高鐵變電所電氣設(shè)備選擇-電流的熱效應(yīng)、力效應(yīng)分析

學(xué)校：短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)當(dāng)電流流過(guò)電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體時(shí)存在相互作用力，稱為電動(dòng)力。載流導(dǎo)體之間電動(dòng)力的大小和方向，取決于電流的大小和方向、導(dǎo)體的尺寸、形狀和相互間的位置及周圍介質(zhì)的特性。電動(dòng)力的概念變形或損壞短路電流機(jī)械強(qiáng)度短路導(dǎo)體間的電動(dòng)力磁場(chǎng)對(duì)載流導(dǎo)體的電動(dòng)力式中：B——dl處的磁感應(yīng)強(qiáng)度（T）；α——dl與B的夾角（rad）。電動(dòng)力dF的方向由左手定則決定。

如圖所示，通過(guò)電流i的導(dǎo)體I，處在外磁場(chǎng)B中，導(dǎo)體l上單元長(zhǎng)度dl上所受的電動(dòng)力dF為：（N）沿導(dǎo)體l全長(zhǎng)積分，可得l全長(zhǎng)上所受的電動(dòng)力為：（N）短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)兩根平行細(xì)長(zhǎng)均勻截流導(dǎo)體的電動(dòng)力公式僅適用于圓形或管形截面的導(dǎo)體。對(duì)于非圓形截面，如矩形截面的兩平行母線，其截面周長(zhǎng)的尺寸遠(yuǎn)小于兩導(dǎo)體的空間距離時(shí)，該公式也同樣適用。在上述表達(dá)中兩平衡導(dǎo)體相互作用的電動(dòng)力方程式：導(dǎo)體長(zhǎng)度

：兩根平行導(dǎo)體中心間距。、：任意時(shí)刻短路全電流的有效值（A），因短路電流非周期分量隨時(shí)間衰減，IKt也隨時(shí)間而變化；短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)當(dāng)兩根平行矩形截面母線相鄰很近時(shí)（如大工作電流配電裝置中的各相母線、有多條時(shí)、條間距離很?。?，母線電動(dòng)力的計(jì)算公式應(yīng)乘以形狀系數(shù)K2進(jìn)行修正：兩根平行細(xì)長(zhǎng)均勻截流導(dǎo)體的電動(dòng)力短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)兩根平行細(xì)長(zhǎng)均勻截流導(dǎo)體的電動(dòng)力

形狀系數(shù)Ks可由圖所示的函數(shù)關(guān)系曲線查得。其中a、b、h分別為母線軸間距離、母線寬度、母線高度。圖中可見(jiàn)，當(dāng)母線立放時(shí)，則Ks＜1當(dāng)母線平放時(shí)則Ks＞1但最大不超過(guò)1.4。若

即母線的空間間距大于或等于矩形截面周長(zhǎng)2（b+h）時(shí)無(wú)論m值怎么樣，其形狀系數(shù)Ks均接近于1。決定矩形母線形狀系數(shù)的曲線短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)在三相平行導(dǎo)體中，當(dāng)發(fā)生兩相短路時(shí)，流到短路點(diǎn)的故障相電流大小相等、方向相反。當(dāng)導(dǎo)體通過(guò)短路電流時(shí)，通常按短路開(kāi)始時(shí)的最大沖擊短路電流計(jì)算導(dǎo)體或母線間的最大相互作用力。則故障相導(dǎo)體間的最大電動(dòng)力（斥力）為：同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力：兩相短路沖擊電流（kA）式中短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)

如圖所示，為了研究三相平行導(dǎo)體發(fā)生三相短路時(shí)各相導(dǎo)體所受電動(dòng)力的情況，先在圖中U、V、W三根導(dǎo)體中分別通入三相短路電流（不計(jì)非周期分量）為：同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力三相平行導(dǎo)體受力分析短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)式中：為短路電流周期分量幅值（A），從圖中可以看出當(dāng)三相導(dǎo)體平行布置在同一平面內(nèi)時(shí)，每相導(dǎo)體的電流同時(shí)受另外兩相電流磁場(chǎng)的作用。作用于每相導(dǎo)體的電動(dòng)力，決定于該導(dǎo)體中的電流與其他兩相電流的相互作用力。邊緣相U相、W相與中間相V相導(dǎo)體上所受的的電動(dòng)力并不相同。同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力三相平行導(dǎo)體受力分析短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力

中間相V相所受的電動(dòng)力為：

邊緣相（以U相為例）上所受的電動(dòng)力為（假設(shè)）：三相平行導(dǎo)體受力分析短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力當(dāng)wt=75°時(shí)，邊緣相U或W相所受電動(dòng)力最大，為：當(dāng)wt=105°和wt=75°時(shí)，V相所受電動(dòng)力最大，為：其中負(fù)號(hào)表示最大電動(dòng)力受力方向與原設(shè)方向相反并進(jìn)行整理化簡(jiǎn)后取，可以得到以下結(jié)論。

將式帶入式與式短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力式中：三相短路沖擊電流，kA。比較和可以看到當(dāng)布置在同一平面內(nèi)的三相平行導(dǎo)體中通過(guò)三相短路電流時(shí)，中間相導(dǎo)體所受電動(dòng)力最大。在實(shí)用中，我們最關(guān)心的是短路過(guò)程中電動(dòng)力的最大值，所以，只有當(dāng)中的IM為短路沖擊電流時(shí)才有真正的最大值:短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)同一平面內(nèi)三相平行截流導(dǎo)體間的電動(dòng)力比較與式可得：顯然，三相短路時(shí)導(dǎo)體所受電動(dòng)力比兩相短路時(shí)導(dǎo)體受力更大，即三相短路時(shí)在中間相導(dǎo)體上的破壞力最嚴(yán)重。所以，在對(duì)母線、瓷瓶以及各電氣設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性校驗(yàn)時(shí)，均以三相短路時(shí)所產(chǎn)生的最大電動(dòng)力來(lái)考慮。短路電流的電動(dòng)力效應(yīng)學(xué)校：短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)電流的熱效應(yīng)概念高壓電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)，導(dǎo)體和其接觸部分的電阻產(chǎn)生的功率損耗、導(dǎo)體周圍的金屬材料，特別是鐵磁物質(zhì)在交變磁場(chǎng)中因渦流產(chǎn)生的損耗、導(dǎo)體周圍的絕緣材料在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的介質(zhì)損耗等，幾乎將全部轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。傳?dǎo)、輻射或?qū)α鲗?dǎo)體本身發(fā)熱，溫度升高機(jī)械強(qiáng)度/承受電動(dòng)力/絕緣老化使用壽命負(fù)荷電路的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)電氣設(shè)備流過(guò)負(fù)荷電流及短路電流時(shí)的溫度變化曲線如圖所示。0-t1時(shí)刻內(nèi)，設(shè)備未為投入運(yùn)行；t1-t2時(shí)刻內(nèi),設(shè)備投入運(yùn)行；t2時(shí)刻發(fā)生短路；t3時(shí)刻短路被切除。導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)溫度的變化曲線負(fù)荷電路的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)溫度的變化曲線在t1-t2時(shí)刻內(nèi)，電氣設(shè)備和載流導(dǎo)體連續(xù)通過(guò)恒定負(fù)荷電流ＩL。我國(guó)采用的計(jì)算環(huán)境溫度θ0N電氣設(shè)備和穿墻套管，θ0N

=40℃埋入地中的電力電纜θ0N

=15℃母線、架空導(dǎo)線和電力電纜電纜θ0N=25℃負(fù)荷電路的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)

在規(guī)定的計(jì)算環(huán)境溫度θ0N下，電力設(shè)備流過(guò)額定電流IN時(shí)，導(dǎo)體穩(wěn)定溫度將上升到正常發(fā)熱允許溫度θLa。序號(hào)電氣部分名稱最高允許發(fā)熱溫度介質(zhì)溫度40℃時(shí)的溫升在空氣中(℃)在油中(℃)在空氣中(℃)在油中(℃)1不與絕緣材料接觸的載流與不載流的金屬部分1159075502與絕緣材料接觸的載流和不載流的金屬部分以及由絕緣材料制成的零件，當(dāng)絕緣等級(jí)為：YAE、B、F、H、C

85100115

9090

456075

50503最上層變壓器油：（1）作為滅弧介質(zhì)時(shí)（2）只作絕緣介質(zhì)時(shí)

——

8090

——

40504接觸連接：（1）由鋼或其合金制成，沒(méi)有銀覆蓋層；用螺栓.螺紋.柳釘和其他能保證緊固連接方法壓緊的（2）用彈簧壓緊的（3）由銅和其合金制成，有鍍銀層（4）由銀制成或表面帶有焊接的銀片

80

7590105

85

809090

40

355065

45

405050我國(guó)規(guī)定的各種載流部分長(zhǎng)期發(fā)熱(正常發(fā)熱)的允許溫度表負(fù)荷電路的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)應(yīng)用時(shí)須注意：當(dāng)環(huán)境溫度不等于θ0N時(shí)，其額定電流將發(fā)生變化，此時(shí)應(yīng)將額定電流θ0N乘以溫度修正系數(shù)Kθ作為實(shí)際環(huán)境溫度下的額定電流。公式中θ0N應(yīng)修正為θ0當(dāng)流過(guò)設(shè)備的負(fù)荷電流不等于額定電流時(shí)，在計(jì)算環(huán)境溫度θ0N下，負(fù)荷電流發(fā)熱穩(wěn)定溫度θL可用下式計(jì)算：負(fù)荷電路的熱效應(yīng)θL=θ0N+(θLa-θ0N)(IL/IN)2θL=θ0+(θLa-θ0)(IL/KθIN)2短路電流的熱效應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，通過(guò)導(dǎo)體的短路電流要比正常工作電流大很多倍。雖然繼電保護(hù)裝置能在很短的時(shí)間內(nèi)切除故障，但導(dǎo)體的溫度仍有可能被加熱到很高的溫度，導(dǎo)致電氣設(shè)備的破壞。短路電流發(fā)熱計(jì)算的目的就在于確定導(dǎo)體短路時(shí)的最高溫度，再與該類導(dǎo)體在短路時(shí)的最高允許溫度相比較。短路電流的熱效應(yīng)為什么進(jìn)行短路電流發(fā)熱計(jì)算短路電流的熱效應(yīng)在圖中，t2到t3的時(shí)間是短路電流發(fā)熱時(shí)間，它等于主繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間加上斷路器的分閘時(shí)間。由于這個(gè)時(shí)間很短，短路電流通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量來(lái)不及向周圍散失，全部用于使導(dǎo)體溫度升高。短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)導(dǎo)體通過(guò)電流時(shí)溫度的變化曲線導(dǎo)體的材料和種類短時(shí)最高允許溫度導(dǎo)體的材料和種類短時(shí)最高允許溫度母線

銅銅(有錫覆蓋層接觸面時(shí))鋁鋼(不和電氣設(shè)備直接連接)鋼(和電氣設(shè)備直接連接)

300200200420320

充油紙絕緣電纜（60～330kV）橡皮絕緣電纜聚氯乙烯電纜150

150120交聯(lián)聚乙烯電纜銅芯鋁芯230200油浸紙絕緣電纜

銅芯10kV及以下鋁芯10kV及以下20～30kV250200175

有中間接頭的電纜(不包括聚氯乙烯電纜)150短路時(shí)發(fā)熱最高允許溫度表短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱平衡方程式短路電流的熱效應(yīng)Ikt：任意時(shí)刻短路全電流的有效值（A），因短路電流非周期分量隨時(shí)間衰減，IKt也隨時(shí)間而變化；Rθ：溫度為θ℃時(shí)導(dǎo)體的電阻其值為；cθ：溫度為θ℃時(shí)導(dǎo)體的比熱（W·s/g）其為；G：導(dǎo)體總質(zhì)量(g)。I2kt·R

θdt=cθ·Gdθ短路電流的熱效應(yīng)為計(jì)算方便，工程上按銅、鋁、鋼的ρ0、c0、γ、α、β等參數(shù)作出了A=f(θ)

曲線。

當(dāng)已知θ求A或者已知A求θ時(shí)，均可直接查曲線求得。短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)短路發(fā)熱的A=f(θ)曲線確定在實(shí)際計(jì)算中，通常采用等效方法進(jìn)行計(jì)算，即假定在短路整個(gè)過(guò)程中始終以穩(wěn)態(tài)短路電流：I∞流通，它在假想時(shí)間tim內(nèi)所產(chǎn)生的熱量等于實(shí)際短路電流Ikt在實(shí)際短路時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，即：短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)假定時(shí)間tim短路電流的熱效應(yīng)短路電流的熱效應(yīng)求出Ak

:可求得