发电厂电气部分PPT

第三章常用计算的基本理论和方法主要内容1.导体的发热长期发热短时发热正常最高允许温度短时最高允许温度散热导体的温升过程导体载流量最高温度热稳定2.大电流导体附近钢构的发热3.导体短路的电动力∙×∙×第一节导体载流量和运行温度计算1.发热主要是由有功功率损耗引起的，包括：（1）导体电阻和接触连接部分的电阻产生的电阻损耗（2）绝缘材料中出现的介质损耗（3）导体周围的金属部件，交变磁场→涡流和磁滞损耗一、概述2.按流过电流的大小和时间分长期发热和短时发热长期发热：正常工作电流长期通过引起的发热短时发热：短路开始到短路切除止，很短的时间内导体的发热过程4.最高允许温度正常最高允许温度：裸导体不应超过70℃，计及日照的影响，钢芯铝铰线及管形导体为80℃，当导体表面镀锡时为85℃短时最高允许温度：对硬铝及铝锰合金可取200℃，硬铜可取300℃3.发热对导体和电气设备的影响（1）绝缘性能降低（绝缘老化、寿命缩短）（2）机械强度下降（受热时软化）（3）接触电阻增加（温度高时表面氧化）二、导体的发热和散热1.导体电阻损耗的热量QR)/(2mWRIQacWR[1(20)](/)tWacsRKmSRac——导体的交流电阻（Ω/m）ρ——导体温度为20℃时的直流电阻率（Ω∙mm2/m）αt——电阻温度系数（℃-1）θW——导体的运行温度（℃）Ks——集肤效应系数S——导体的截面积（mm2）（一）导体的发热（电阻损耗、日照）[1(20)](/)tWacsRKmS电阻率ρ与电阻温度系数αt材料名称ρΩ∙mm2/mαt℃-1纯铝0.027～0.0290.0041铝锰合金0.0370.0042铝镁合金0.04580.0042软棒铜0.017480.00433硬棒铜0.01790.00433铜0.150.00625集肤效应系数与导体材料、形状、尺寸有关矩形导体的集肤系数圆柱及管形导体的集肤系数2.导体吸收太阳辐射的热量Qt对于圆管形导体：Qt=EtAtD（W/m）Et——太阳照射功率密度（W/m2），我国取Et=1000（W/m2）At——导体的吸收率，对铝管At=0.6D——导体的直径（m）对于屋内导体，无日照的作用，可忽略此部分热量（二）导体的散热对流、辐射、导热三种形式1.导体对流散热量Ql气体各部分相对位移将热量带走的过程，称对流。与温差及换热面积成正比。Ql=αl(θW-θ0)Fl（W/m）αl——对流换热系数[W/(m2∙℃)]θW——导体温度（℃）θ0——周围气体温度（℃）F1——单位长度导体散热面积（m2/m）（1）自然对流bh屋内自然通风或屋外风速小于0.2m/s对流换热系数：αl=1.5(θW-θ0)0.35[W/(m2∙℃)]换热面积：与导体尺寸和布置方式等因素有关1）单条矩形导体时：Fl=2(A1+A2)A1=h/1000（m2/m）,单位长度在高度方向的面积A2=b/1000（m2/m）,单位长度在宽度方向的面积h——(mm)b——(mm)1000/10001hLLhA2）两条矩形导体bhbb212114345.22,1086AAAAAFmmmmmmbc当3）三条矩形导体bhbbbb)(443,1082121AAAAFmmmmbc当4）槽形导体当h200mm时:)/(1000)1000(2221mmbhBAFc当100mmh200mm时:)/()1000(2)1000(22221mmbhBAFc)/()1000(2221mmhAFc当b2/x≈9时:4）管形导体)/(2mmDFc（2）强迫对流换热（风速较大吹拂时）——空气导热系数，当空气温度为20时，D——圆管外径（m）,Nu——努谢尔特准则数V——风速（m/s）,设风向与导体之间有一夹角时：当时，A=0.42,B=0.68,n=1.08当时，A=0.42,B=0.58,n=0.9,ucND0.650.13uVDN22.52100C6215.710ms00.6500.13sinccWcnWQttFVDttAB000240024900WmC2.辐射散热Qf热量从高温物体以热射线方式传到低温物体的过程4402732735.7(/)100100WffQFWmε——导体材料的辐射系数，可查表求得Ff——单位长度导体的辐射换热面积（m2/m）导体材料的辐射系数材料ε材料ε表面磨光的铝0.039～0.057白漆0.08～0.95表面不磨光的铝0.055各种不同颜色的油漆、涂料0.92～0.96精密磨光的电解铜0.018～0.023有光泽的黑色虫漆0.0821有光泽的黑漆0.875无光泽的黑色虫漆0.91无光泽的黑漆0.96～0.98辐射换热面积1）单条矩形导体Ff=2(A1+A2)bh2）二条矩形导体bhbbFf=[2A1+4A2+2A1(1-φ)](m2/m)122121AAAA3）槽形导体Ff=2(h+2b)+b(m2/m)4）管形导体Ff=πD(m2/m)3.导热Qd由于分子或自由电子的运动，将热量从高温区带至低温区的传递热量的过程12()ddQFWλ——导热系数Fd——导热面积δ——物体厚度θ1、θ2——分别为高温区和低温区的温度三、导体载流量的计算1、导体的温升过程RlfcQQQQ导体由最初温度，经过一段时间后上升到稳定温度的过程导体的温升过程中，导体产生的热量，一部分用于本身的温度升高，一部分散失到周围介质中。cww0()QF2ww0()dtIRdtmcdFdt时间内，2ww02[()]()mcdtdIRFFIRF整理得，当时间由0→t时，导体的温度从θk→θ2wW020[()]()ktmcdtdIRFFIRF2W02WWk0()ln()IRFmctFIRF解得：kk0开始时的温升为：0时的温升为：时间tww2kw1FFttmcmcIReeF代入上式可得：2wwIRF当时间由t→∞时，导体的温度达到稳定状态，此时的温升为稳定温升wk1rrttTTeerwmcTF导体的发热时间常数ww2kw1FFttmcmcIReeF发热过程表达式：•当导体吸收的热量与散出的热量相平衡时，导体的温升达到稳定2、导体的载流量稳定温升公式2wIRF2wwIRFlfQQww0()FIRlf()QQAR　　lft()QQQIAR　　计及日照的影响：ww0()F提高导体载流量的方法lft()QQQIAR　　（1）减小电阻①采用电阻率小的材料，如铜、铝等；②减小接触电阻，如接触表面镀锡或银等；③增大截面积（2）增大导体的换热面积在同样的截面积S下，圆形导体的表面积较小，而矩形或槽形的表面积较大，（3）提高换热系数①导体的布置采用散热最佳的方式，如矩形截面坚放较平放散热效果好；②屋内配电装置的导体表面涂漆；③采用强迫冷却四、大电流导体附近钢构的发热发热的原因：发热的危害：钢构发热的最高允许温度：导体电流增大→交变的电磁场增大→钢构中产生很大的磁滞和涡流损耗可能使材料变形，或使接触连接损坏。混凝土中的钢筋受热膨胀，可能使混凝土发生裂缝。①人可触及的钢构为70℃。②人不可触及的钢构为100℃③混凝土中的钢筋为80℃三相导体附近钢构中的损耗二、三相导体附近钢构闭合回路中的损耗aaHmax1Hmin1钢构的周长为u（m）相间距离为a（m）则长度为3a（m）的钢构有功损耗为：uapppFP32minmax)/)](20(0025.01[85.526.1mWtHpfRIP2减少钢构损耗和发热的措施（1）加大钢构和导体之间的距离（2）断开钢构回路，并加上绝缘垫，消除环流（4）采用分相封闭母线。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。（3）采用电磁屏蔽。在磁场强度H最大部位套上短路环，利用短路环中感应电流的去磁作用以降低导体的磁场。H(无环)H(有环)五、大电流封闭母线运行温度的计算1.敞露式母线的缺点（1）容易受外部环境的影响灰尘积于表面，受风、雨、雪、冰侵蚀，易发生相间短路，使运行可靠性降低。（2）短路时电动力大，母线附近钢构的损耗和发热也大（一）分相封闭母线的优点3.封闭母线的缺点（1）散热条件差（2）外壳上产生损耗（3）金属消耗量增加2.分相封闭母线的优点（1）运行可靠性高（2）减小短路电动力（3）减小母线附近钢构的发热（4）安装和维护工作量小（二）封闭母线的发热和散热1.封闭母线的发热封闭母线的发热由母线本身发热和外壳发热所产生（1）母线导体本身的发热20f[10.004(20)]()（2）封闭母线外壳的发热2SRWsQIR20[10.004(20)]()sSssssRKD2.封闭母线的散热包括母线对外壳的散热和外壳对周围空气的散热母线：向外壳的辐射散热442732735.7100100WsWrWQF向外壳的自然对流散热2()2lnWsWCssWQKDD外壳：周围空气的辐射散热)1(1002731002737.544ssWSrFttQ对周围空气的对流散热)(162.101ttDQsssc（三）大电流封闭母线运行温度的计算（1）外壳的总散热曲线()ssQf（2）母线85度的总散热曲线w85()sQf（3）母线运行温度的计算w85w()QQQf计算思路：总发热（母线＋外壳）→外壳温度→母线散热量（85）→求与实际发热量的差值→实际温度——外壳的总散热曲线:SCsrSQQQSS母线的总散热曲线S858585WCWrWQQQS——母线的总散热曲线:第二节导体的短时发热计算一、短时发热过程短时发热——指短路开始至切除止很短一段时间内导体发热的过程。2.短时发热计算的目的确定导体的最高温度，以确定导体是否满足热稳定要求。1.导体短时发热的特点（1）发热时间很短，发出的热量来不及向周围介质散布，基本上是绝热过程。（2）温度升得很高，电阻和比热容也随温度而变，不能作常数对待。3.导体最高温度的确定产生的热量全部用于温度升高，即QR=QcdmcdtRIkt2在时间t内：SlR)1(00(1)CC20m0(1)(1)ktlIdtSlCdSmmSl2m02011()1ktCIdtdShw2m0200111ktktcIdtdSm0h20m0ww20ln(1)ln(1)hccm0h20ln(1)hhcA0(1)mcA2hw201ktktIdtAAS设时间由0到tk（tk为短路切除的时间）时，导体由最初的温度θw上升到最终温度θhtk=tpr+tabtpr——继电保护动作时间tab——断路器全开断时间2hw201ktktIdtAASktktkdtIQ02短路电流热效应:hw21kAQASθ=f(A)曲线θwhwkQSAAθh不超过短时最高允许温度，则满足热稳定的要求Ah→最高允许温度校验热稳定：S≥Smin→Aw