導體的發(fā)熱與短路電動

1、第三章 常用計算的基本理論和方法,教學內(nèi)容,載流導體長期發(fā)熱的特點, 導體長期允許載流量的計算方法及提高導體載流量的措施 載流導體短時發(fā)熱的特點, 導體短時最高發(fā)熱溫度的計算方法、短路電流熱效應(yīng)的計算方法、熱穩(wěn)定的概念三相導體短路電動力的計算方法和特點、動穩(wěn)定的概念,一、導體載流量和運行溫度計算,發(fā)熱的原因：電阻損耗 導體內(nèi)部磁滯和渦流損耗導體周圍的金屬構(gòu)件介質(zhì)損耗 絕緣材料內(nèi)部長期發(fā)熱，由正常工作電流產(chǎn)生

2、短時發(fā)熱，由故障短路電流產(chǎn)生發(fā)熱的危害：機械強度下降；接觸電阻增加；絕緣性能下降,,1、最高允許溫度,正常最高允許工作溫度：70℃（一般裸導體）80℃（計及日照時的鋼芯鋁絞線、管形導體）85℃（接觸面有鍍錫的可靠覆蓋層） --主要取決于系統(tǒng)接觸電阻的大小 短時最高允許溫度：200℃（硬鋁及鋁錳合金）300℃（硬銅） --主要取決于短時發(fā)熱過程中導體機械強度的大小、介質(zhì)絕緣強度的大小,2

3、、導體的長期發(fā)熱,,,,I---流過導體的電流（A）R---導體的電阻（Ω）m---導體的質(zhì)量（kg）c---導體的比熱容[J/(kg. ℃)]αW ---導體總的換熱系數(shù)[W/(m2. ℃)]F---導體的換熱面積（ m2 /m)θ0 ---周圍空氣的溫度（ ℃）θ ---導體的溫度（ ℃）,,,（1）導體長期發(fā)熱的公式推導 熱平衡方程： 導體產(chǎn)生的熱量QR = 導體自身溫度的升高Qc +

4、 對流和輻射散失到周圍介質(zhì)的熱量Ql + Qf,穩(wěn)定溫升,導體發(fā)熱時間常數(shù),初始溫升:,時間t的溫升:,若,--指導體通過工作電流時的發(fā)熱過程,（2）導體長期發(fā)熱的特點,3）導體達到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)后，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量全部以對流和輻射的形式散失掉，導體的溫升趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定溫升與導體的初始溫度無關(guān)。,導體溫升變化曲線,1）導體通過電流I后，溫度開始升高，經(jīng)過（3～4）倍Tt(時間常數(shù))，導體達到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)；,2）導體升

5、溫過程的快慢取決于導體的發(fā)熱時間常數(shù)，即與導體的吸熱能力成正比，與導體的散熱能力成反比，而與通過的電流大小無關(guān)；,3.提高導體載流量的措施,1）減小交流電阻Rac(公式3-3)， 采用電阻率小的材料。如銅、鋁 增大導體的截面減小接觸電阻。 表面鍍錫 銀等采用集膚效應(yīng)系數(shù)小的導體與電流頻率、導體的形狀和尺寸有關(guān)（圖3-1 3-2）2）增大散熱面積。相同截面積，矩形導體的表面積大于圓

6、形的矩形豎放的表面積大于平放的3）增大復合散熱系數(shù)：強迫對流、表面涂漆,,,,關(guān)于集膚效應(yīng)系數(shù),常用硬導體長期允許載流量和集膚效應(yīng)系數(shù),見 343頁附表1 344頁附表2 附表3,二、載流導體的短時發(fā)熱計算,目的：確定導體的最高溫度（不應(yīng)超過規(guī)定的導體短時發(fā)熱溫度。當滿足這個條件，認為導體在短路時具有熱穩(wěn)定性）,--指短路開始到短路切除為止很短一段時間內(nèi)導體的發(fā)熱過程。,短路時間,保護動作時間,斷路

7、器的全開斷時間,燃弧時間,斷路器固有分閘時間,1、短時發(fā)熱的特點,短時均勻?qū)w的發(fā)熱過程,絕熱過程。由于發(fā)熱時間短，可認為電阻損耗產(chǎn)生的熱量來不及散失，全部用于使導體溫度升高。 QR = Qc 導體溫度變化很大，電阻和比熱容隨溫度而變化。,短時最高發(fā)熱溫度θh為短路電流切除時刻tk 對應(yīng)的導體溫度,,,熱平衡方程:,,定義：,（短路電流熱效應(yīng)）,,,,2、計算導體短時發(fā)熱的最高發(fā)熱溫度,假設(shè)：已知短路電流熱效應(yīng)Qk則：1）由導

8、體初始溫度θw查出Aw；2）求出Ah3)查出θh,3、計算短路電流熱效應(yīng)（實用計算法）,周期分量的熱效應(yīng),非周期分量的熱效應(yīng),當短路電流切除時間超過1秒時，可忽略非周期分量的影響,非周期分量等效時間見表3-3,注意,,實用短路計算1.計算某地點的發(fā)電機到短路點的轉(zhuǎn)移阻抗X*(網(wǎng)絡(luò)化簡). 轉(zhuǎn)移阻抗X* 是以100MVA為基準的標幺值2.轉(zhuǎn)移阻抗X* 轉(zhuǎn)換為 計算電抗Xjs* 計算電抗Xjs* 是以發(fā)電機容量為基準的標

9、幺值3.如果Xjs*大于3,表示發(fā)電機與短路點之間的電氣距離較遠,可忽略發(fā)電機的暫態(tài)過程,I”* = 1/ Xjs* 如果Xjs*小于3,表示發(fā)電機與短路點之間的電氣距離較近,不能忽略發(fā)電機的暫態(tài)過程,由 Xjs*和tk查運算曲線得到I”* 4.I”*轉(zhuǎn)為有名值(以發(fā)電機容量為基準)5.將多個地點的發(fā)電機對短路點提供的短路電流有名值相加.,如何得到故障點處:Itk/2 ItkI” 短路開始(t=0)時刻,短路電流

10、周期分量的有效值Itk/2 短路后(t=tk/2)時刻,短路電流周期分量的有效值Itk 短路后(t=tk)時刻,短路電流周期分量的有效值,三、載流導體短路電動力計算,1、兩條無線細長載流導體間的電動力短路時，導體溫度高，還受到電動力作用，當導體和電氣設(shè)備機械強度不夠時，將會變形或損壞。必須研究短路電流產(chǎn)生電動力的大小和特征，以便選用適當強度的導體和電氣設(shè)備，保證足夠的動穩(wěn)定，必要時采取限制短路電流的措施。,,(

11、N),,例如：根據(jù)安裝地點處應(yīng)承受的最大電動力，選擇合適的隔離開關(guān)。否則，短路時可能將隔離開關(guān)自動斷開。V型隔離開關(guān): 承受的電動力較小兩柱式隔離開關(guān):承受的電動力較大,,,(N),Kf-形狀系數(shù),圓形導體： Kf =1槽形導體：見表3-4矩形導體：見圖3-18,1)計算矩形導體相間電動力時不需要考慮K2)計算矩形導體同相條間電動力時必須考慮K,注意：,,考慮截面因素時兩載流導體間的電動力,2、三相導體短路的電動力,如不計

12、短路電流周期分量的衰減，三相短路電流為：,,,,,,不衰減的固定分量,衰減的非周期分量,,,衰減的工頻分量,不衰減的2倍工頻分量,t=0.01s 時，短路電動力的幅值最大,,三相短路的電動力,短路沖擊電流,短路開始時刻(t=0)短路電流周期分量的有效值,3、兩相短路電動力,,4、三相導體最大短路電動力,三相短路故障后的0.01s，作用在中間B相，,（N）,5、導體振動的動態(tài)應(yīng)力,導體的固有振動頻率：,,,,,,,,,,,,L 絕緣子跨

13、距,L 絕緣子跨距,電動力,固有頻率接近電動力頻率（工頻、2倍工頻）,導體共振,損壞導體及其架構(gòu),,,凡是連接發(fā)電機、主變壓器以及配電裝置中的導體均應(yīng)考慮共振的影響,,β 與導體的固有振動頻率有關(guān)，見圖3-23,動態(tài)應(yīng)力系數(shù),為避免共振，重要導體的固有頻率在下述范圍以外：（1）單條導體及一組中的各條導體 35~135HZ（2）多條導體及引下線的單條導體 35~155HZ（3）槽形和管形導體30~160HZ,導體發(fā)生振動時，內(nèi)部產(chǎn)

14、生動態(tài)應(yīng)力：,小結(jié),導體長期發(fā)熱的特點 導體短時發(fā)熱的特點 短路電流熱效應(yīng)的計算方法 三相導體最大短路電動力的計算,作業(yè),1.為什么要研究導體和設(shè)備的發(fā)熱和電動力？2.導體在正常運行和短路情況下的最高允許溫度是多少？3.導體的長期允許電流是根據(jù)什么確定的？提高長期允許電流應(yīng)采取哪些措施？4.什么是熱穩(wěn)定？什么是動穩(wěn)定？5.如何計算導體短路時的最高發(fā)熱溫度?其中短路電流熱效應(yīng)如何計算?6.三相平行導體發(fā)生三相短路時最大電動