāng)受到一次外力作用時，就按一定頻率在其平衡位置上下運動，形成固有振動，其振動頻率稱為固有頻率。若導(dǎo)體受到電動力的持續(xù)作用而發(fā)生振動，便形成強迫振動。發(fā)電機、主變壓器以及配電裝置中的導(dǎo)體均屬重要回路，這些回路需要考慮共振的影響。

導(dǎo)體發(fā)生振動時,在導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力。對動態(tài)應(yīng)力的考慮,一般采用修正靜態(tài)計算法。以求得實際動態(tài)過程中動態(tài)應(yīng)力的最大值。

為避免導(dǎo)體產(chǎn)生危險共振,對于重要的導(dǎo)體，應(yīng)使其固有頻率在下述范圍以外：單條導(dǎo)體及一組中的各條導(dǎo)體35~135Hz；多條導(dǎo)體及引下線的單條導(dǎo)體35~155Hz；槽形管形導(dǎo)體30~160Hz。[例3-5]某發(fā)電廠裝有1