短路时冲击电流产生的电动力很大

第六章①导体的发热、电动力及导体的选择主要内容：1.导体长期发热与短时发热计算2.导体短路时电动力计算3.导体、电器设备选择的一般条件4.导体、电缆、绝缘子和套管的选择第一节概述(P.63)一、发热导体正常工作时，会产生各种损耗（电阻损耗等），这些损耗变成热能，使导体温度升高；导体短路时，虽然时间不长，但是短路电流很大，发热量仍然很多。且这些热量在极短时间内不容易散出，于是导体的温度迅速升高。发热对导体、电器设备产生的不良影响：（1）机械强度下降（2）接触电阻增加（3）绝缘性能降低因此，为了限制发热的有害影响，规定了导体长期发热和短时发热的允许温度。二、电动力导体正常工作和短路时，除发热以外，还受到电动力的作用。电动力：载流导体通过电流时，导体之间的相互作用力。正常工作电流产生的电动力不大，短路时冲击电流产生的电动力很大，可能导致导体、设备变形或损坏。为保证导体不受破坏，短路冲击电流产生的电动力不应超过载流导体的允许应力。第二节导体的发热和散热(P.64)一、发热发热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=Iw2Rac(W/m)2.太阳日照的热量二、热量的传递过程可分为对流、辐射、导热三种形式。1.对流：由气体各部分相对位移将热量带走的过程。分为自然对流和强迫对流两种情况。2.辐射：热量从高温物体，以热射线方式传至低温物体的过程。3.导热（热传导）：当物体内部或相互接触的物体间存在温度差时，热量从高温处传到低温处的过程。置于空气中的均匀裸导体，由于全长截面相同、各处温度一样，因此沿导体长度方向没有热传导，又由于空气的热传导性很差，故导体主要是对流和辐射换热，而忽略很小的导热量。即导体散到周围介质的热量为：（Ql+Qf）=aw(θw-θo)F第三节导体的长期发热(P.68)即分析导体长期通过工作电流时的发热过程，目的：计算导体长期允许通过的电流——载流量。一、导体的温升过程导体的温升过程，可按热量平衡关系来描述。即，导体产生的热量（QR），一部分用于本身温度升高所需的热量（Qc），一部分散失到周围介质中（Ql+Qf），因此，热量平衡方程式为，QR=Qc+(Ql+Qf)由此可推导出导体稳定温升表达式，τw=(I2R)/(awF)二、导体的载流量1.载流量的计算——由稳定温升公式得出说明：由于导体散热过程比较复杂，且散热系数（a）往往是温度的函数，因此计算的结果只是近似的，还要通过试验来校验。我国生产的矩形、双槽形、管形母线均已标准化，根据这些标准截面，按自然冷却条件（周围环境温度为25℃，导体最高温度为70℃），进行计算和试验，编制了标准截面母线载流量表，可供设计时使用。2.提高载流量的措施（1）降低导体电阻；（2）增大散热面积；（3）提高换热系数；（4）增大导体正常发热时的允许温度。例题：P.69三、大电流导体附近钢构的发热导体附近的金属部件（如，支持母线结构的钢梁等等），在电磁场作用下，会引起磁滞和涡流损耗。导体电流增大，导体周围磁场强度增加，从而导体附近钢构的损耗增加、发热增大。钢构发热会影响经济运行，恶化设备和工作人员的运行条件，局部过热还可能损坏设备，因此，必须采取措施。减小钢构损耗和发热的措施：（1）加大钢构和导体之间的距离，使磁场强度减弱，从而减小损耗。（2）断开闭合回路，消除环流（闭合回路产生环流，会使发热增大）。如，套管安装板相间开槽；在母线保护网的钢框连接处加绝缘垫。（3）采用电磁屏蔽；即在磁场强度最大的部位套上短路环，利用短路环中感应电流的去磁作用降低磁场强度。短路环用电阻率小的铜或铝制成，紧包在钢构上，短路环中虽有电流流过，但因电阻小，发热并不显著。（4）采用分相封闭导线即每相导线分别用外壳包住，使本相导体的磁场不易穿出外壳，邻相磁场也不易进入外壳，从而壳内外磁场均大为降低。第四节导体的短时发热（P.70）短时发热：指短路开始至短路切除为止，这一很短时间内导体的发热过程。特点：发热量大，持续时间短，来不及向周围环境散热，因此导体温度升得很高。目的：确定导体可能出现的最高温度，是校验设备热稳定的依据。一、短时发热过程由于短时发热散失的热量可以不计，基本上是绝热过程，即导体产生的热量，全部用于使导体温度升高，于是，在短时发热过程中，热量平衡关系为：QR=Qc根据热量平衡关系，可以导出短路电流热效应方程：Qk/S2=Ah-Aw因此，Ah=Qk/S2+Aw从最初温度（θw）求最高温度（θh）的方法：（1）从某一开始温度θw开始，从曲线上查出Aw；（2）计算（Qk/S2），与Aw相加后，得Ah；（3）再由Ah查出相应的最高温度θh。Qk=Qp+Qnp其中，Qp=tk(I〃2+10Itk/22+Itk2)/12≈tkI〃2Qnp=TI〃2说明：若短路切除时间tk1秒，非周期分量已衰减，这时导体的发热主要由周期分量决定，可以不计非周期分量的影响。但对于大型发电机，发电机出口处短路时，非周期分量必须考虑。例题：P.73第五节导体短路的电动力（P.74）电动力：载流导体通过电流时，导体之间的相互作用力。短路时，导体中通过很大的短路电流，会遭受巨大的电动力作用。若导体机械强度不够，就会发生变形或损坏。为了安全运行，应对电动力进行分析和计算，使短路冲击电流产生的电动力不超过载流导体的允许应力，即保证足够的电动力稳定性，必要时，可以采取限制短路电流的措施。一、平行导体间的电动力两条无限细长平行导体间的电动力为，F=2×10-7Li1i2/a（N）电动力的方向取决于导体中电流（i1、i2）的方向，同向相吸，异向相斥。当考虑导体形状时，将它们看成由若干无限细长的导体组成，常乘以形状系数K。于是，实际电动力为，F=2×10-7KLi1i2/a（N）形状系数K的确定：⑴对于矩形导体，计算相间电动力时，K=1；计算同相条间电动力时，查P.75图3-10得K值。⑵对于槽型导体，在计算相间和同相条间电动力时，一般均取K=1。⑶对于管型导体，K=1。二、三相导体短路的电动力1.电动力计算在三相系统中，发生短路时作用于每相导体的电动力，取决于该相导体中的电流与其他两相电流的相互作用力。将单相系统推广到三相系统进行计算，且三相短路时，中间相（B相）和外边相受力不一样，应分别计算。（1）B相：FB=FBA-FBC=2×10-7L(iBiA-iBiC)/a=……（2）A、C相：FA=FAB+FAC=2×10-7L(iAiB+0.5iAiC)/a=……*FA由四个分量组成：（1）不衰减的固定分量；（2）按时间常数（Ta/2）衰减的非周期分量；Ta——短路电流非周期分量衰减时间常数（s），其值取决于短路点至电源间的总电阻和总电感，即，Ta=L/R（3）按时间常数Ta衰减的工频分量；（4）不衰减的二倍工频分量。*FB中没有固定分量，而有其他三个分量。2.电动力的最大值（1）三相短路的最大电动力①电动力最大瞬时值与短路冲击电流（ish）出现有关，其表达式为，FAmax=1.616×10-7Lish2/a（N）FBmax=1.73×10-7Lish2/a（N）②三相短路时，B相（中间相）所受电动力最大，约比边相大7%。（2）两相短路与三相短路最大电动力比较Fmax(2)=1.5×10-7Lish2/a（N）于是，Fmax=1.73×10-7Lish2/a（N）3.导体振动的动态应力导体及其支架都具有质量和弹性，组成一弹性系统。导体在外力作用下将发生变形，当外力除去后，导体并不立即恢复到原来平衡位置，而是在平衡位置两侧做往复振动，这种由弹性系统引起的振动，称为自由振动。自由振动的频率称为固有频率。若导体受电动力的作用，而电动力中又有工频和二倍工频分量，因此，当导体固有频率接近50Hz或100Hz时，就会出现共振现象，此时振幅特别大，可能使导体遭到破坏。因此在设计时，应避免发生共振。导体发生共振时，导体内部会产生动态应力。对动态应力的考虑，一般采用修正静态计算法，即在最大电动力Fmax上乘以动态应力系数β，则动态电动力最大值为，Fmax=1.73×10-7Lish2β/a（N）β与导体固有频率有关，忽略振幅不大的高频振动，有，f130Hz时，β130f1160Hz时，β1f1160Hz时，β=1说明:对于35kV及以下的硬母线，由于跨距（L）较小，故f1一般多属于中高频范围。为减小电动力作用，避免在母线结构中引起危险的共振，设计时应尽可能使母线的固有频率在中频（30~160Hz）之外。这时振动系数β=1。例题：P.79第六节大电流封闭母线的发热和电动力(略)敞露式母线易受外界影响，运行可靠性低，因此，对于200MW及以上的大型机组，已广泛采用封闭母线。封闭母线（用外壳将母线封闭起来）的分类：（1）按外壳材料分为：塑料外壳、金属外壳（2）按外壳与母线间的结构形式分为：不隔相、隔相、离相（也称分相）其中，离相又分为分段绝缘式、全连式两种全连式分相封闭母线的特点：（1）沿母线长度方向上的外壳，在同一相内从头到尾全部连通；（2）各相外壳两端用短路板连接。优点：（1）运行可靠性高；（2）短路时母线相间的电动力降低；（3）改善母线附近钢构的发热；（4）安装维护工作量小。缺点：（1）母线散热条件较差；（2）外壳上会产生损耗；（3）金属消耗量增加。第七节导体和电器选择的一般条件(P.170)选择导体和电器时，应根据工程实际情况，在保证安全、可靠的前提下，积极、稳妥地采用新技术，并注意节省投资。导体和各种电器选择的方法不完全相同，但基本要求一致，即按正常工作条件进行选择，并按短路状态校验热稳定和动稳定。选择导体和电器的一般原则如下：（1）应力求技术先进，安全适用，经济合理；（2）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；（3）应按当地环境条件校核；（4）应与整个工程的建设标准协调一致；（5）选择的导体和设备品种不宜太多；（6）选用新产品应积极慎重。新产品应有可靠的试验数据，并经主管单位鉴定合格。一、按正常工作条件选择1.额定电压UN≥UNS2.额定电流IN≥Imax3.按当地环境条件校核海拔高、污秽等级、温度二、按短路情况校验耐受能力1.短路电流计算条件（1）容量和接线按本工程最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划。接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式。（2）短路种类一般按三相短路计算。若其他种类短路较三相短路严重时，应按最严重情况验算。（3）短路点选择应选择通过电器的短路电流最大的那些点为短路计算点。例题：（4）短路计算时间校验导体、电器的热稳定和开断能力时，必须合理确定短路计算时间。①验算热稳定的短路计算时间tk：tk=tpr+tbr=tpr+（tin+ta）②校验开断能力时，电器的开断计算时间tk'：tk'=tpr1+tin2.短路热稳定校验导体和电器耐受短路电流热效应的能力，称为热稳定性。（1）导体热稳定校验为简化计算，工程上常采用当短路时发热满足最高允许温度的条件下，计算导体最小截面Smin，当所选截面SSmin时，便是热稳定的，反之就不稳定。（2）电器设备热稳定校验由于结构复杂，电器的热稳定性由制造厂给出的t秒内热稳定电流It来表示。即，若It2tQk，则认为该电器是热稳定的。3.电动力稳定校验电动力稳定（动稳定）指导体和电器承受短路电流引起的机械效应的能力。对于导体，若满足σmax≤σal，则动稳定合格；对于电器，若满足ish≤ies，则动稳定合格。下列情况不需校验热、动稳定：（1）由熔断器保护的电器，不校验热稳定；（2）由有限流电阻的熔断器保护的电器，不校验动稳定；（3）装在电压互感器回路中的裸导体和电器，不校验热、动稳定。第八节裸导体的选择(P.203)裸导体一般按下列各项选择和校验：（1）导体材料、类型、布置方式（2）导体截面（3）电晕（4）热稳定（5）动稳定（6）共振频率一、导体材料、类型和敷设方式1.材料铜、铝2.类型硬导体：矩形、槽形、管形软导体：钢芯铝绞线、分裂导线3.布置方式导体的散热条件和机械强度与母线的布置方式有关。钢芯铝绞线母线、管形母线——三相水平布置矩