發(fā)電廠電氣部分 第3章 導(dǎo)體的發(fā)熱及短路電動(dòng)力

第三章常用計(jì)算的基本理論和方法教學(xué)內(nèi)容載流導(dǎo)體長(zhǎng)期發(fā)熱的特點(diǎn),導(dǎo)體長(zhǎng)期允許載流量的計(jì)算方法及提高導(dǎo)體載流量的措施載流導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn),導(dǎo)體短時(shí)最高發(fā)熱溫度的計(jì)算方法、短路電流熱效應(yīng)的計(jì)算方法、熱穩(wěn)定的概念三相導(dǎo)體短路電動(dòng)力的計(jì)算方法和特點(diǎn)、動(dòng)穩(wěn)定的概念為什么研究發(fā)熱問(wèn)題？發(fā)熱的原因部位危害（后果）電阻損耗 導(dǎo)體內(nèi)部機(jī)械強(qiáng)度下降磁滯和渦流損耗 導(dǎo)體周圍的金屬構(gòu)件接觸電阻增加介質(zhì)損耗 絕緣材料內(nèi)部絕緣性能下降如何研究發(fā)熱？研究思路：-導(dǎo)體中電流越大，溫度越高，后果越嚴(yán)重-溫度表征發(fā)熱的嚴(yán)重程度

-規(guī)定最高允許溫度，保證導(dǎo)體正常壽命如何保證導(dǎo)體不因發(fā)熱而折壽：-電流決定溫度，推導(dǎo)兩者間的定量關(guān)系表達(dá)式（理論）

-具體應(yīng)用方法：

（1）根據(jù)最高允許溫度計(jì)算最大允許電流，要大于實(shí)際電流（2）根據(jù)實(shí)際電流計(jì)算運(yùn)行溫度，要小于最高允許溫度

（3）分析除電流外的其它影響因素，確定改善提高措施發(fā)熱的分類及其最高允許溫度長(zhǎng)期發(fā)熱，由正常工作電流產(chǎn)生

正常最高允許工作溫度：-主要取決于系統(tǒng)接觸電阻的大小

70℃（一般裸導(dǎo)體）

80℃（計(jì)及日照時(shí)的鋼芯鋁絞線、管形導(dǎo)體）

85℃（接觸面有鍍錫的可靠覆蓋層）短時(shí)發(fā)熱，由故障短路電流產(chǎn)生短時(shí)最高允許溫度：-主要取決于短時(shí)發(fā)熱過(guò)程中導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度的大小、介質(zhì)絕緣強(qiáng)度的大小

200℃（硬鋁及鋁錳合金）

300℃（硬銅）

導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱--指導(dǎo)體通過(guò)工作電流時(shí)的發(fā)熱過(guò)程

（1）導(dǎo)體長(zhǎng)期發(fā)熱的公式推導(dǎo)

熱平衡方程：

導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量QR

=消耗的熱量（導(dǎo)體自身溫度的升高Qc

+對(duì)流和輻射散失到周圍介質(zhì)的熱量Ql+Qf）I---流過(guò)導(dǎo)體的電流（A）R---導(dǎo)體的電阻（Ω）m---導(dǎo)體的質(zhì)量（kg）c---導(dǎo)體的比熱容[J/(kg.℃)]αW---導(dǎo)體總的換熱系數(shù)[W/(m2.℃)]F---導(dǎo)體的換熱面積（m2/m)θ0---周圍空氣的溫度（℃）θ---導(dǎo)體的溫度（℃）穩(wěn)定溫升導(dǎo)體發(fā)熱時(shí)間常數(shù)初始溫升:時(shí)間t的溫升:若導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱（2）導(dǎo)體長(zhǎng)期發(fā)熱的分析導(dǎo)體溫升變化曲線3）導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)后，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量全部以對(duì)流和輻射的形式散失掉，導(dǎo)體的溫升趨于穩(wěn)定，且穩(wěn)定溫升與導(dǎo)體的初始溫度無(wú)關(guān)。1）導(dǎo)體通過(guò)電流I后，溫度開始升高，經(jīng)過(guò)（3～4）倍Tt(時(shí)間常數(shù))，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定發(fā)熱狀態(tài)；2）導(dǎo)體升溫過(guò)程的快慢取決于導(dǎo)體的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，即與導(dǎo)體的吸熱能力成正比，與導(dǎo)體的散熱能力成反比，而與通過(guò)的電流大小無(wú)關(guān)；導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱（3）提高導(dǎo)體載流量的措施1）減小交流電阻

-采用電阻率小的材料。如銅、鋁

-增大導(dǎo)體的截面

-減小接觸電阻。表面鍍錫銀等

-采用集膚效應(yīng)系數(shù)小的導(dǎo)體 與電流頻率、導(dǎo)體的形狀和尺寸有關(guān)（圖3-13-2）2）增大散熱面積。

-相同截面積，矩形導(dǎo)體的表面積大于圓形的

-矩形豎放的表面積大于平放的3）增大復(fù)合散熱系數(shù)：強(qiáng)迫對(duì)流、表面涂漆導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱常用硬導(dǎo)體型式ABCABC豎放平放導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱關(guān)于集膚效應(yīng)系數(shù)導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱354頁(yè)導(dǎo)體的長(zhǎng)期發(fā)熱355頁(yè)導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱-指短路開始到短路切除為止很短一段時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體的發(fā)熱過(guò)程短路時(shí)間保護(hù)動(dòng)作時(shí)間斷路器的全開斷時(shí)間燃弧時(shí)間斷路器固有分閘時(shí)間故障前故障中故障后（1）短時(shí)發(fā)熱的時(shí)間tw

tk

θwθh短路電流（2）短時(shí)發(fā)熱計(jì)算的目的（熱穩(wěn)定概念）短時(shí)均勻?qū)w的發(fā)熱過(guò)程導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱短時(shí)最高發(fā)熱溫度短路切除時(shí)刻短路開始時(shí)刻周圍環(huán)境溫度短時(shí)發(fā)熱計(jì)算的目的是確定短路時(shí)導(dǎo)體的最高溫度θh。它不應(yīng)超過(guò)短時(shí)發(fā)熱允許溫度。當(dāng)滿足這個(gè)條件時(shí)則認(rèn)為導(dǎo)體在流過(guò)短路電流時(shí)具有熱穩(wěn)定性。（3）短時(shí)發(fā)熱的過(guò)程和特點(diǎn)-絕熱過(guò)程。由于發(fā)熱時(shí)間短，可認(rèn)為電阻損耗產(chǎn)生的熱量來(lái)不及散失，全部用于使導(dǎo)體溫度升高。

熱平衡方程QR=Qc導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱-導(dǎo)體溫度變化很大，電阻和比熱容隨溫度而變化。定義：（短路電流熱效應(yīng)）導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱（4）計(jì)算導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱最高溫度假設(shè)已知短路電流熱效應(yīng)Qk則：1）由導(dǎo)體初始溫度θw查出Aw2）求出Ah3）查出θh0鋁銅導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱（5）計(jì)算短路電流熱效應(yīng)（實(shí)用計(jì)算法）周期分量的熱效應(yīng)

非周期分量的熱效應(yīng)

當(dāng)短路電流切除時(shí)間超過(guò)1秒時(shí)，可忽略非周期分量的影響

非周期分量等效時(shí)間見(jiàn)表3-3注意導(dǎo)體的短時(shí)發(fā)熱實(shí)用短路計(jì)算1.計(jì)算某地點(diǎn)的發(fā)電機(jī)到短路點(diǎn)的轉(zhuǎn)移阻抗X*(網(wǎng)絡(luò)化簡(jiǎn)).轉(zhuǎn)移阻抗X*是以100MVA為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值2.轉(zhuǎn)移阻抗X*轉(zhuǎn)換為計(jì)算電抗Xjs*

計(jì)算電抗Xjs*

是以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn)的標(biāo)幺值3.如果Xjs*大于3,表示發(fā)電機(jī)與短路點(diǎn)之間的電氣距離較遠(yuǎn),可忽略發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過(guò)程,I”*=1/Xjs*

如果Xjs*小于3,表示發(fā)電機(jī)與短路點(diǎn)之間的電氣距離較近,不能忽略發(fā)電機(jī)的暫態(tài)過(guò)程,由Xjs*和tk查運(yùn)算曲線得到I”*

4.I”*轉(zhuǎn)為有名值(以發(fā)電機(jī)容量為基準(zhǔn))5.將多個(gè)地點(diǎn)的發(fā)電機(jī)對(duì)短路點(diǎn)提供的短路電流有名值相加.如何得到故障點(diǎn)處:Itk/2Itk

I”短路開始(t=0)時(shí)刻,短路電流周期分量的有效值Itk/2

短路后(t=tk/2)時(shí)刻,短路電流周期分量的有效值Itk

短路后(t=tk)時(shí)刻,短路電流周期分量的有效值短路時(shí)，導(dǎo)體溫度高，還受到電動(dòng)力作用，當(dāng)導(dǎo)體和電氣設(shè)備機(jī)械強(qiáng)度不夠時(shí)，將會(huì)變形或損壞。必須研究短路電流產(chǎn)生電動(dòng)力的大小和特征，以便選用適當(dāng)強(qiáng)度的導(dǎo)體和電氣設(shè)備，保證足夠的動(dòng)穩(wěn)定，必要時(shí)采取限制短路電流的措施。(N)載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力兩條無(wú)線細(xì)長(zhǎng)載流導(dǎo)體間的電動(dòng)力（1）為什么研究導(dǎo)體短路電動(dòng)力短路電流大，導(dǎo)體受到的電動(dòng)力大根據(jù)安裝地點(diǎn)處應(yīng)承受的最大電動(dòng)力，選擇合適的隔離開關(guān)。否則，短路時(shí)可能將隔離開關(guān)自動(dòng)斷開。V型隔離開關(guān)承受的電動(dòng)力較小兩柱式隔離開關(guān)承受的電動(dòng)力較大載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力(N)Kf-形狀系數(shù)圓形導(dǎo)體：Kf=1槽形導(dǎo)體：見(jiàn)表3-4矩形導(dǎo)體：見(jiàn)圖3-181)計(jì)算矩形導(dǎo)體相間電動(dòng)力時(shí)不需要考慮K2)計(jì)算矩形導(dǎo)體同相條間電動(dòng)力時(shí)必須考慮K注意：考慮截面因素時(shí)兩載流導(dǎo)體間的電動(dòng)力載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力（2）三相導(dǎo)體短路的電動(dòng)力載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力如不計(jì)短路電流周期分量的衰減，三相短路電流為：(a)不衰減的固定分量(b)衰減的非周期分量(c)衰減的工頻分量(d)不衰減的2倍工頻分量載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力(b)衰減的非周期分量(c)衰減的工頻分量(d)不衰減的2倍工頻分量載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力t=0.01s時(shí)，短路電動(dòng)力的幅值最大短路沖擊電流短路開始時(shí)刻(t=0)短路電流周期分量的有效值載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力（3）兩相短路電動(dòng)力載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力（4）三相導(dǎo)體最大短路電動(dòng)力三相短路故障后的0.01s，作用在中間B相，（N）載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力（5）導(dǎo)體振動(dòng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力導(dǎo)體的固有振動(dòng)頻率：L絕緣子跨距L絕緣子跨距電動(dòng)力固有頻率接近電動(dòng)力頻率（工頻、2倍工頻）導(dǎo)體共振損壞導(dǎo)體及其架構(gòu)載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力凡是連接發(fā)電機(jī)、主變壓器以及配電裝置中的導(dǎo)體均應(yīng)考慮共振的影響β與導(dǎo)體的固有振動(dòng)頻率有關(guān)，見(jiàn)圖3-23動(dòng)態(tài)應(yīng)力系數(shù)為避免共振，重要導(dǎo)體的固有頻率在下述范圍以外：（1）單條導(dǎo)體及一組中的各條導(dǎo)體35-135HZ（2）多條導(dǎo)體及引下線的單條導(dǎo)體35-155HZ（3）槽形和管形導(dǎo)體30-160HZ導(dǎo)體發(fā)生振動(dòng)時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力：載流導(dǎo)體短路電動(dòng)力導(dǎo)體長(zhǎng)期發(fā)熱的特點(diǎn)導(dǎo)體短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn)短路電流熱效應(yīng)的計(jì)算方法三相導(dǎo)體