发电厂电气部分_第3章

发电厂电气部分第3章常用计算的基本理论和方法本章学习的主要内容载流导体发热理论电动力理论电气设备及主接线的可靠性分析主接线方案的技术经济分析载流导体发热理论部分的相关内容发热对电气设备的影响长期发热和短路时发热的特点通电导体的温升过程分析导体的载流量和运行温度计算短路时发热温度的计算方法及应用大电流导体附近的钢构发热问题及解决办法大电流封闭母线运行温度的计算电动力理论两平行载流导体上受到的电动力及其计算三相导体短路时的受力情况进行分析三相导体短路时的最大短路电动力计算导体振动的动态应力分析及计算分相封闭母线的电动力计算3.1概述（1）3.1.1运行中的电气设备发热的致因1.载流导体的电阻损耗；2.载流导体周围金属构件处于交变磁场中所产生的磁滞和涡流损耗；3.绝缘材料内部的介质损耗等。上述损耗都会转变成热量使电气设备的温度升高。(即电器元件、设备在工作中都有热损耗。热源—P（W）能耗—（零部件的）温度升高)3.1概述（2）3.1.2电气设备发热的分类为分析问题方便通常分为：1.长期发热——由正常工作电流产生。2.短时发热——由故障时的短路电流产生。3.1概述（3）3.1.3、发热对电气设备的影响发热引起的主要问题：使材料的物理、化学性能起变化，机械性能和电气性能下降，最后导致电器设备的工作故障，甚至造成严重事故。具体可归纳如下：1.使绝缘材料的绝缘性能降低有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐老化，以致失去弹性和降低绝缘性能。绝缘材料老化的速度与使用时的温度有关。因此，对不同等级的绝缘材料，根据其耐热的性能和使用年限的要求，应规定相应使用温度。在使用过程中如超过这一温度，绝缘材料将加速老化，大大缩短使用寿命。2.使金属材料的机械强度下降当使用温度超过规定允许值后，由于退火，金属材料机械强度将显著下降。例如当长期发热温度超过：l000C（铝）1500C（铜）短时发热温度超过：2000C（铝）2500C（铜）时，其抗拉强度显著下降，因而可能在短路电动力的作用下变形或损坏。3.使导体接触部分的接触电阻增加当发热温度超过一定值时，接触部分的弹性元件就会因退火而压力降低，同时发热使导体表面氧化，产生电阻率很高的氧化层（银的氧化层电阻不大），使接触电阻增加，引起接触部分温度继续升高，将会产生恶性循环，破坏正常工作状态。3.1.4保证导体可靠地工作最高允许温度为了保证电器设备在工作年限内可靠工作，必须限制各种材料的发热温度，使其不超过一定数值，这个温度就是最高允许发热温度，简称最高允许温度a。材料不同，作用不同，允许的a不同。通常设：周围空气温度为0；零部件温度为；当零部件温度0时，则温升＝－0；按标准，0取最不利的情况：+40℃1.导体正常工作时最高允许温a一般不超过＋700C；在计及太阳辐射（日照）的影响时：钢芯铝绞线及管形导体，可按不超过＋80℃来考虑；当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时：允许提高到＋850C；当有银的覆盖层时：可提高到95℃。2.导体通过短路电流时最高允许温度硬铝及铝锰合金：可取2000C，硬铜：可取3000C。可见可见短时最高允许温度可高于正常最高允许温度3.1.5导体的发热和散热计算根据能量守恒原理有热平衡式：导体的（发热量－散热量）＝使导体温度升高的热量求解长期发热所对应的热平衡式，可得到：1.长期发热的温升及其过程；2.导体的允许载流量。求解短时发热所对应的热平衡式，可得到：1.短时发热的最高温度θh；2.与短时发热量相对应（成比例）的短路热效应Qk（电气设备的发热耐受能力技术参数）。因此需对热平衡式中的各发热量、散热量进行计算。1.导体的发热和散热导体的发热：来自导体电阻损耗的热量；日照（当导体放置在露天时）。热量的耗散有：①对流、②辐射、③导热三种形式。1.导体的发热和散热－续1发热量和散热量计算式发热量计算式散热量计算式导体电阻损耗引起的发热量QR吸收太阳辐射的热量Qt导体对周围辐射散热量Qf空气对流使导体散去的热量Ql2.导体温度的升高及热平衡式在稳定状态时：若QR＋Qt＝Qf＋Ql则导体不会有温升（导体温度与环境温度相等）。（由于空气导热量很小，因此裸导体对空气的导热散热量Qd可略去不计）。若发热量之和QR＋Qt≥散热量之和Qf＋Ql，则导体温度升高（高于环境温度），热量为Qc。通电导体温度不升高时的热平衡式：（1）通电导体电阻损耗的热量QR的计算常用电工材料的电阻率及电阻温度系数如表3一1所示。导体的集肤效应系数导体的集肤效应系数与电流的频率、导体的形状和尺寸有关。矩形截面导体的集肤效应系数，如图3－1所示。导体的集肤效应系数2圆柱及圆管导体的集肤效应系数，如图3－2所示。图中f为电源频率，Rdc,为100m长导体的直流电阻。（2）导体吸收太阳辐射的热量Qt计算（3）导体对流散热量Ql计算1）自然对流散热系数2）强迫对流散热系数单位长度导体的散热面积与导体尺寸、布置方式等因素有关。导体片（条）间距离越近，对流条件就越差，故有效面积应相应减小。以下是几种常用导体（如图3一3所示）的对流散热面积。a.单条导体的散热面积b.二条导体的散热面积c.三条导体的散热面积d.槽形导体的散热面积e.圆管形导体的散热面积（4）导体辐射散热量Qf的计算导体材料的辐射系数ε单条导体辐射表面积两条导体辐射表面积三条导体、槽形导体导体的辐射表面积（5）导热散热量Qd的计算3.2导体正常运行时的（长期）发热与短路时的（短时）发热计算3.2.1长期发热计算3.2.2短时发热计算学习长期发热计算后应了解和掌握的内容1.导体正常工作时的温升过程分析与计算2.长期发热温升的特点3.导体载流量的计算4.大电流附近的钢构发热5.大电流封闭母线运行温度的计算学习短时发热计算后应了解和掌握的内容1.计算短时发热的目的2.导体短路时的发热分析过程3.短路电流热效应的计算方法3.2.1长期发热计算1.导体正常工作时的温升过程分析由热平衡式(—室内、不含日照发热量Qt)：Qc＝QR－（Ql＋Qf）或QR＝Qc＋Ql＋Qf（3－12）QR为导体流过电流发热产生的热量。Qc为导体温度升高所需的热量，当其为零时导体无温升。（Ql＋Qf）＝αw（θw－θ0）F为对流、辐射复合散热总散热量。F—导体的散热面积，m2αw—对流、辐射复合散热总散热系数。热平衡式（3－12）的求解与分析长期发热温升的特点由这就是长期发热温升的特点2.导体载流量的计算稳定温升为：可见：导体（或电器）的载流量与其材料、有效截面积、环境温度、散热条件、是否受日照等因素有关，这就是额定电流的由来。提高导体的载流量措施当导体的材料、尺寸、散热条件确定之后，导体的载流量亦随之确定（电气设备额定电流的确定为同理）。增加（3－20）（3－21）式中的分子，减小其分母可提高导体的载流量，通常的措施有：采用电阻率小的材料，如铝、铝合金等。在同样截面积的条件下，采用表面积较大得导体的形状（圆形导体的表面积较小，而矩形、槽形的表面积则较大）。导体布置应采取散热效果最佳的方式（而矩形截面导体竖放的散热效果比平放的要好）。RIQQQtflRRFIQQflww)(03.大电流附近的钢构发热刚构发热的原因：磁滞、涡流损耗。导体电流大于3000A时，附近的的措施不容忽视。钢构发热可能引起的不良后果。减少钢构发热的措施的措施：P64钢构发热可能引起的不良后果使材料产生热应力而引起变形。使接触连接损坏。混凝土中的钢筋受热膨胀，会使混凝土发生裂缝。钢构发热的最高允许温度规定：①人可触及的钢构为70oC；②人不可触及的钢构为100oC；③混凝土中的钢筋为80oC。减少钢构热损耗和发热的常用措施（1）加大钢构和导体之间的距离使磁场强度减弱，因而可降低涡流和磁滞损耗。（2）断开钢构回路，并加上绝缘垫消除环流。减少钢构热损耗和发热的常用措施（续1）（3）采用电磁屏蔽在磁场强度H最大的部位套上短路环（铝环或铜环），利用短路环中感应电流的去磁作用以降低导体的磁场，如图3一6所示；在导体与钢构之间安置屏蔽栅，栅中的电流亦可使磁场削弱。减少钢构热损耗和发热的常用措施（续2）（4）采用分相封闭母线。如图3一7所示，每相母线分别用铝质外壳包住，外壳上的涡流和环流能起双重屏蔽作用，壳内和壳外磁场均大大降低，从而使附近钢构发热得到较好改善。4.大电流封闭母线运行温度的计算主要内容：（1）大电流封闭母线（全连式分相封闭母线）的使用场合；（P65）（2）分相封闭母线的优点；（P65）（3）大电流封闭母线的发热和散热的计算式；（4）大电流封闭母线运行温度的计算。（采用工程算法——利用外壳总散热曲线、母线850C时的总散热曲线、母线散热差值与母线实际温度的关系曲线）（1）大电流封闭母线的发热和散热1）封闭母线的发热◆母线导体的发热损耗计算◆母线外壳的发热损耗计算2）封闭母线的散热◆母线的散热量计算（母线向外壳的辐射散热和对流散热）◆外壳的散热量计算（外壳对周围空气的辐射散热和自然对流散热）（1）大电流封闭母线的发热和散热1）封闭母线的发热计算母线导体的发热损耗计算母线外壳的发热损耗计算（1）大电流封闭母线的发热和散热－续12）封闭母线的散热母线的散热量计算外壳的散热量计算母线向外壳的辐射散热量母线向外壳的对流散热量中间相（B相）外壳的辐射散热量外边相（A、C相）外壳的辐射散热量外壳的自然对流散热量封闭母线及其结构发－变组之间的引出线采用敞露式，容易受到外界的影响，如表面积灰和发生相间短路等，使运行可靠性降低。我国20万一90万kW机组的母线，已广泛采用全连式分相封闭母线，称为大电流封闭母线。全连式分相封闭母线结构：母线由铝管制成，每相母线各封装在单独的外壳内，外壳两端用短路板连接起来。其结构参见图3一8所示分相封闭母线的优、缺点1优点：①运行可靠性高因母线置于外壳中，能防止相间短路，而且外壳多点接地，可保障人体接触时的安全；②短路时母线相间的电动力大大降低由于外壳涡流和环流的屏蔽作用，使壳内磁场减弱，减小短路电动力有明显的效果；③壳外磁场因外壳电流的屏蔽作用而减弱可较好改善母线附近钢构的发热；④安装和维护工作量均小。分相封闭母线的优、缺点2缺点：①母线散热条件较差；②外壳上产生损耗；③金属消耗量增加。1）封闭母线的发热2）封闭母线的散热（2）大电流封闭母线运行温度的计算根据前述的封闭母线的发热和散热计算式，列出热平衡方程式解出母线运行温度θw。工程算法是利用三条工程曲线（参见P67、P68）大电流封闭母线运行温度计算（工程曲线的应用）1）外壳的总散热曲线如图3一9所示。将式（(3-26)、式(3-27)式（3-28）相加起来，即得:计算出ΣQs即可查曲线得θsΣQs＝ΣQR＝QwR＋QsR)(ssfQ2）母线的总散热曲线如图3一10所示。利用式（(3一24）和式（(3一25)，并假定母线温度。，＝859C，便可得到：算出θs即可由曲线查出ΣQw85)(858585swcwrWfQQQ3）ΣΔQw，与θw，的关系曲线如图3一11所示ΣΔQw＝ΣQw－ΣQw85ΣQw＝QwRQwR、QsR为母线的发热损耗、外壳的发热损耗，可直接算得。3.2.2短时发热计算1.计算短时发热的目的2.导体短路时的发热过程分析⑴短时发热的特点⑵热平衡方程式的分析计算⑶计算结果式的应用3.短路电流热效应Qk的定义及其计算⑴定义⑵计算方法1.计算短时发热的目的（1）确定导体的最高温度（2）或算出与导体的最高温度相对应的短路电流热效应Qk2.导体短路时的发热过程分析⑴短时发热的特点1）发热时间短，是一个绝热过程产生的热量来不及向周围介质散布，可认为在短路电流持续时间内所产生的全部热量都用来升高导体自身的温度，即认为是一个绝热过程；2）电阻和比热容不能再视为常数短路时导体温度变化范围很大，它的，而应为温度的函数。短路时导体的发热过程如图3一12所示从短路开始