发电厂电气部分_第3章精编版

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1、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

2、 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

3、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

4、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

5、常工作时最高允许温 a,一般不超过 70 0C； 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85 0C； 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300 0C 。 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

6、对应的热平衡式，可得到： 1.短时发热的最高温度h； 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： 对流、辐射、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Ql,2.导体温度的升高及热平衡式,在稳定状态时： 若 QRQt QfQl 则导体不会有温升 （

7、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31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32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,

8、（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,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

9、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)： QcQR（QlQf） 或 QR Qc QlQf （312） 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

10、Qf）w（w0）F 为对流、辐射复合散热总散热量。 F导体的散热面积，m2 w对流、辐射复合散热总散热系数。,热平衡式（312）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 （320） （321） 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

11、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）。,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： 人可触及的钢构为70oC ； 人不可触及的钢构为100oC ； 混凝土中的钢筋为80oC 。,减少钢构

12、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

13、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85 0C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

14、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1,2）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

15、3一8所示,分相封闭母线的优、缺点 1,优点： 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； 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； 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； 安装和维护工作量均小。,分相封闭母线的优、缺点 2,缺点： 母线散热条件较差； 外壳上产生损耗； 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w。 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Qs即可查曲线得s QsQR QwR QsR,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。，85 9C，便可得到： 算出s即可由曲线查出Qw85,3）Qw，与w，的关系曲线如图3一11所示 Q