短路电流热效应和电动力效应的实用计算

1教学目标：掌握短路电流热效应和电动力效应的实用计算。重点：短路电流的效应实用计算方法。难点：短路电流的效应计算公式。一、短路电流电动力效应1.电动力：载流导体在相邻载流导体产生的磁场中所受的电磁力。当电力系统中发生三相短路后，导体流过冲击短路电流时必然会在导体之间产生最大的电动力。2．电动力的危害：引起载流导体变形、绝缘子损坏，甚至于会造成新的短路故障。3．两平行导体间最大的电动力载流导体之间电动力的大小，取决于通过导体电流的数值、导体的几何尺寸、形状以及各相安装的相对位置等多种因素。（N）式中：i1、i2—通过两根平行导体的电流瞬时最大值，A；L—平行导体长度，（m）；ɑ—导体轴线间距离，（m）；Kf—形状系数。形状系数Kf：表明实际通过导体的电流并非全部集中在导体的轴线位置时，电流分布对电动力的影响。实际工程中，三相母线采用圆截面导体时，当两相导体之间的距离足够大，形状系数Kf取为1；对于矩形导体而言，当两导体之间的净距大于矩形母线的周长时，形状系数Kf可取为1。电动力的方向：两个载流导体中的电流方向相同时，其电动力为相互吸引；两个载流导体中的电流方向相反时，其电动力为相互排斥。4．两相短路时平行导体间的最大电动力发生两相短路时，平行导体之间的最大电动力F（2）（N）：（N）式中：—两相短路冲击电流，（A）。5．三相短路时平行导体之间的最大电动力发生三相短路时，每相导体所承受的电动力等于该相导体与其它两相之间电动力的矢量和。三相导体水平布置时，由于各相导体所通过的电流不同，所以边缘相与中间相所承受的电动力也不相同。边缘相U相与中间相V相导体所承受的最大电动力、分别为：（N）（N）式中：—三相冲击短路电流，（A）。发生三相短路后，母线为三相水平布置时中间相导体所承受的电动力最大。计算三相短路时的最大电动力时，应按中间相导体所承受的电动力计算。6．短路电流电动力效验当系统中同一处发生三相或两相短路时，短路处三相冲击短路电流与两相冲击短路电流之比为。2，即电力系统中同一地点发生不同种类的短路时，导体所承受三相短路时的最大电动力比两相短路时的最大电动力大15％。因此，在校验导体的最大电动力时，按三相短路的最严重情况考虑。二、短路电流的热效应1．电气设备的功率损耗包括：导体与导体之间接触电阻上产生的损耗，导体自身电阻上产生的损耗；绝缘材料在电场作用下产生的介质损耗等等。电气设备在工作过程中，由于自身功率损耗会引起电气设备的发热。2．导体发热分为长期发热和短路时发热：长期发热：是指正常工作电流在较长时间内所引起的发热。短路时发热：是指短路电流在极短的时间内所引起的发热。3．电气设备温度升高的影响：影响电气设备的绝缘：绝缘材料在高温和电场的作用下会逐渐老化，温度愈高绝缘的老化速度愈快。温度超过规定的允许温度时，会使电气设备的使用年限缩短。影响接触电阻值：当导体温度过高时，导体表面的氧化速度加快，造成接触电阻增大，引起自身功率损耗加大，进一步导致导体温度再升高，又引起接触电阻再增大，如此恶性循环下去，会使接头熔化，造成严重事故。降低机械强度：金属材料在使用温度超过一定数值之后，其机械强度会显著降低。如果电气设备的使用温度过高，可能会使电气元件的机械强度降低，影响电器的安全运行。4．载流导体和电器发热的允许温度：为了限制电气设备因发热而产生不利影响，保证电气设备的正确使用，国家规定了载流导体和电器长期发热和短路时发热的允许温度：导体种类和材料长期工作发热短路时发热允许温度（℃）允许温升（℃）允许温度（℃）允许温升（℃）裸母线铜铝钢（不和电器直接连接时）钢（和电器直接连接时）7070707045454545300200400300230130330230油浸纸绝缘电缆铜芯10V及以下铝芯10V及以下铜芯20～30kV充油纸绝缘60～330kV60～8060～805070～75250200175160190～170140～12012590～85绝缘电缆橡皮绝缘电缆50150100聚乙烯绝缘电缆6013070交联聚乙烯绝缘电缆铜芯铝芯8080230200150120有中间接头的电缆锡焊接头1203压接接头1505．导体温度的变化特点均匀导体（材料相同、截面相等）无电流通过时，其温度与周围环境温度相同。当有工作电流通过时，导体所产生的热量一部分用于导体温度升高，另一部分则会散布到导体周围的介质中去。导体在不断产生热量的同时，也不断地向周围介质散发热量，当导体所产生的热量与散发的热量相等时，导体温度将会稳定到某一数值。工作电流所产生的热量引起导体温度的变化：如下图中曲线AB段所示。图中为导体周围介质温度，为导体通过工作电流时的稳定温度。稳定温度与导体周围介质温度的高低以及通过电流的大小有关。短路时导体温度变化：如下图中曲线BC段所示。为短路时的最高温度。短路电流被切除之后，导体温度会逐渐地降至周围环境温度，其温度变化如下图中曲线C点后的虚线所示。当短路电流通过导体时，由于短路电流值较正常工作电流大许多倍而且通过的时间很短，所以短路电流所产生的热量几乎全部用于导体温度的升高。导体温度变化曲线6.短路时最高发热温度计算在实用计算中，导体短路时的最高温度可以根据关系曲线进行计算。图中横坐标为A值，纵坐标为值。当导体材料的温度值确定之后，从图可直接查到所对应的A值。反之，已知A值时也可从曲线中找到对应的之值。导体曲线图4计算导体短路时的最高温度的步骤如下：（1）根据运行温度从曲线中查出之值；（2）计算出；然后再根据，从图14－3曲线中查出之值。（J/Ω.m4）（14-5）式中：S—导体截面积，（m2）；—短路时的热状态值，（J/Ω.m4）；—初始温度为所对应的热状态值，（J/Ω.m4）。称为短路电流的热效应，它与短路电流产生的热量成比，即：（A2.s）7.短路电流的热效应计算短路电流发热的等值时间：假定稳态短路电流通过导体在时间内所产生的热量与实际短路电流通过导体在时间内所产生的热量相等，则称时间为短路电流发热的等值时间。如果用图形表示，在图14－4中曲边梯形ABCDOEA的面积应与矩形EF－GO的面积相等。工程计算中采用等值时间法。IK＝f（t）曲线等值时间法：根据短路电流Ik随时间变化规律绘制出关系曲线，如图14－4所示。当短路电流持续时间为ts时，图中曲边梯形ABC－DOEA的面积则与所表示热量的大小成正比。适当选用坐标，上述曲边梯形的面积则代表短路电流Ik在时间0～t内所产生的热量。实际工程计算中，对于大容量的发电机供电系统，其短路电流的热效应通常采用近似数值积分法计算。5短路电流周期分量的热效应可用下列公式进行计算：（kA2.s）式中：—次暂态短路电流周期分量的有效值，（kA）；—td/2时刻短路电流周期分量的有效值，（kA）；—td时刻短路电流周期分量的有效值，（kA）；—短路热效应的计算时间（s），=+，其中，是继电保护动作时间，是断路器分闸时间。短路电流非周期分量的热效应可用下列公式进行计算：（kA2.s）式中：T—非周期分量等效时间，与短路点及短路时间td有关。14.2电气设备选择的一般要求+--教学目标：熟悉电气设备选择的一般原则和技术条件。重点：设备选择的技术条件。难点：短路稳定条件校验。一、一般原则（1）应满足正常运行、检修、短路和过电压情况下的要求并考虑远景发展；（2）应按当地环境条件校核；（3）应力求技术先进和经济合理；（4）与整个工程的建设标准应协调一致；（5）同类设备应尽量减少品种；（6）选用的新产品均应具有可靠的试验数据，并经正式鉴定合格。在特殊情况下，选用未经正式鉴定的新产品时，应经上级部门批准。二、技术条件选择的高压电气设备，应能在长期工作条件下和发生过电压、过电流的情况下保持正常运行。各种高压电器的一般技术条件：序号电器名称额定电压（kV）额定电流（A）额定容量（kVA）机械荷载（N）额定开断电流（kA）短路稳定热稳定动稳定短路点T（s）td≤0.1std＞0.1s发电机出口及母线0.150.2发电机升高电压母线及出线发电机电压电抗器后0.080.1变电站各级电压母线0.0561高压断路器√√√√√√2隔离开关√√√√√3负荷开关√√√√√4熔断器√√√√5电压互感器√√6电流互感器√√√√√7限流电抗器√√√√√8消弧线圈√√√√9避雷器√√10穿墙套管√√√√√11绝缘子√√√√①注：悬式绝缘子不校验1.长期工作条件电压：选用的电器允许最高工作电压Umax不得低于该回路电网的最高运行电压UNSmax，即：Umax≥UNSmax。三相交流3kV及以上电气设备的最高电压（kV）：设备额定电压36103563110220330500设备最高电压3.56.911.540.569126252363550电流：选用的电器额定电流IN不得低于所在回路在各种可能运行方式下的最大持续工作电流Imax，即：IN≥Imax机械荷载：所选电器端子的允许荷载，应大于电器引线在正常运行和短路时的最大作用力。2.短路稳定条件校验的一般原则：电气设备在选定后应按可能通过的最大短路电流进行动、热稳定校验。校验的短路电流一般取三相短路时短路电流，若发电机出口的两相短路，或中性点直接接地系统及自耦变压器等回路中的单相、两相接地短路较三相短路严重时，则应按严重情况校验。用熔断器保护的电气设备可不验算热稳定。当熔断器有限流作用时，可不验算动稳定。用熔断器保护的电压互感器回路，可不验算动、热稳定。短路的热稳定条件：式中：Qk－在计算时间td秒内，短路电流的热效应（kA2·s）；It－t秒内电气设备允许通过的热稳定电流有效值（kA）；t－电气设备允许通过的热稳定电流时间（s）。短路的动稳定条件：式中：ik—短路冲击电流峰值（kA）；Ik—短路全电流有效值（kA）；ies—电气设备允许的极限通过电流峰值（kA）；Ies—电气设备允许的极限通过电流有效值（kA）。3.环境条件温度：普通高压电气设备一般可在环境最低温度为－30℃时正常运行。在高寒地区，应选择能适应环7境最低温度为－40℃的高寒电气设备。在年最高温度超过40℃，而长期处于低湿度的干热地区，应选用型号后带“TA'’字样的干热带型产品。日照：屋外高压电气设备在日照影响下将产生附加温升。可按电气设备额定电流的80％选择设备。在进行试验或计算时，日照强度取0.1W／cm2。风速：一般高压电气设备可在风速不大于35m／s的环境下使用。选择电气设备时所用的最大风速，可取离地10m高、30年一遇的10min平均最大风速。最大设计风速超过35m／s的地区，可在屋外配电装置的布置中采取措施，如降低安装高度、加强基础固定等。500kV电气设备宜采用离地10m高，50年一遇10min平均最大风速。冰雪：在积雪和覆冰严重的地区，应采取措施防止冰串引起瓷件绝缘对地闪络。隔离开关的破冰厚度一般为10mm。在重冰区（如云贵高原，山东河南部分地区，湘中、粤北重冰地带以及东北部分地区），所选隔离开关的破冰厚度，应大于安装场所的最大覆冰厚度。湿度：选择电气设备的湿度，应采用当地相对湿度最高月份的平均相对湿度。对湿度较高的场所（如岸边水泵房等），应采用该处实际相对湿度。当无资料时，可取比当地湿度最高月份平均值高5％的相对湿度。一般高压电气设备可使用在+20℃，相对湿度为90％的环境中（电流互感器为85％）。在长江以南和沿海地区，当相对湿度超过一般产品使用标准时，应选用湿热带型高压电气设备。这类产品的型号后面一般都标有“TH”字样。污秽：发电厂、变电站污秽分三级。一级：大气无明显污染地区或大气轻度污染地区；在污闪季节中干燥少雾（含毛毛雨）且雨量较多时；二级：大气中度污染地区；沿海地带及盐场附近；在污闪季节中多雾（含毛毛雨）且雨量较少；三级：大气严重污染地区；严重盐雾地区。海拔：电气设备的一般使用条件为海拔高度不超过1000m，海拔超过1000m的地区称为高原地区。对安装在海拔高度超过1000m地区的电气设备外绝缘一般应予加强，可选用高原型产品或选用外绝缘提高一级的产品。在海拔3000m以下地区，220kV及以下配电装置也