第三章1發(fā)電廠電氣部分

1、第三章第三章 常用計算的基本理論和方法常用計算的基本理論和方法第一節(jié)第一節(jié) 導體載流量和運行溫度計算導體載流量和運行溫度計算 1）電阻損耗：導體本身存在電阻）電阻損耗：導體本身存在電阻 2）介質(zhì)損耗：絕緣材料在電場作用下產(chǎn)生的）介質(zhì)損耗：絕緣材料在電場作用下產(chǎn)生的 3）渦流和磁滯損耗：鐵磁物質(zhì)在強大的交變磁場中）渦流和磁滯損耗：鐵磁物質(zhì)在強大的交變磁場中 第一節(jié)第一節(jié) 導體載流量和運行溫度計算導體載流量和運行溫度計算 長期發(fā)熱：由正常工作電流產(chǎn)生長期發(fā)熱：由正常工作電流產(chǎn)生(正常工作狀態(tài)正常工作狀態(tài)) 短時發(fā)熱：由短路電流產(chǎn)生短時發(fā)熱：由短路電流產(chǎn)生 (短路工作狀態(tài)短路工作狀態(tài)) 第一節(jié)第一節(jié)

2、 導體載流量和運行溫度計算導體載流量和運行溫度計算 為了保證導體可靠地工作，須使其發(fā)熱溫度不得超為了保證導體可靠地工作，須使其發(fā)熱溫度不得超 過一定限值，這個限值叫作最高允許溫度。過一定限值，這個限值叫作最高允許溫度。二、導體二、導體( (母線母線) )的發(fā)熱和散熱的發(fā)熱和散熱 1）導體）導體單位長度導體單位長度導體電阻損耗的熱量電阻損耗的熱量QR (W/m) 2）導體吸收太陽輻射的熱量）導體吸收太陽輻射的熱量Qt (W/m) 1、導體發(fā)熱的類型、導體發(fā)熱的類型2、導體散熱的類型、導體散熱的類型1）導體對流散熱量）導體對流散熱量Ql (W/m) 2）導體輻射熱量）導體輻射熱量Qf (W/m)

3、3）導體導熱散熱量）導體導熱散熱量Qd (W/m) 忽略不計忽略不計 母線發(fā)熱溫度不得超過最高允許溫度母線發(fā)熱溫度不得超過最高允許溫度3、能量守恒原理（穩(wěn)定狀態(tài)）、能量守恒原理（穩(wěn)定狀態(tài)）Rt1fQQQQ導體輻射散熱導體輻射散熱+空氣對流散熱空氣對流散熱導體產(chǎn)生的熱量導體產(chǎn)生的熱量= =耗散熱量耗散熱量二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱導體電阻損耗熱量導體電阻損耗熱量+吸收太陽熱量吸收太陽熱量acWRRIQ24、導體的發(fā)熱和散熱計算、導體的發(fā)熱和散熱計算導體導體通過通過的的電流電流導體的交導體的交流電阻流電阻(1)導體電阻損耗產(chǎn)生的熱量：導體電阻損耗產(chǎn)生的熱量：n直流電阻：直流電阻：元件

4、通上直流電，所呈現(xiàn)出的電阻，即元件固有的元件通上直流電，所呈現(xiàn)出的電阻，即元件固有的靜態(tài)的電阻。靜態(tài)的電阻。直流電阻直流電阻適用適用歐姆定律歐姆定律R=U/I。n交流電阻一般指阻抗。交流電阻一般指阻抗。在具有電阻、電感和電容的電路里，對在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。n阻抗常用阻抗常用Z表示，是一個復數(shù)，表示，是一個復數(shù)，實部稱為電阻實部稱為電阻(R)，虛部稱為電，虛部稱為電抗，抗，電容電容在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為容抗(Xc) ，電電感感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗在電路中對

5、交流電所起的阻礙作用稱為感抗(XL)，阻抗的計，阻抗的計算要用向量計算，即算要用向量計算，即Z=R2+(XL -Xc)2。二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱1(20)(/)twacdcffRR KKmS 導體溫度為導體溫度為2020時的直流電阻率時的直流電阻率（mmmm2 2/m/m）2020時的電時的電阻溫度系數(shù)阻溫度系數(shù)（-1-1）導體的運導體的運行溫度行溫度導體的集膚導體的集膚效應系數(shù)效應系數(shù)交流電阻交流電阻:電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)：表示電阻當溫度改變表示電阻當溫度改變1度時，電阻值的相對變化。度時，電阻值的相對變化。集膚效應集膚效應( (趨膚效應趨膚效應) ) ：當導體中有交

6、流電或者交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布不均當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布不均勻，且電流集中在導體的勻，且電流集中在導體的“皮膚皮膚”部分的一種現(xiàn)象。部分的一種現(xiàn)象。二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱1(20)(/)twacdcffRR KKmS 導體溫度為導體溫度為2020時的直流電阻率時的直流電阻率（mmmm2 2/m/m）導體的運導體的運行溫度行溫度導體的集膚導體的集膚效應系數(shù)效應系數(shù)2020時的電時的電阻溫度系數(shù)阻溫度系數(shù)（-1-1）交流電阻交流電阻:二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱電阻溫度系數(shù)：電阻溫度系數(shù)：表示電阻當溫度改變表示電阻當溫度改變1度

7、時，電阻值的相對變化。度時，電阻值的相對變化。集膚效應集膚效應( (趨膚效應趨膚效應) ) ：導線內(nèi)部實際上電流變小，電流集中在導線外表的薄層。導線內(nèi)部實際上電流變小，電流集中在導線外表的薄層。結果導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。結果導線的電阻增加，使它的損耗功率也增加。導體的集膚效應系數(shù)與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關。導體的集膚效應系數(shù)與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關。材料名稱材料名稱（-1）純鋁純鋁0.029000.00403鋁錳合金鋁錳合金0.037900.00420鋁鎂合金鋁鎂合金0.045800.00420銅銅0.017900.00385鋼鋼0.139000.004552

8、(mm /m)t表表3-1 3-1 常用電工材料的電阻率常用電工材料的電阻率 及電阻溫度系數(shù)及電阻溫度系數(shù) t二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱圖圖3-1 3-1 矩形截面導體的集膚效應系數(shù)矩形截面導體的集膚效應系數(shù)f f：電流頻率：電流頻率 導體的集膚效應系數(shù)導體的集膚效應系數(shù)K Kf f 與電流的頻率、導體的與電流的頻率、導體的形狀和尺寸有關。形狀和尺寸有關。R Rdcdc：直：直流電阻流電阻二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱圖圖3-2 3-2 圓柱及圓管導體的集膚效應系數(shù)圓柱及圓管導體的集膚效應系數(shù) 二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱(2) 導體吸收太陽輻射產(chǎn)生的熱量導

9、體吸收太陽輻射產(chǎn)生的熱量Qt 4、導體的發(fā)熱和散熱計算、導體的發(fā)熱和散熱計算ttttttQE A FE A D (W/m)導體的外直徑，導體的外直徑，數(shù)值與數(shù)值與Ft相同相同導體對太陽照射熱量導體對太陽照射熱量的吸收率，的吸收率，表面磨光表面磨光的鋁管為的鋁管為0.6太陽輻射功太陽輻射功率密度率密度W/W/單位長度導體受太陽單位長度導體受太陽照射面積照射面積 太陽照射的能量造成導體溫度升高。凡安裝在戶外太陽照射的能量造成導體溫度升高。凡安裝在戶外的導體，應考慮日照的影響。的導體，應考慮日照的影響。21000 W/m tE 單位長度圓管導體的單位長度圓管導體的Qt ：二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體

10、的發(fā)熱和散熱n定義：由氣體各部分發(fā)生相對位移將熱量帶走的過程。定義：由氣體各部分發(fā)生相對位移將熱量帶走的過程。llW0l() (W/ m)QF W 導體溫度導體溫度0 周圍空氣溫度周圍空氣溫度(3) 導體對流散熱量導體對流散熱量Ql 對流散熱所傳遞的熱量，與溫差及散熱面積成正比，即對流散熱所傳遞的熱量，與溫差及散熱面積成正比，即導體對流散熱量導體對流散熱量 ：l 對流散熱系數(shù)對流散熱系數(shù)W/(mW/(m2 2)Fl 單位長度導體散熱面積單位長度導體散熱面積m m2 2/m/m二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱4、導體的發(fā)熱和散熱計算、導體的發(fā)熱和散熱計算1) 自然對流散熱自然對流散熱W/

11、(mW/(m2 2)35. 00Wl)(5 . 1l 對流散熱系數(shù)。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。根據(jù)對流條件的不同，有不同的計算公式。n導體對流散熱量：導體對流散熱量：l0Wll)(FQ二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱2) 強迫對流散熱強迫對流散熱(室外室外)DNul0.65u0.13VDNv努謝爾特準則數(shù)努謝爾特準則數(shù)(無量綱無量綱)uN空氣的運動黏度系數(shù)空氣的運動黏度系數(shù)空氣導熱系數(shù)空氣導熱系數(shù)V風速風速-62=15.7 10 m /S22.52 10W/(mC)二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱n導體對流散熱量：導體對流散熱量：l0Wll)(FQ風向

12、與導體垂直時：風向與導體垂直時：氣溫氣溫2020時：時：如果風向與導體不垂直，則需考慮強迫對流風向修正系數(shù)：如果風向與導體不垂直，則需考慮強迫對流風向修正系數(shù)：(sin )nAB則強迫對流散熱量：則強迫對流散熱量：ulw00.650()(sin ) 0.13()(sin ) nnwNQABDDVDABv 024A=0.42B=0.68n=1.08時，2490A=0.42B=0.58n=0.9時，(sin )nABDNul0.65u0.13VDNvl0Wll)(FQ二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱2) 強迫對流散熱：強迫對流散熱：Fl 單位長度導體散熱面積，單位長度導體散熱面積，與導體尺

13、寸、布置方式等因素有關。與導體尺寸、布置方式等因素有關。)(221lAAF導體片（條）間距離越近，對流條件就越差，故對流散熱有導體片（條）間距離越近，對流條件就越差，故對流散熱有效面積應相應減小。效面積應相應減小。21(m /m)1000hA 22(m /m)1000bA 二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱n導體對流散熱面積計算導體對流散熱面積計算1）bhA1A2)(443mm10mm82121lAAAAFb，當bhbbbb二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱bhbb21211l4345 . 22mm10mm8mm6AAAAAFb，當2）3）n導體對流散熱面積計算導體對流散熱面積計算

14、當當100mmh200mm時，時，當當 時，因內(nèi)部熱量不時，因內(nèi)部熱量不易從縫隙散出，平面位置不產(chǎn)易從縫隙散出，平面位置不產(chǎn)生對流，故：生對流，故：2l122(m /m)1000hFA二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱5）槽形槽形DFlD4）(4) 導體輻射散熱量導體輻射散熱量Qf n熱量從高溫物體以熱量從高溫物體以熱射線熱射線方式傳給低溫物體的傳播過方式傳給低溫物體的傳播過程，稱為輻射。程，稱為輻射。f404Wf10027310027373. 5FQ 導體材料的相對輻射系數(shù)（又稱黑度系數(shù)），導體材料的相對輻射系數(shù)（又稱黑度系數(shù)）， 與導體材料表面狀態(tài)及溫度有關。與導體材料表面狀態(tài)及溫度

15、有關。二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱4、導體的發(fā)熱和散熱計算、導體的發(fā)熱和散熱計算n根據(jù)斯蒂芬根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律：玻爾茲曼定律：(4) 導體輻射散熱量導體輻射散熱量Qf n熱量從高溫物體以熱量從高溫物體以熱射線熱射線方式傳給低溫物體的傳播過方式傳給低溫物體的傳播過程，稱為輻射。程，稱為輻射。f404Wf10027310027373. 5FQFf 單位長度導體的輻射散熱面積單位長度導體的輻射散熱面積(m m2 2/m/m)，依導體依導體 形狀和布置情況而定。形狀和布置情況而定。二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱4、導體的發(fā)熱和散熱計算、導體的發(fā)熱和散熱計算n根據(jù)斯蒂芬根據(jù)斯蒂

16、芬玻爾茲曼定律：玻爾茲曼定律：材材 料料輻射系數(shù)輻射系數(shù)材材 料料輻射系數(shù)輻射系數(shù)絕對黑體絕對黑體1.00氧化了的鋼氧化了的鋼0.80表面磨光的鋁表面磨光的鋁0.040有光澤的黑漆有光澤的黑漆0.82氧化了的鋁氧化了的鋁0.200.30無光澤的黑漆無光澤的黑漆0.91氧化了的銅氧化了的銅0.600.70各種顏色的油漆，涂料各種顏色的油漆，涂料0.920.96表表3-2 導體材料的黑度系數(shù)導體材料的黑度系數(shù) 二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱（a）單條矩形導體）單條矩形導體)(221fAAF（b）二條矩形導體）二條矩形導體二條矩形導體內(nèi)側縫隙間的面積二條矩形導體內(nèi)側縫隙間的面積僅有一部分能

17、起向外輻射作用。僅有一部分能起向外輻射作用。f1212212124211FAAAAAAA輻射角系數(shù)二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱n導體輻射散熱面積計算導體輻射散熱面積計算A1A22f(m /m)FDbhbbbbDf1222222100010001000hbbFAAA2f12126+4(m /m)FAAA（1- ） 二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱（c）三條矩形導體）三條矩形導體（d）槽型導體）槽型導體（e）圓管型導體）圓管型導體(5)導體導體導熱散熱量導熱散熱量n定義：定義： 固體中由于晶格振動和自由電子運動，使熱量由高溫區(qū)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

18、低溫區(qū)；而在氣體中，氣體分子不停地運動，高溫區(qū)域傳至低溫區(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，分子從高溫區(qū)運的分子比低溫區(qū)域的分子具有較高的速度，分子從高溫區(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。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。21ddFQ導熱系數(shù)導熱系數(shù)W/(mW/(m2 2) )導熱面積導熱面積m m2 2物體厚度物體厚度m m分別為高溫區(qū)、低溫區(qū)的溫度分別為高溫區(qū)、低溫區(qū)的溫度二、導體的發(fā)熱和散熱二、導體的發(fā)熱和散熱 工程上為了便于分析和計算，常把輻射散熱量表示成與對流工程上為了便于分析和計算，常把輻射散熱量表示

19、成與對流散熱量相似的計算形式，用一個散熱量相似的計算形式，用一個總散熱系數(shù)總散熱系數(shù)和和總散熱面積總散熱面積F來表來表示對流散熱和輻射散熱的作用，即示對流散熱和輻射散熱的作用，即1 1、導體的溫升過程導體的溫升過程lfww0()QQF三、導體載流量的計算三、導體載流量的計算 通過分析導體長期通過通過分析導體長期通過工作電流時的發(fā)熱過程工作電流時的發(fā)熱過程，計算導，計算導體的體的載流量載流量（長期允許電流）。（長期允許電流）。l0Wll)(FQf404Wf10027310027373. 5FQ 在導體升溫過程中，導體產(chǎn)生的熱量在導體升溫過程中，導體產(chǎn)生的熱量QR ，一部分用于本身溫，一部分用于本

20、身溫度升高所需的熱量度升高所需的熱量QC ，一部分散失到周圍介質(zhì)中，一部分散失到周圍介質(zhì)中(Ql+Qf)。Rclf(W/m)QQQQ 設導體通過電流設導體通過電流 I 時，在時，在t 時刻導體運行溫度為時刻導體運行溫度為 ，則其溫，則其溫升升 ，在時間，在時間 dt 內(nèi)的熱量平衡微分方程為內(nèi)的熱量平衡微分方程為ww02wddd(J/m)I R tmcFt1 1、導體的溫升過程導體的溫升過程由此可寫出熱量平衡方程：由此可寫出熱量平衡方程：2w2ww1dd()mctI RFF I RF k2w2ww01dd()tmctI RFFI RF 設設t0時，初始溫升時，初始溫升 。當時間由。當時間由0t時

21、，溫升時，溫升由由 ，對上式進行積分，對上式進行積分kk0k 導體通過正常工作電流時，其溫度變化范圍不大，因此導體通過正常工作電流時，其溫度變化范圍不大，因此電電阻阻R、比熱容、比熱容c及散熱系數(shù)及散熱系數(shù) 均可視為常數(shù)。均可視為常數(shù)。w2w2wwklnI RFmctFI RF 1 1、導體的溫升過程導體的溫升過程2wdddI R tmcFt ww2kw(1)FFttmcmcI ReeF故穩(wěn)定溫升為：故穩(wěn)定溫升為：經(jīng)過很長時間后經(jīng)過很長時間后 ，導體的溫升亦趨于穩(wěn)定值，導體的溫升亦趨于穩(wěn)定值 ，tw2wwI RF 導體的發(fā)熱時間常數(shù)：導體的發(fā)熱時間常數(shù)：rwmcTF1 1、導體的溫升過程導體的

22、溫升過程升溫過程表達式：升溫過程表達式：rrwk(1)ttTTee1 1、導體的溫升過程導體的溫升過程上式說明：上式說明：升溫的過程是按指數(shù)曲線變化，大約經(jīng)過升溫的過程是按指數(shù)曲線變化，大約經(jīng)過 t=(34) Tr時間，時間， 便趨近穩(wěn)定溫升便趨近穩(wěn)定溫升 。圖圖3-5 導體溫升導體溫升 的變化曲線的變化曲線2 2、導體的載流量、導體的載流量根據(jù)穩(wěn)定溫升公式，可計算導體的載流量，即根據(jù)穩(wěn)定溫升公式，可計算導體的載流量，即2wwlfI RFQQ ww0lf()(A)FQQIRR lftQQQIAR2wwI RFcRlfQQQQ則導體的載流量為：則導體的載流量為：對于屋外導體，計及日照時導體的載流

23、量為對于屋外導體，計及日照時導體的載流量為n影響導體載流量的因素：影響導體載流量的因素：q材料材料電阻率小的材料電阻率小的材料(鋁、鋁合金等鋁、鋁合金等)；q形狀形狀同樣截面積，矩形、槽形比圓形導體表面積大；同樣截面積，矩形、槽形比圓形導體表面積大；q布置布置矩形導體豎放比平放散熱效果好。矩形導體豎放比平放散熱效果好。2 2、導體的載流量、導體的載流量n減少導體電阻減少導體電阻采用電阻率較小的材料采用電阻率較小的材料減小導體的接觸電阻減小導體的接觸電阻增大導體的截面積增大導體的截面積n增大導體的換熱面積增大導體的換熱面積采用周邊最大的截面形式采用周邊最大的截面形式采用有利于增大散熱面積的方式布置采用有利于增大散熱面積的方式布置n提高換熱系數(shù)提高換熱系數(shù)強迫冷卻強迫冷卻室內(nèi)裸導體表面涂漆室內(nèi)裸導體表面涂漆采用最佳散熱方式采用最佳散熱方式提高導體載流量的措施提高導體載流量的措施1）求交流電阻）求交流電阻1(20)(/)twacdcffRR KKmS l0Wll)(FQf404Wf10027310027373. 5FQww0lf()(A)FQQIRR例例1 計算屋內(nèi)配電裝置中計算屋內(nèi)配電裝置中100mm 8mm 的的單條矩形單條矩形鋁導體的鋁導體的長期允許載流量。其中，導體正常運行最高允許溫度長期允許載流量。其中，導體正常運行最高允許溫度 ，周圍空氣溫度周圍空氣溫度 ，溫