东北农大变电工程设计课件第5章 电气设备发热和电动力计算

第5章电气设备发热和电动力计算发热产生原因及发热危害导体和电器在运行中常遇到两种工作状态：(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。载流导体的发热(2)短路工作状态——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所处的状态用。此时电气设备承受短路电流产生的发热和电动力作用导体和电器在运行中常遇到两种工作状态：载流导体的发热导体正常工作时将产生各种损耗，包括：电阻损耗（铜损）；介质损耗；涡流和磁滞损耗（铁损）。载流导体的发热电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：（1）电阻损耗：根据焦耳定律，电流通过电阻时产生热能，这是电流效应引起的发热，大量表现在载流电气设备中，特别是当电流通过导体或接触连接部分时产生的电能损耗，通常称为“铜损”。一、电器设备工作中产生损耗（2）铁磁物质在交变磁场中产生涡流和磁滞损耗，通常称为“铁损”；涡流损耗是指导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内感生电流导致的能量损耗。在导体内部形成的一圈圈闭合的电流线，称为涡流。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。涡流损耗的计算需根据导体中的电磁场的方程式，结合具体问题进行分析。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗磁滞损耗是指铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度H之间呈现磁滞回线关系。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗（3）绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部会引起能量损耗。也叫介质损失，简称介损。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗以上这些损耗几乎全部转换成热能，一部分散失到周围介质中，一部分加热导体和电器使其温度升高。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗采用绝缘子悬挂或支持的母线，介质损耗很小，通常可以忽略不计，所以母线发热通常认为只与电流平方和电阻成正比。而高压电缆和塑料电缆中，由于介质损耗较大，所以电缆的发热与电压、电流和电阻均有关系。电气设备工作中会产生各种损耗，最主要的有：一、电器设备工作中产生损耗绝缘材料在温度和电场作用下将逐渐老化，老化的速度与使用的温度有关。因此绝缘材料根据其耐热的性能和使用年限的要求，相应规定了使用温度，如果使用过程中超过这个温度，将会加快绝缘材料的老化。1、对绝缘的影响二、发热对电器的影响金属材料当温度超过一定允许值后，机械强度将会降低。金属材料的机械强度不仅与加热温度有关，而且还与加热时间有关。2、对机械强度的影响二、发热对电器的影响例如，实践表明铝导体长期发热温度超过100℃、铜导体长期发热温度超过150℃时，或铝导体短时发热温度超过150℃、铜导体短时发热温度超过200℃时，其抗拉强度显著下降，电气设备可能在短路电动力的作用下变形或者损坏。2、对机械强度的影响二、发热对电器的影响发热温度超过一定值时，弹簧接触部分的弹性元件就会退火，导致压力降低；同时发热使导体表面氧化，产生电阻率很高的氧化层（注：银的氧化层电阻值通常不大，属于特例），以上变化都会使接触电阻增加，使接触部分温度继续升高，导致恶性循环，破坏设备正常工作。3、对导体接触部分的影响二、发热对电器的影响由此可见，电气设备的发热是影响其正常使用寿命和工作状态的主要因素。3、对导体接触部分的影响二、发热对电器的影响电气设备发热和电动力计算长期发热和短路时发热电气设备的发热类型长期发热--长期流过正常负荷电流时产生的温度上升，可用导体长期发热允许温度来确定导体正常工作时的长期允许通过的电流（即导体最大允许载流量），从而研究提高导体长期允许通过电流，或降低导体温度的方法。特点:导体通过的是工作电流，数值小，持续时间长，导体温升缓慢，热量的产生与散失将维持动态平衡，达到稳定温升后，温度不再改变。电气设备的发热类型长期发热和短路时发热导体最高允许温度为了保证导体可靠地工作，必须使其发热温度不得超过一定数值，这个限值叫做最高允许温度。载流导体的发热电气设备的发热类型导体最高允许温度尽管决定电气设备工作性能的是它们的温度，但考核它们的质量时却是以温升作为指标。温升τ是指电气设备运行温度θ与周围介质温度θ0之差。0载流导体的发热电气设备的发热类型把较周围（计算）环境温度的温度升高值称为长期发热的允许温升，我国所采用的计算环境温度为：电力变压器和电器（周围环境温度）40℃；发电机（利用空气冷却时进人的空气温度）35～40'C；装在空气中的导线、母线和电力电缆25℃；埋入地下的力电缆15℃。载流导体的发热电气设备的发热类型较短路前的温度升高值称为短时发热的允许温升，通常取导体短路前的温度等于它长期工作时的最高允许温度。导体最高允许温度电气设备发热类型和长期发热计算载流导体的发热电气设备发热类型和长期发热计算载流导体的发热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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的发热和散热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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的发热和散热（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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的发热和散热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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的温升过程在正常工作情况下，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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的温升过程当工作状况改变时，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。电气设备发热类型和长期发热计算导体的温升过程（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。电气设备发热类型和长期发热计算从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出：（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。电气设备发热类型和长期发热计算从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出：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。2IRF电气设备发热类型和长期发热计算从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出：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。0yyK0yyyyII电气设备发热类型和长期发热计算导体的载流量例l：某发电厂主母线的截面为50x5mm2，材料为铝。θ0为25℃，θ为30℃。试求该母线竖放时长期工作允许电流。电气设备发热类型和长期发热计算导体的载流量解：从母线载流量表中查出截面为50*5mm2、θ0=25℃、铝母线竖放时的长期允许电流Iy=665A。将Iy=665A代入公式中，得到θ=30℃时的母线长期允许电流07030665627()7025yyyyAII电气设备发热类型和长期发热计算导体的载流量发热计算及提高导体载流量的措施导体长期发热温度的计算c2cygzdyII.:c导体长期发热温度.gzdI：通过导体的最大长期工作电流yI：较正后的导体允许电流电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施例1某降压变电站10kV屋内配电装置采用裸铝母线，母线截面积为120×10(mm)2，规定容许电流为1905(A)。配电装置室内空气温度为36℃。试计算母线实际允许电流。(θ0e取25℃)电气设备发热类型和长期发热计算载体导体的长期发热计算举例解：因铝母线的θy=70℃，规定的周围介质计算温度为25℃，介质实际温度为36℃，规定容许电流Iy为1905(A)。利用公式可得：07036190519050.8691655.8()7025yyyyAII电气设备发热类型和长期发热计算载体导体的长期发热计算举例例2铝锰合金管状裸母线，直径为Ф120／110（mm）,最高允许工作温度80℃时的额定载流量是2377(A)。如果正常工作电流为1875(A),周围介质(空气)实际温度θ0为25℃。计算管状母线的正常最高工作温度θF?(θ0e=25℃)电气设备发热类型和长期发热计算载体导体的长期发热计算举例解：利用公式计算22187525(8025)()59.2()2377cygzdyCII.电气设备发热类型和长期发热计算载体导体的长期发热计算举例在工程实践中，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：电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施（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）；电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施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。电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施（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。电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施（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；电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施（3）提高换热系数。提高换热系数的方法主要有：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。电气设备发热类型和长期发热计算提高导体载流量的措施电气设备短时发热特点及等值时间计算载流导体的短时发热，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。短时发热计算的目的：确定导体的最高温度θd，以校验导体和电器的热稳定是否满足要求。载流导体短时发热的特点是：发热时间很短，基本上是一个绝热过程。即导体产生的热量，全都用于使导体温度升高。因载流导体短路前后温度变化很大，电阻和比热容也随温度而变，故不能作为常数对待。一、发热计算条件0(1)()llssR式中—温度为度时导体的电阻，度时导体的电阻率，的温度系数1—导体的长度mS—导体的截面积R—00m—01/C2mm0(1)/()JKgKCC一、