3 第3章 导体的发热与短路电动.ppt
第三章 常用计算的基本理论和方法常用计算的基本理论和方法教学内容教学内容 n载流导体载流导体长期发热长期发热的特点的特点,导体长期允许载流量的导体长期允许载流量的计算方法及提高导体载流量的措施计算方法及提高导体载流量的措施 n载流导体载流导体短时发热短时发热的特点的特点,导体短时最高发热温度导体短时最高发热温度的计算方法、短路电流热效应的计算方法、热稳定的计算方法、短路电流热效应的计算方法、热稳定的概念的概念n三相导体三相导体短路电动力短路电动力的计算方法和特点、动稳定的的计算方法和特点、动稳定的概念概念一、导体载流量和运行温度计算一、导体载流量和运行温度计算发热的原因发热的原因：n电阻损耗电阻损耗 导体内部导体内部n磁滞和涡流损耗磁滞和涡流损耗导体周围的金属构件导体周围的金属构件n介质损耗介质损耗 绝缘材料内部绝缘材料内部长期发热，由正常工作电流产生长期发热，由正常工作电流产生短时发热，由故障短路电流产生短时发热，由故障短路电流产生发热的危害发热的危害：n机械强度下降；机械强度下降；n接触电阻增加；接触电阻增加；n绝缘性能下降绝缘性能下降1、最高允许温度最高允许温度 n正常最高允许工作温度正常最高允许工作温度：7070（一般裸导体）（一般裸导体）8080（计及日照时的钢芯铝绞线、管形导体）（计及日照时的钢芯铝绞线、管形导体）8585（接触面有镀锡的可靠覆盖层）（接触面有镀锡的可靠覆盖层）-主要取决于系统接触电阻的大小主要取决于系统接触电阻的大小 n短时最高允许温度短时最高允许温度：200200（硬铝及铝锰合金）（硬铝及铝锰合金）300300（硬铜）（硬铜）-主要取决于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质主要取决于短时发热过程中导体机械强度的大小、介质绝缘强度的大小绝缘强度的大小 2 2、导体的长期发热、导体的长期发热 I-流过导体的电流（A）R-导体的电阻（）m-导体的质量（kg）c-导体的比热容J/(kg.)W W-导体总的换热系数W/(m2.)F-导体的换热面积（m2/m)0 -周围空气的温度（）-导体的温度（）（1 1）导体长期发热的公式推导）导体长期发热的公式推导 热平衡方程：热平衡方程：导体产生的热量导体产生的热量QRQR =导体自身温度的升高导体自身温度的升高QcQc +对流和辐射散失到周围介质的热量对流和辐射散失到周围介质的热量Q Ql l+Q Qf f稳定稳定温升温升导体发热导体发热时间常数时间常数初始温升初始温升:时间时间t t的温升的温升:若若-指导体通过工作电流指导体通过工作电流时的发热过程时的发热过程（2 2）导体长期发热的特点）导体长期发热的特点3 3）导体达到稳定发热状态后，）导体达到稳定发热状态后，由电阻损耗产生的热量全部以对由电阻损耗产生的热量全部以对流和辐射的形式散失掉，导体的流和辐射的形式散失掉，导体的温升趋于稳定，且稳定温升与导温升趋于稳定，且稳定温升与导体的初始温度无关。体的初始温度无关。导体温升变化曲线导体温升变化曲线1 1）导体通过电流）导体通过电流I I后，温度开后，温度开始升高，经过（始升高，经过（3 34 4）倍）倍T Tt t(时时间常数间常数)，导体达到稳定发热，导体达到稳定发热状态；状态；2 2）导体升温过程的快慢取决）导体升温过程的快慢取决于导体的发热时间常数，即与于导体的发热时间常数，即与导体的吸热能力成正比，与导导体的吸热能力成正比，与导体的散热能力成反比，而与通体的散热能力成反比，而与通过的电流大小无关；过的电流大小无关；3.3.提高导体载流量的措施提高导体载流量的措施1 1）减小交流电阻）减小交流电阻RacRac(公式公式3-3)3-3)，采用电阻率小的材料。如铜、铝采用电阻率小的材料。如铜、铝 增大导体的截面增大导体的截面减小接触电阻。减小接触电阻。表面镀锡表面镀锡 银等银等采用集肤效应系数小的导体采用集肤效应系数小的导体与电流频率、导体的形状和尺寸有关（图与电流频率、导体的形状和尺寸有关（图3-1 3-3-1 3-2 2）2 2）增大散热面积。）增大散热面积。相同截面积，矩形导体的表面积大于圆形的相同截面积，矩形导体的表面积大于圆形的矩形竖放的表面积大于平放的矩形竖放的表面积大于平放的3 3）增大复合散热系数：强迫对流、表面涂漆）增大复合散热系数：强迫对流、表面涂漆 关于集肤效应系数关于集肤效应系数常用硬导体长期允许载流量和常用硬导体长期允许载流量和集肤效应系数集肤效应系数见见 343 343页附表页附表1 1 344 344页附表页附表2 2 附表附表3 3 二、载流导体的短时发热计算二、载流导体的短时发热计算n目目的的：确确定定导导体体的的最最高高温温度度（不不应应超超过过规规定定的的导导体体短短时时发发热热温温度度。当当满满足足这这个个条条件件，认认为为导导体体在在短路时具有短路时具有热稳定热稳定性）性）-指指短短路路开开始始到到短短路路切切除除为为止止很很短短一一段段时时间间内内导导体体的的发发热过程。热过程。短路短路时间时间保护动保护动作时间作时间断路器的全断路器的全开断时间开断时间燃弧燃弧时间时间断路器固有断路器固有分闸时间分闸时间1 1、短时发热的特点、短时发热的特点 短时均匀导体的发热过程短时均匀导体的发热过程n绝热过程。由于发热时间短，可认为电阻绝热过程。由于发热时间短，可认为电阻损耗产生的热量来不及散失，全部用于使导损耗产生的热量来不及散失，全部用于使导体温度升高。体温度升高。QR=Qc n导体温度变化很大，电阻和比热容随温度导体温度变化很大，电阻和比热容随温度而变化。而变化。短时最高发热温度短时最高发热温度h h为短为短路电流切除时刻路电流切除时刻t tk k 对应的对应的导体温度导体温度热平衡方程热平衡方程:定义：定义：（短路电流热效应）（短路电流热效应）2 2、计算导体短时发热的最高发热温度、计算导体短时发热的最高发热温度假设假设：已知短路电流热效应已知短路电流热效应Q Qk k则：则：1 1）由导体初始温度）由导体初始温度ww查查出出AwAw；2 2）求出求出A Ah h3)3)查出查出h h0铝铝铜铜3 3、计算短路电流热效应（实用计算法）、计算短路电流热效应（实用计算法）周期分量周期分量的热效应的热效应 非周期分量非周期分量的热效应的热效应 当短路电流切除时间超过当短路电流切除时间超过1 1秒秒时，可忽略非周期分量的影响时，可忽略非周期分量的影响 非周期分非周期分量等效时量等效时间见表间见表3-33-3注注意意实用短路计算实用短路计算1.1.计算某地点的发电机到短路点的转移阻抗计算某地点的发电机到短路点的转移阻抗X X*(网络化简网络化简).).转移阻抗转移阻抗X X*是以是以100100MVAMVA为基准的标幺值为基准的标幺值2.2.转移阻抗转移阻抗X X*转换为转换为 计算电抗计算电抗XjsXjs*计算电抗计算电抗XjsXjs*是以发电机容量为基准的标幺值是以发电机容量为基准的标幺值3.3.如果如果XjsXjs*大于大于3,3,表示发电机与短路点之间的电气距离较远表示发电机与短路点之间的电气距离较远,可忽略发电可忽略发电机的暂态过程机的暂态过程,I”I”*=1/=1/XjsXjs*如果如果XjsXjs*小于小于3,3,表示发电机与短路点之间的电气距离较近表示发电机与短路点之间的电气距离较近,不能忽略发不能忽略发电机的暂态过程电机的暂态过程,由由 XjsXjs*和和tktk查运算曲线得到查运算曲线得到I”I”*4.4.I”I”*转为有名值转为有名值(以发电机容量为基准以发电机容量为基准)5.5.将多个地点的发电机对短路点提供的短路电流有名值相加将多个地点的发电机对短路点提供的短路电流有名值相加.如何得到故障点处如何得到故障点处:ItkItk/2/2 Itk ItkI”I”短路开始短路开始(t=0)t=0)时刻时刻,短路电流周期分量的有效值短路电流周期分量的有效值ItkItk/2/2 短路后短路后(t=t=tktk/2)/2)时刻时刻,短路电流周期分量的有效值短路电流周期分量的有效值Itk Itk 短路后短路后(t=t=tktk)时刻时刻,短路电流周期分量的有效值短路电流周期分量的有效值三、载流导体短路电动力计算三、载流导体短路电动力计算1 1、两条无线细长载流导体间的电动力、两条无线细长载流导体间的电动力n短路时，导体温度高，还受到电动力作用，当导体和电气短路时，导体温度高，还受到电动力作用，当导体和电气设备机械强度不够时，将会设备机械强度不够时，将会变形或损坏变形或损坏。n必须研究短路电流产生电动力的大小和特征，以便选用适必须研究短路电流产生电动力的大小和特征，以便选用适当强度的导体和电气设备，保证足够的当强度的导体和电气设备，保证足够的动稳定动稳定，必要时采，必要时采取限制短路电流的措施。取限制短路电流的措施。(N)例如：根据安装地点处应承受的最大电动力，选择合适的隔离开关。例如：根据安装地点处应承受的最大电动力，选择合适的隔离开关。否则，短路时可能将隔离开关自动断开。否则，短路时可能将隔离开关自动断开。V V型隔离开关型隔离开关:承受的电动力较小承受的电动力较小两柱式隔离开关两柱式隔离开关:承受的电动力较大承受的电动力较大(N)K Kf f-形状系数形状系数n圆形导体：圆形导体：K Kf f =1=1n槽形导体：见表槽形导体：见表3-43-4n矩形导体：见图矩形导体：见图3-18 3-18 1)1)计算矩形导体相间电动力时不需要考虑计算矩形导体相间电动力时不需要考虑K K2)2)计算矩形导体同相条间电动力时必须考虑计算矩形导体同相条间电动力时必须考虑K K注意：注意：考虑截面因素时两载考虑截面因素时两载流导体间的电动力流导体间的电动力2 2、三相导体短路的电动力、三相导体短路的电动力如不计短路电流周期分量的衰减，三相短路电流为：如不计短路电流周期分量的衰减，三相短路电流为：不衰减的固定分量不衰减的固定分量衰减的非周期分量衰减的非周期分量衰减的工频分量衰减的工频分量不衰减的不衰减的2倍工频分量倍工频分量t=0.01st=0.01s 时，短路电动力的幅值最大时，短路电动力的幅值最大三相短路的电动力三相短路的电动力短路冲击电流短路冲击电流短路开始时刻短路开始时刻(t=0)t=0)短路电流周期分量的有效值短路电流周期分量的有效值3 3、两相短路电动力、两相短路电动力4 4、三相导体最大短路电动力、三相导体最大短路电动力三相短路故障后的三相短路故障后的0.010.01s s，作用在中间作用在中间B B相相，（N）5 5、导体振动的动态应力、导体振动的动态应力导体的固有振动频率：导体的固有振动频率：L 绝缘子跨距L 绝缘子跨距电动力固有频率接近电动力频率（工频、固有频率接近电动力频率（工频、2 2倍工频倍工频）导体共振导体共振损坏导体及其架构损坏导体及其架构 凡是连接发电机、主变压器以及配电凡是连接发电机、主变压器以及配电装置中的导体均应考虑共振的影响装置中的导体均应考虑共振的影响 与导体的固有振动频率有关，见图与导体的固有振动频率有关，见图3-233-23动态应力动态应力系数系数为避免共振，重要导体的固有频率在下述范围以外：为避免共振，重要导体的固有频率在下述范围以外：（1 1）单条导体及一组中的各条导体）单条导体及一组中的各条导体 35135HZ35135HZ（2 2）多条导体及引下线的单条导体）多条导体及引下线的单条导体 35155HZ35155HZ（3 3）槽形和管形导体）槽形和管形导体30160HZ30160HZ导体发生振动时，内部产生动态应力：导体发生振动时，内部产生动态应力：小结n导体长期发热的特点导体长期发热的特点 n导体短时发热的特点导体短时发热的特点 n短路电流热效应的计算方法短路电流热效应的计算方法 n三相导体最大短路电动力的计算三相导体最大短路电动力的计算 作业1.为什么要研究导体和设备的发热和电动力？2.导体在正常运行和短路情况下的最高允许温度是多少？3.导体的长期允许电流是根据什么确定的？提高长期允许电流应采取哪些措施？4.什么是热稳定？什么是动稳定？5.如何计算导体短路时的最高发热温度?其中短路电流热效应如何计算?6.三相平行导体发生三相短路时最大电动力出现在哪相上？如何计算最大电动力?
