变电工程设计 电气设备发热和电动力计算.ppt
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1、变电工程设计 电气设备发热和电动力计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 张长利张长利 教授教授 王立舒王立舒 副教授副教授 东北农业大学网络学院东北农业大学网络学院 E-mail:E-mail: 变电工程设计变电工程设计第第5 5章章 电气设备的发热和电动力计算电气设备的发热和电动力计算 5-1 5-1 载流导体的发热载流导体的发热 导体和电器在运行中常遇到两种工作状态:导体和电器在运行中常遇到两种工作状态:(1)(1)正常工作状态正常工作状态指运
2、行参数都不超过额定值,电气设备指运行参数都不超过额定值,电气设备能够长期经济地工作的状态。能够长期经济地工作的状态。(2)(2)短路工作状态短路工作状态当电力系统中发生短路故障时,电气设当电力系统中发生短路故障时,电气设备要流过很大的短路电流,在短路故障被切除前的短时间内,备要流过很大的短路电流,在短路故障被切除前的短时间内,电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。导体正常工作时将产生各种损耗,包括:导体正常工作时将产生各种损耗,包括:电阻损耗(铜损);介质损耗;涡流和磁滞损耗(铁损)。电阻损耗(铜损);介质损耗;涡流和磁滞损耗(铁损)。
3、这些损耗变成热能使导体的温度升高,以致使材料的物理这些损耗变成热能使导体的温度升高,以致使材料的物理性能和化学性能变坏。性能和化学性能变坏。一、导体的发热和散热一、导体的发热和散热一、导体的发热和散热一、导体的发热和散热1.1.发热发热电流通过载流导体时电能以热能的形式产生损耗,其中一部电流通过载流导体时电能以热能的形式产生损耗,其中一部分散失到周围介质中,一部分使导体本身温度升高。分散失到周围介质中,一部分使导体本身温度升高。式中 I通过载流导体的电流,A R导体的电阻,m导体质量,m=sL m导体材料的密度,/m32.2.散热散热散热的过程实质是热量的传递过程,其形式一般有三种散热的过程实
4、质是热量的传递过程,其形式一般有三种:(1 1)传导。使热量由高温区传至低温区。)传导。使热量由高温区传至低温区。(2 2)对流。在气体中,各部分气体发生相对位移将热量)对流。在气体中,各部分气体发生相对位移将热量带走的过程。带走的过程。(3 3)辐射。热量从高温以热射线方式传至低温物体的传)辐射。热量从高温以热射线方式传至低温物体的传播过程。播过程。载流导体的发热载流导体的发热电气设备由正常工作电流引起的发热称为电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热长期发热,由短路,由短路电流引起的发热称为电流引起的发热称为短时发热短时发热。发热不仅消耗能量,而且。发热不仅消耗能量,而且导致电气设备的
5、温度升高,从而产生不良的影响。导致电气设备的温度升高,从而产生不良的影响。发热对导体和电器产生的不良影响包括:发热对导体和电器产生的不良影响包括:(1)(1)机械强度下降机械强度下降 (2)(2)接触电阻增加接触电阻增加(3)(3)绝缘性能降低绝缘性能降低为了保证导体可靠地工作,必须使其发热温度不得超过一定为了保证导体可靠地工作,必须使其发热温度不得超过一定数值,这个限值叫做最高允许温度。数值,这个限值叫做最高允许温度。二、导体最高允许温度的规定二、导体最高允许温度的规定导体的正常最高允许温度一般不超过导体的正常最高允许温度一般不超过+70+70。在计及太阳辐射在计及太阳辐射(日照日照)的影响
6、时,钢芯铝绞线及管形导体,的影响时,钢芯铝绞线及管形导体,可按不超过可按不超过+80+80来考虑。来考虑。当导体接触面处有镀当导体接触面处有镀(搪搪)锡的可靠覆盖层时,可提高到锡的可靠覆盖层时,可提高到+85+85。短时最高允许温度短时最高允许温度 对硬铝及铝锰合金可取对硬铝及铝锰合金可取220220,硬铜可取,硬铜可取320320。5.2 5.2 载流导体的长期发热载流导体的长期发热一、导体的温升过程一、导体的温升过程二、导体的载流量二、导体的载流量三、提高导体载流量的措施三、提高导体载流量的措施 一、导体的温升过程导体的温升过程 导体在未通过电流时,其温度和周围介质温度相同。当导体在未通过
7、电流时,其温度和周围介质温度相同。当通过电流时,由于发热,使温度升高,并因此与周围介质产通过电流时,由于发热,使温度升高,并因此与周围介质产生温差,热量将逐渐散失到周围介质中去。在正常工作情况生温差,热量将逐渐散失到周围介质中去。在正常工作情况下,导体通过的电流是持续稳定的,因此经过一段时间后,下,导体通过的电流是持续稳定的,因此经过一段时间后,电流所产生的全部热量将随时完全散失到周围介质中去,即电流所产生的全部热量将随时完全散失到周围介质中去,即达到发热与散热的平衡,使导体的温度维持在某一稳定值。达到发热与散热的平衡,使导体的温度维持在某一稳定值。当工作状况改变时,热平衡被破坏,导体的温度发
8、生变化;当工作状况改变时,热平衡被破坏,导体的温度发生变化;再过一段时间,又建立新的热平衡,导体在新的稳定温度下再过一段时间,又建立新的热平衡,导体在新的稳定温度下工作。所以,导体温升过程也是一个能量守恒的过程。工作。所以,导体温升过程也是一个能量守恒的过程。从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出:从均匀导体持续发热时温升与时间的关系式看出:(1 1)温升过程是按指数曲)温升过程是按指数曲线变化,开始阶段上升很快,线变化,开始阶段上升很快,随着时间的延长,其上升速度随着时间的延长,其上升速度逐渐减小。逐渐减小。(2 2)对于某一导体,当通过的电流不同,发热量不同,)对于某一导体,当通过的电
9、流不同,发热量不同,稳定温升也就不同。电流大时,稳定温升高;电流小时,稳定温升也就不同。电流大时,稳定温升高;电流小时,稳定温升低。稳定温升低。(3 3)大约经过()大约经过(3 34 4)T T的时间,导体的温升即可认为的时间,导体的温升即可认为已趋近稳定温升已趋近稳定温升W W。二、导体的二、导体的二、导体的二、导体的载流量载流量载流量载流量导体长期通过电流导体长期通过电流时时,稳定温升为稳定温升为 。由此可。由此可知:知:导体的稳定温升,与电流的平方和导体材料的电阻成正比,导体的稳定温升,与电流的平方和导体材料的电阻成正比,而与总换热系数和换热面积成反比。而与总换热系数和换热面积成反比。
10、导体允许的长期工作电流为:导体允许的长期工作电流为:式中,式中,称为导体载流量的修正,称为导体载流量的修正系数。系数。三、三、提高导体载流量的措施提高导体载流量的措施在工程实践中,为了保证配电装置的安全和提高经济效益,在工程实践中,为了保证配电装置的安全和提高经济效益,应采取措施提高导体的载流量。常用的措施有:应采取措施提高导体的载流量。常用的措施有:(1 1)减小导体的电阻。)减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比,故减小导体电阻可以因为导体的载流量与导体的电阻成反比,故减小导体电阻可以有效的提高导体载流量。减小导体电阻的方法:有效的提高导体载流量。减小导体电阻的方法:采用电阻率
11、采用电阻率小的材料作导体,如铜、铝合金等;小的材料作导体,如铜、铝合金等;减小导体的接触电阻(减小导体的接触电阻(R Rj j););增大导体的截面积增大导体的截面积(S),(S),但随着截面积的增加,往往集肤系但随着截面积的增加,往往集肤系数数(Kf)(Kf)也跟着增加,所以单条导体的截面积不宜做得过大,也跟着增加,所以单条导体的截面积不宜做得过大,如矩形截面铝导体,单条导体的最大截面积不超过如矩形截面铝导体,单条导体的最大截面积不超过1250mm1250mm2 2。(2 2)增大有效散热面积。)增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积(导体的载流量与有效散热表面积(F F)成正比,所
12、以导体宜采)成正比,所以导体宜采用周边最大的截面形式,如矩形截面、槽形截面等,并采用用周边最大的截面形式,如矩形截面、槽形截面等,并采用有利于增大散热面积的方式布置,如矩形导体竖放。有利于增大散热面积的方式布置,如矩形导体竖放。提高导体载流量的措施提高导体载流量的措施(3 3)提高换热系数。)提高换热系数。提高换热系数的方法主要有:提高换热系数的方法主要有:加强冷却。如改善通风条件或采取强制通风,采用加强冷却。如改善通风条件或采取强制通风,采用专用的冷却介质,如专用的冷却介质,如SFSF6 6气体、冷却水等;气体、冷却水等;室内裸导体表面涂漆。室内裸导体表面涂漆。利用漆的辐射系数大的特点,提高
13、换热系数,以加强散热,提利用漆的辐射系数大的特点,提高换热系数,以加强散热,提高导体载流量。表面涂漆还便于识别相序。高导体载流量。表面涂漆还便于识别相序。正常负荷电流的发热温度的计算正常负荷电流的发热温度的计算 式中式中0 0-导体周围介质温度;导体周围介质温度;e e-导体的正常最高容许导体的正常最高容许温度;温度;I IF F-导体中通过的长期最大负导体中通过的长期最大负荷电流;荷电流;I Ie e-导体容许电流,为导体导体容许电流,为导体额定电流额定电流I Ie e 的修正值。的修正值。导体额定电流导体额定电流I Ie e的修正的修正当周围介质的温度当周围介质的温度0 0 不等于规定的周
14、围介质极限温度不等于规定的周围介质极限温度0e0e时,应将导体额定电流时,应将导体额定电流I Ie e乘以修正系数乘以修正系数K Kl l。当实际并列敷设的电缆根数不是当实际并列敷设的电缆根数不是l l时,时,I Ie e还要乘以修正系数还要乘以修正系数K K2 2。如果还有其它因素要考虑时,还要乘以其它的修正系数。如果还有其它因素要考虑时,还要乘以其它的修正系数。修正系数修正系数k kl l及及k k2 2查表。查表。当周围介质温度当周围介质温度0 0不等于规定的周围介质极限温度不等于规定的周围介质极限温度0e0e时,时,裸导体容许电流也可按下式进行修正。裸导体容许电流也可按下式进行修正。载
15、流导体的长期发热计算举例载流导体的长期发热计算举例例例1 1 某降压变电所某降压变电所1010kVkV屋内配电装置采用裸铝母线,母线屋内配电装置采用裸铝母线,母线截面积为截面积为12010(12010(mm)mm)2 2,规定容许电流规定容许电流I Ie e 为为1905(1905(A)A)。配电配电装置室内空气温度为装置室内空气温度为3636。试计算母线实际容许电流。试计算母线实际容许电流。(0e0e取取25)25)解:因铝母线的解:因铝母线的e e=70=70,规定的周围介质极限温度规定的周围介质极限温度0e0e=25=25,介质实际温度为介质实际温度为3636,规定容许电流,规定容许电流
16、I Ie e 为为1905(1905(A)A)。利用公式利用公式(6.1.3)(6.1.3)可得:可得:载流导体的长期发热计算举例载流导体的长期发热计算举例例例2 2 铝猛合金管状裸母线,直径为铝猛合金管状裸母线,直径为120120110110(mmmm),最高最高容许工作温度容许工作温度8080时的额定载流量是时的额定载流量是2377(2377(A)A)。如果正常工作如果正常工作电流为电流为1875(1875(A),A),周围介质周围介质(空气空气)实际温度实际温度0 0为为2525。计算。计算管状母线的正常最高工作温度管状母线的正常最高工作温度F F?(?(0e0e=25)=25)解:利用
17、公式计算解:利用公式计算载流导体的长期发热计算举例载流导体的长期发热计算举例例例3 3 三根三根1010kVkV纸绝缘三芯铝电缆,截面各为纸绝缘三芯铝电缆,截面各为150150(mmmm)2 2,并并列敷设在地下,净距为列敷设在地下,净距为0 01(1(m)m),土壤的实际温度土壤的实际温度3030。电。电缆在缆在e e=60=60,0e0e=25=25时的规定容许正常工作电流为时的规定容许正常工作电流为235235(A A)。)。试求每根电缆的实际容许电流,并求最大长期负荷电流为试求每根电缆的实际容许电流,并求最大长期负荷电流为160160A A时电缆线芯的正常最高工作温度时电缆线芯的正常最
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