導(dǎo)體載流量和運(yùn)行溫度計(jì)算

第三章常用計(jì)算的基本理論和方法§3.1導(dǎo)體載流量和運(yùn)行溫度計(jì)算

一、概述載流導(dǎo)體的電阻損耗絕緣材料內(nèi)部的介質(zhì)損耗金屬構(gòu)件中的磁滯和渦流損耗1.電氣設(shè)備通過電流時(shí)產(chǎn)生的損耗熱量電氣設(shè)備的溫度升高一、概述絕緣性能降低：溫度升高=>有機(jī)絕緣材料老化加快機(jī)械強(qiáng)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(shí)接觸表面氧化，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(duì)電氣設(shè)備的影響一、概述長(zhǎng)期發(fā)熱：導(dǎo)體在正常工作狀態(tài)下由工作電流產(chǎn)生的發(fā)熱。短時(shí)發(fā)熱：導(dǎo)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(shí)的發(fā)熱1o）短路電流大，發(fā)熱量多2o）時(shí)間短，熱量不易散出短時(shí)發(fā)熱的特點(diǎn)：在短路時(shí)，導(dǎo)體還受到很大的電動(dòng)力作用，如果超過允許值，將使導(dǎo)體變形或損壞。導(dǎo)體的溫度迅速升高一、概述正常時(shí)：+70℃；計(jì)及日照+80℃；表面鍍錫+85℃。短路時(shí)：硬鋁及鋁錳合金+200℃；硬銅+300℃。4.最高允許溫度二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱導(dǎo)體的發(fā)熱：導(dǎo)體電阻損耗的熱量導(dǎo)體吸收太陽(yáng)輻射的熱量導(dǎo)體的散熱：導(dǎo)體對(duì)流散熱導(dǎo)體輻射散熱導(dǎo)體導(dǎo)熱散熱二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱1.導(dǎo)體電阻損耗的熱量QR（W/m）（Ω/m）導(dǎo)體的集膚效應(yīng)系數(shù)Kf與電流的頻率、導(dǎo)體的形狀和尺寸有關(guān)。--電阻溫度系數(shù)，℃-1；二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱2.導(dǎo)體吸收太陽(yáng)輻射的熱量Qt（W/m）太陽(yáng)輻射功率密度導(dǎo)體的吸收率導(dǎo)體的直徑二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱3.導(dǎo)體對(duì)流散熱量Ql由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過程，稱為對(duì)流。Fl—單位長(zhǎng)度導(dǎo)體散熱面積，與導(dǎo)體尺寸、布置方式等因素有關(guān)。導(dǎo)體片（條）間距離越近，對(duì)流條件就越差，故有效面積應(yīng)相應(yīng)減小。bhbhbbbhbbbbD二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過程，稱為對(duì)流。3.導(dǎo)體對(duì)流散熱量QlθW—導(dǎo)體溫度；θ0

—

周圍空氣溫度。二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱由氣體各部分發(fā)生相對(duì)位移將熱量帶走的過程，稱為對(duì)流。(1)自然對(duì)流散熱：3.導(dǎo)體對(duì)流散熱量Qlal—對(duì)流散熱系數(shù)。根據(jù)對(duì)流條件的不同，有不同的計(jì)算公式。(2)強(qiáng)迫對(duì)流散熱：強(qiáng)迫對(duì)流風(fēng)向修正系數(shù)：強(qiáng)迫對(duì)流散熱量：強(qiáng)迫對(duì)流散熱系數(shù):α1=Nμλ/DNμ=0.13（VD/ν）0.65（3-7）式中λ—空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)氣溫為20℃時(shí)，λ=2.52×10-2W/（m·℃）；D—圓管外徑，mNμ-努謝爾特準(zhǔn)則系數(shù)，是傳熱學(xué)中表示對(duì)流散熱強(qiáng)度的一個(gè)數(shù)據(jù)；V-風(fēng)速，m/s；ν-空氣的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20℃時(shí)，ν=15.7×10-6m2/s。二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱4.導(dǎo)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(zhǎng)度導(dǎo)體的輻射散熱面積，依導(dǎo)體形狀和布置情況而定。ε-導(dǎo)體材料的輻射系數(shù)4．導(dǎo)體輻射散熱面積Ff(1)單條導(dǎo)體對(duì)流散熱面積：

Ff=2（A1+A2）A1=h/1000m2/m，

A2=h/1000m2/m二條導(dǎo)體對(duì)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/A14．導(dǎo)體輻射散熱面積Ff(2)三條導(dǎo)體對(duì)流散熱面積：

Ff=2A1+6A2+4A1（1-φ）m2/m槽形導(dǎo)體對(duì)流散熱面積：

Ff=2（h+2b）+bm2/m

當(dāng)100mm<h<200mm時(shí)，為

h—槽形導(dǎo)體的高度，m；

b—槽形導(dǎo)體的寬度，m。圓管形導(dǎo)體對(duì)流散熱面積為

F1=πD二、導(dǎo)體的發(fā)熱和散熱5.導(dǎo)體導(dǎo)熱散熱量Qd固體中由于晶格振動(dòng)和自由電子運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(dǎo)熱。導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱面積物體厚度三、導(dǎo)體載流量的計(jì)算

通過分析導(dǎo)體長(zhǎng)期通過工作電流時(shí)的發(fā)熱過程，計(jì)算導(dǎo)體的載流量（長(zhǎng)期允許電流）。

導(dǎo)體的溫升過程

(1)總散熱量：αw-總散熱系數(shù)F-導(dǎo)體的散熱面積，m2導(dǎo)體的溫升過程

(2)熱平衡方程：QR=Qc+Ql+Qf

（W/m）在dt時(shí)間內(nèi)，由上式可得I2Rdt=mcdθ+αF(θw-θo)dtα:換熱系數(shù)F，換熱面積θw，導(dǎo)體的溫度θo，周圍空氣的溫度導(dǎo)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(shè)開始溫升為τi=θi-θ0對(duì)應(yīng)于時(shí)間t的溫升為τ=θ-θ0

得到：

導(dǎo)體的溫升過程

(4)t→∞τs=I2R/αF令Tt=mc/αFτ=τs(1-)+τi τ=τs+(τi-τs)

2、導(dǎo)體的載流量

由τs=I2R/αF可知導(dǎo)體的穩(wěn)定溫升與電流的平方、導(dǎo)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(qiáng)迫水內(nèi)冷、風(fēng)冷

5、表面涂漆（室內(nèi)）

四、大電流導(dǎo)體附近鋼構(gòu)的發(fā)熱（1）1．鋼構(gòu)的發(fā)熱原因：隨著發(fā)電機(jī)組容量的加大，導(dǎo)體電流也相應(yīng)增大，導(dǎo)體周圍出現(xiàn)強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)，使其附近鋼構(gòu)中產(chǎn)生很大的磁滯和渦流損耗，鋼構(gòu)因此而發(fā)熱。2．發(fā)熱的危害可能使材料產(chǎn)生熱應(yīng)力而引起變形，或使接觸連接損壞。混凝土中的鋼筋受熱膨脹，可能使混凝土發(fā)生裂縫。四、大電流導(dǎo)體附近鋼構(gòu)的發(fā)熱（1）3．鋼構(gòu)發(fā)熱的最高允許溫度1）人可觸及的鋼構(gòu)為70℃2）人不可觸及的鋼構(gòu)為100℃3）混凝土中的鋼筋為80℃4．減少鋼構(gòu)損耗和發(fā)熱的措施（1）加大鋼構(gòu)和導(dǎo)體之間的距離，使磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱，因而可降低渦流和磁滯損耗（2）斷開鋼構(gòu)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(dú)的外殼內(nèi)l

外殼兩端用短路板連接起來(lái)2．分相封閉母線的優(yōu)點(diǎn)①

運(yùn)行可靠性高②

短路時(shí)母線相間電動(dòng)力大大降低③

母線附近鋼構(gòu)的發(fā)熱大大減少④

安裝和維護(hù)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(diǎn)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