常用計算的基本理論和方法

1、第三章 常用計算的基本理論和方法,,§3.1 導體載流量和運行溫度計算,,一、概述,載流導體的電阻損耗絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗金屬構件中的磁滯和渦流損耗,1. 電氣設備通過電流時產(chǎn)生的損耗,,熱量,電氣設備的溫度升高,,,一、概述,絕緣性能降低：溫度升高 => 有機絕緣材料老化加快機械強度下降：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)熱對電氣設備的影響,一、概述,長期發(fā)熱：導體在正常工作狀態(tài)下由工作電流產(chǎn)生的發(fā)熱。短時發(fā)熱：導體在短路工作狀態(tài)下由短路電流產(chǎn)生的發(fā)熱。,3. 兩種工作狀態(tài)時的發(fā)熱,,1o）短路電流大，發(fā)熱量多2o）時間短，熱量不易散出,短時發(fā)熱的特點：,在短路時，導體還受到很大的電動力作用，如果超過允許值，將使導體變形或損壞。,導體的溫度迅速升高,一、概述,正常時：+70℃；

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

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

5、度；θ0 — 周圍空氣溫度。,二、導體的發(fā)熱和散熱,由氣體各部分發(fā)生相對位移將熱量帶走的過程，稱為對流。,(1) 自然對流散熱：,3. 導體對流散熱量Ql,al — 對流散熱系數(shù)。根據(jù)對流條件的不同，有不同的計算公式。,(2) 強迫對流散熱：,強迫對流風向修正系數(shù)：,強迫對流散熱量：,,強迫對流散熱系數(shù):α1=Nμλ/DNμ=0.13（VD/ν）0.65 （3-7）式中λ—空氣的導熱系數(shù)，當氣溫為20℃時，λ=2.52

6、×10-2W/（m·℃）；D—圓管外徑，mNμ-努謝爾特準則系數(shù)，是傳熱學中表示對流散熱強度的一個數(shù)據(jù)；V-風速，m/s；ν-空氣的運動黏度系數(shù)，當空氣溫度為20℃時，ν=15.7×10-6 m2/s。,二、導體的發(fā)熱和散熱,4. 導體輻射散熱量Qf,熱量從高溫物體以熱射線方式傳給低溫物體的傳播過程，稱為輻射。,Ff —單位長度導體的輻射散熱面積，依導體形狀和布置情況而定。ε-導體材料的輻射系數(shù),

7、4．導體輻射散熱面積Ff (1),單條導體對流散熱面積： Ff =2（A1+A2）A1=h/1000 m2/m， A2=h/1000m2/m二條導體對流散熱面積： 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．導體輻射散熱面積Ff (2),三條導體對流散熱面積： Ff =2A1+6A2+4A1（1-φ）m2/m

8、 槽形導體對流散熱面積： Ff=2（h+2b）+b m2/m 當100mm<h<200mm時，為 h—槽形導體的高度，m； b—槽形導體的寬度，m。圓管形導體對流散熱面積為 F1=πD,二、導體的發(fā)熱和散熱,5. 導體導熱散熱量Qd,固體中由于晶格振動和自由電子運動，使熱量由高溫區(qū)傳至低溫區(qū)；而在氣體中，氣體分子不停地運動，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)運動到低溫區(qū)，便將熱量帶至低溫區(qū)。這種傳遞能量的過程，稱為導熱。,導熱系數(shù),導熱面積,,,物體厚度,,三、導體載流量的計算,通過分析導體長期通過工作電流時的發(fā)熱過程，計算導體的載流量（長期允許電流）。,導體的溫升過程 (1),總散熱量：αw-總散熱系數(shù)F-導體的散熱面積，m2,,導體的溫升過程 (2),熱平衡方程：QR=Qc+Ql+Qf （W/m）在dt時間內(nèi)，由上式可得I2Rdt=mcdθ+αF(θw-θo)dtα:換

10、熱系數(shù)F，換熱面積θw，導體的溫度θo，周圍空氣的溫度,導體的溫升過程 (3),整理得：dt=-(mc/αF) *(1/I2R-αF(θw-θo))d[I2R-αF(θw-θo)] 兩邊積分得： t= 設開始溫升為τi=θi-θ0對應于時間t的溫升為τ=θ-θ0 得到：,,,,導體的溫升過程 (4),t→∞τs= I2R/αF令Tt=mc/αFτ=τs(1- )+τiτ=τs+(τi-τs),,,,2

11、、導體的載流量,由τs= I2R/αF可知導體的穩(wěn)定溫升與電流的平方、導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、強迫水內(nèi)冷、風冷 5、表面涂漆（室內(nèi)）,四、大電流導體附近鋼構的發(fā)熱 （1）,1．鋼構的發(fā)熱原因：隨著發(fā)電機組容量的加大，導體電

12、流也相應增大，導體周圍出現(xiàn)強大的交變電磁場，使其附近鋼構中產(chǎn)生很大的磁滯和渦流損耗，鋼構因此而發(fā)熱。2．發(fā)熱的危害 可能使材料產(chǎn)生熱應力而引起變形，或使接觸連接損壞?；炷林械匿摻钍軣崤蛎?，可能使混凝土發(fā)生裂縫。,四、大電流導體附近鋼構的發(fā)熱 （1）,3．鋼構發(fā)熱的最高允許溫度1）人可觸及的鋼構為70℃2）人不可觸及的鋼構為100℃3）混凝土中的鋼筋為80℃4．減少鋼構損耗和發(fā)熱的措施（1）加大鋼構和導體之間的距離，使磁

13、場強度減弱，因而可降低渦流和磁滯損耗（2）斷開鋼構回路，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的外殼內(nèi)l 外殼兩端用短路板連接起來2．分相封閉母線的優(yōu)點①   運行可靠性高②   短路時母線相間電動力大大降低③  

14、; 母線附近鋼構的發(fā)熱大大減少④   安裝和維護工作量均小,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