常用計(jì)算的基本理論和方法

1、第三章 常用計(jì)算的基本理論和方法,,§3.1 導(dǎo)體載流量和運(yùn)行溫度計(jì)算,,一、概述,載流導(dǎo)體的電阻損耗絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗金屬構(gòu)件中的磁滯和渦流損耗,1. 電氣設(shè)備通過(guò)電流時(shí)產(chǎn)生的損耗,,熱量,電氣設(shè)備的溫度升高,,,一、概述,絕緣性能降低：溫度升高 => 有機(jī)絕緣材料老化加快機(jī)械強(qiáng)度下降：溫度升高 => 材料退火軟化接觸電阻增加：溫度升高 => 接觸部分的彈性元件因退火而壓力降低，同時(shí)接

2、觸表面氧化，接觸電阻增加，引起溫度繼續(xù)升高，產(chǎn)生惡性循環(huán),2. 發(fā)熱對(duì)電氣設(shè)備的影響,一、概述,長(zhǎng)期發(fā)熱：導(dǎo)體在正常工作狀態(tài)下由工作電流產(chǎn)生的發(fā)熱。短時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)體在短路工作狀態(tài)下由短路電流產(chǎn)生的發(fā)熱。,3. 兩種工作狀態(tài)時(shí)的發(fā)熱,,1o）短路電流大，發(fā)熱量多2o）時(shí)間短，熱量不易散出,短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn)：,在短路時(shí)，導(dǎo)體還受到很大的電動(dòng)力作用，如果超過(guò)允許值，將使導(dǎo)體變形或損壞。,導(dǎo)體的溫度迅速升高,一、概述,正常時(shí)：+70℃；

3、計(jì)及日照+80℃；表面鍍錫+85℃。短路時(shí)：硬鋁及鋁錳合金+200℃；硬銅+300℃。,4. 最高允許溫度,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,導(dǎo)體的發(fā)熱：導(dǎo)體電阻損耗的熱量導(dǎo)體吸收太陽(yáng)輻射的熱量導(dǎo)體的散熱：導(dǎo)體對(duì)流散熱導(dǎo)體輻射散熱導(dǎo)體導(dǎo)熱散熱,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,1. 導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR,（W/m）,（Ω/m）,導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)Kf與電流的頻率、導(dǎo)體的形狀和尺寸有關(guān)。,--電阻溫度系數(shù)，℃-1；,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,2

4、. 導(dǎo)體吸收太陽(yáng)輻射的熱量Qt,（W/m）,太陽(yáng)輻射功率密度,,導(dǎo)體的吸收率,,導(dǎo)體的直徑,,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,3. 導(dǎo)體對(duì)流散熱量Ql,由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過(guò)程，稱為對(duì)流。,Fl —單位長(zhǎng)度導(dǎo)體散熱面積，與導(dǎo)體尺寸、布置方式等因素有關(guān)。導(dǎo)體片（條）間距離越近，對(duì)流條件就越差，故有效面積應(yīng)相應(yīng)減小。,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過(guò)程，稱為對(duì)流。,3. 導(dǎo)體對(duì)流散熱量Ql,θW — 導(dǎo)體溫

5、度；θ0 — 周圍空氣溫度。,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過(guò)程，稱為對(duì)流。,(1) 自然對(duì)流散熱：,3. 導(dǎo)體對(duì)流散熱量Ql,al — 對(duì)流散熱系數(shù)。根據(jù)對(duì)流條件的不同，有不同的計(jì)算公式。,(2) 強(qiáng)迫對(duì)流散熱：,強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)向修正系數(shù)：,強(qiáng)迫對(duì)流散熱量：,,強(qiáng)迫對(duì)流散熱系數(shù):α1=Nμλ/DNμ=0.13（VD/ν）0.65 （3-7）式中λ—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)氣溫為20℃時(shí)，λ=2.52

6、×10-2W/（m·℃）；D—圓管外徑，mNμ-努謝爾特準(zhǔn)則系數(shù)，是傳熱學(xué)中表示對(duì)流散熱強(qiáng)度的一個(gè)數(shù)據(jù)；V-風(fēng)速，m/s；ν-空氣的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20℃時(shí)，ν=15.7×10-6 m2/s。,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,4. 導(dǎo)體輻射散熱量Qf,熱量從高溫物體以熱射線方式傳給低溫物體的傳播過(guò)程，稱為輻射。,Ff —單位長(zhǎng)度導(dǎo)體的輻射散熱面積，依導(dǎo)體形狀和布置情況而定。ε-導(dǎo)體材料的輻射系數(shù),

7、4．導(dǎo)體輻射散熱面積Ff (1),單條導(dǎo)體對(duì)流散熱面積： Ff =2（A1+A2）A1=h/1000 m2/m， A2=h/1000m2/m二條導(dǎo)體對(duì)流散熱面積： Ff =2A1+4A2+2A1（1-φ）m2/mφ為輻射角系數(shù)，φ= [1+（A2/A1）2 ]1/2 -A2/A1,4．導(dǎo)體輻射散熱面積Ff (2),三條導(dǎo)體對(duì)流散熱面積： Ff =2A1+6A2+4A1（1-φ）m2/m

8、 槽形導(dǎo)體對(duì)流散熱面積： Ff=2（h+2b）+b m2/m 當(dāng)100mm<h<200mm時(shí)，為 h—槽形導(dǎo)體的高度，m； b—槽形導(dǎo)體的寬度，m。圓管形導(dǎo)體對(duì)流散熱面積為 F1=πD,二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱,5. 導(dǎo)體導(dǎo)熱散熱量Qd,固體中由于晶格振動(dòng)和自由電子運(yùn)動(dòng)，使熱量由高溫區(qū)傳至低溫區(qū)；而在氣體中，氣體分子不停地運(yùn)動(dòng)，高溫區(qū)域的分子比低溫區(qū)域的分子具有較高的速度，分子從高

9、溫區(qū)運(yùn)動(dòng)到低溫區(qū)，便將熱量帶至低溫區(qū)。這種傳遞能量的過(guò)程，稱為導(dǎo)熱。,導(dǎo)熱系數(shù),導(dǎo)熱面積,,,物體厚度,,三、導(dǎo)體載流量的計(jì)算,通過(guò)分析導(dǎo)體長(zhǎng)期通過(guò)工作電流時(shí)的發(fā)熱過(guò)程，計(jì)算導(dǎo)體的載流量（長(zhǎng)期允許電流）。,導(dǎo)體的溫升過(guò)程 (1),總散熱量：αw-總散熱系數(shù)F-導(dǎo)體的散熱面積，m2,,導(dǎo)體的溫升過(guò)程 (2),熱平衡方程：QR=Qc+Ql+Qf （W/m）在dt時(shí)間內(nèi)，由上式可得I2Rdt=mcdθ+αF(θw-θo)dtα:換

10、熱系數(shù)F，換熱面積θw，導(dǎo)體的溫度θo，周圍空氣的溫度,導(dǎo)體的溫升過(guò)程 (3),整理得：dt=-(mc/αF) *(1/I2R-αF(θw-θo))d[I2R-αF(θw-θo)] 兩邊積分得： t= 設(shè)開(kāi)始溫升為τi=θi-θ0對(duì)應(yīng)于時(shí)間t的溫升為τ=θ-θ0 得到：,,,,導(dǎo)體的溫升過(guò)程 (4),t→∞τs= I2R/αF令Tt=mc/αFτ=τs(1- )+τiτ=τs+(τi-τs),,,,2

11、、導(dǎo)體的載流量,由τs= I2R/αF可知導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升與電流的平方、導(dǎo)體材料的電阻成正比，與總換熱系數(shù)和換熱面積成反比。I2R=ατsF=Qc+Qr,,提高母線載流量的措施：,1、減小母線電阻：采用電阻率小的材料，增大截面積（采用組合、槽形）2、減小接觸電阻（θ<70℃）3、增大散熱面積4、強(qiáng)迫水內(nèi)冷、風(fēng)冷 5、表面涂漆（室內(nèi)）,四、大電流導(dǎo)體附近鋼構(gòu)的發(fā)熱 （1）,1．鋼構(gòu)的發(fā)熱原因：隨著發(fā)電機(jī)組容量的加大，導(dǎo)體電

12、流也相應(yīng)增大，導(dǎo)體周圍出現(xiàn)強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)，使其附近鋼構(gòu)中產(chǎn)生很大的磁滯和渦流損耗，鋼構(gòu)因此而發(fā)熱。2．發(fā)熱的危害 可能使材料產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形，或使接觸連接損壞。混凝土中的鋼筋受熱膨脹，可能使混凝土發(fā)生裂縫。,四、大電流導(dǎo)體附近鋼構(gòu)的發(fā)熱 （1）,3．鋼構(gòu)發(fā)熱的最高允許溫度1）人可觸及的鋼構(gòu)為70℃2）人不可觸及的鋼構(gòu)為100℃3）混凝土中的鋼筋為80℃4．減少鋼構(gòu)損耗和發(fā)熱的措施（1）加大鋼構(gòu)和導(dǎo)體之間的距離，使磁

13、場(chǎng)強(qiáng)度減弱，因而可降低渦流和磁滯損耗（2）斷開(kāi)鋼構(gòu)回路，并加上絕緣墊，消除環(huán)流。（3）采用電磁屏蔽（4）采用分相封閉母線,五、大電流封閉母線的發(fā)熱和散熱 （1）,1．全連式分相封閉母線l 母線由鋁管作成，每相母線各封裝在單獨(dú)的外殼內(nèi)l 外殼兩端用短路板連接起來(lái)2．分相封閉母線的優(yōu)點(diǎn)①   運(yùn)行可靠性高②   短路時(shí)母線相間電動(dòng)力大大降低③  

14、; 母線附近鋼構(gòu)的發(fā)熱大大減少④   安裝和維護(hù)工作量均小,五、大電流封閉母線的發(fā)熱和散熱 （2）,3．分相封閉母線的缺點(diǎn)①   母線散熱條件較差②   外殼上產(chǎn)生損耗③   金屬消耗量增加4．分相封閉母線的發(fā)熱①   母線本身發(fā)熱②   母線外殼發(fā)熱,五、大電流封閉母線的發(fā)熱和散熱 （3）,5．分相封閉