电气设备的发热和电动力计算知识培训.pptx

第第 8 8 章章 电气设备发烧和电动力计算电气设备发烧和电动力计算电气设备的发热和电动力计算知识培训第1页 电流经过电气设备有热效应和力效应电流经过电气设备有热效应和力效应,本章本章介绍电气设备介绍电气设备(正常状态正常状态,短路状态短路状态)发烧和电动发烧和电动力计算力计算.因为课时数有限因为课时数有限,对于详细计算不做太高对于详细计算不做太高要求要求,只要求了解其只要求了解其原理和相关概念原理和相关概念.这一章也是这一章也是第九章电气设备选择理论基础第九章电气设备选择理论基础.第第8 8章章 电气设备发烧和电动力计算电气设备发烧和电动力计算电气设备的发热和电动力计算知识培训第2页电流经过导体时产生电能损耗电流经过导体时产生电能损耗;铁磁物质在交变磁场中产生涡流和磁滞损耗铁磁物质在交变磁场中产生涡流和磁滞损耗;绝缘材料在强电场作用下产生介质损耗绝缘材料在强电场作用下产生介质损耗 热能热能散失到周围介质中散失到周围介质中 加热导体和电器使其温度升高加热导体和电器使其温度升高 8.1 电气设备允许温度电气设备允许温度电气设备的发热和电动力计算知识培训第3页一、发烧危害一、发烧危害当导体和电器温度超出一定范围以后，将会加速绝缘当导体和电器温度超出一定范围以后，将会加速绝缘材料老化材料老化，降低绝缘强度降低绝缘强度，缩短使用寿命，显著地缩短使用寿命，显著地降降低金属导体机械强度低金属导体机械强度(见图见图8.1)；将会恶化导电接触部；将会恶化导电接触部分连接状态分连接状态(接触电阻增加接触电阻增加)，以致破坏电器正常工，以致破坏电器正常工作。作。图图8.1 金属材料机械强度与温度状态金属材料机械强度与温度状态（a）铜）铜1连续发烧；连续发烧；2短时发烧短时发烧（b）不一样金属导体）不一样金属导体1硬粒铝；硬粒铝；2青铜；青铜；3钢；钢；4电解铜；电解铜；5铜铜（a）（b）电气设备的发热和电动力计算知识培训第4页二、发烧类型二、发烧类型长长久久发发烧烧：由由正正常常工工作作电电流流引引发发发发烧烧。导导体体经经过过电电流流较较小小，时时间间长长，产产生生热热量量有有充充分分时时间间散散失失到到周周围围介介质质中中，热热量量是是平平衡。到达稳定温升之后，衡。到达稳定温升之后，导体温度保持不变导体温度保持不变。短短路路时时发发烧烧：由由短短路路电电流流引引发发发发烧烧。因因为为导导体体经经过过短短路路电电流流大大，产产生生热热量量很很多多，而而时时间间又又短短，所所以以产产生生热热量量向向周周围围介介质质散发极少，几乎都用于导体温度升高，热量是不平衡散发极少，几乎都用于导体温度升高，热量是不平衡。导体和电器在运行中经常工作状态有：导体和电器在运行中经常工作状态有：（1）正常工作状态：）正常工作状态：电压、电流均未超出允许值，对应电压、电流均未超出允许值，对应 发烧为长久发烧；发烧为长久发烧；（2）短路工作状态：）短路工作状态：发生短路故障，对应发烧为短时发烧。发生短路故障，对应发烧为短时发烧。电气设备的发热和电动力计算知识培训第5页为了限制发烧有害影响，确保导体和电器工作为了限制发烧有害影响，确保导体和电器工作可靠性和正常使用寿命，对上述两种发烧允许可靠性和正常使用寿命，对上述两种发烧允许温度和允许温升做了明确要求，见表温度和允许温升做了明确要求，见表8.1和表和表8.2。假如长久正常工作电流或短路电流经过导体、假如长久正常工作电流或短路电流经过导体、电器时，实际发烧温度不超出它们各自发烧允电器时，实际发烧温度不超出它们各自发烧允许温度。即许温度。即有足够热稳定性有足够热稳定性。电气设备的发热和电动力计算知识培训第6页8.2 导体长久发烧计算导体长久发烧计算导体长久发烧计算是导体长久发烧计算是依据导体长久发烧允许温度依据导体长久发烧允许温度y y来确定其允许电流来确定其允许电流I Iy y。只要导体最大长久工作电流小于导体允许经过电流，只要导体最大长久工作电流小于导体允许经过电流，那么导体长久发烧温度就不会超出那么导体长久发烧温度就不会超出y y ；或者依据经过导体最大长久工作电流或者依据经过导体最大长久工作电流I Imaxmax来计算导体来计算导体长久发烧温度长久发烧温度c c，导体长久发烧温度导体长久发烧温度c c小于长久发烧允许温度小于长久发烧允许温度y y。电气设备的发热和电动力计算知识培训第7页1、允许电流、允许电流Iy确实定确实定 对对于于母母线线、电电缆缆等等均均匀匀导导体体允允许许电电流流Iy，在在实实际际电电气设计中，通常采取查表法来确定气设计中，通常采取查表法来确定.国国产产各各种种母母线线和和电电缆缆截截面面已已标标准准化化，依依据据标标准准截截面面和和导导体体计计算算环环境境温温度度为为25及及最最高高发发烧烧允允许许温温度度y为为70，编制了，编制了标准截面允许电流表标准截面允许电流表。设计时可从中查取。设计时可从中查取。当任意当任意环境温度为环境温度为时允许电流时允许电流为为 (A)Iy实际环境温度为实际环境温度为时导体允许电流，时导体允许电流，A；Iy 计算环境温度为计算环境温度为0时导体允许电流，时导体允许电流，A；y 导体长久发烧允许温度，导体长久发烧允许温度，实际环境温度，实际环境温度，（见表（见表8.3）；）；0计算环境温度，计算环境温度，（见表（见表8.4）。）。电气设备的发热和电动力计算知识培训第8页 例例 某发电厂主母线截面为某发电厂主母线截面为50mm5mm，材料为铝。，材料为铝。0为为25，为为30。试求该母线竖放时长久工作允许电流。试求该母线竖放时长久工作允许电流。解：解：从母线载流量表中查出截面为从母线载流量表中查出截面为50mm50mm，025，铝，铝母线竖放时长久允许电流母线竖放时长久允许电流Iy=665A。将其代入式（。将其代入式（5.1）中，）中，得到得到30时母线长久允许电流，即时母线长久允许电流，即 （A）电气设备的发热和电动力计算知识培训第9页当实际环境温度为当实际环境温度为,经过载流导体长久负荷电流为经过载流导体长久负荷电流为Imax时，稳定温度时，稳定温度c 可按下式计算可按下式计算。2、导体长久发烧稳定温度、导体长久发烧稳定温度 c确实定确实定式中式中 c导体长久发烧温度，导体长久发烧温度，；Imax经过导体最大长久工作电流经过导体最大长久工作电流(连续连续30min 以上最大工作电流以上最大工作电流)A；Iy校正后导体允许电流，校正后导体允许电流，A。电气设备的发热和电动力计算知识培训第10页8.3 导体短路时发烧计算导体短路时发烧计算(短路电流热效应短路电流热效应)1、计算载流导体短路发烧目标、计算载流导体短路发烧目标.确定当载流导体附近发生确定当载流导体附近发生最严重短路最严重短路时，导体时，导体最最高发烧温度高发烧温度d是否超出所要求是否超出所要求短时发烧允许最高温度短时发烧允许最高温度dy（铝及其合金为（铝及其合金为200；铜为；铜为300）。）。2、短时发烧特点短时发烧特点 1）短路电流大而连续时间短（）短路电流大而连续时间短（0.158秒），导体秒），导体内产生热量来不及扩散，可视为内产生热量来不及扩散，可视为绝热过程绝热过程；电气设备的发热和电动力计算知识培训第11页3、热稳定性概念：、热稳定性概念：是是指指电电器器经经过过短短路路电电流流时时，电电器器导导体体和和绝绝缘缘部部分分不不因因短短路路电电流流热热效效应应使使其其温温度度超超出出它它短路时最高允许温度，而造成损坏。短路时最高允许温度，而造成损坏。当当ddy时，就满足导体或电器热稳定性时，就满足导体或电器热稳定性 2）短路时，温度改变范围很大，导体）短路时，温度改变范围很大，导体电阻电阻和和比热比热不能再视为常数，而应不能再视为常数，而应为温度函数为温度函数。电气设备的发热和电动力计算知识培训第12页4、短路电流热效应短路电流热效应Qk计算计算 S导体截面积，导体截面积，m2。id短路电流有效值，短路电流有效值，A Ad为导体短路发烧至最高温度时所对应为导体短路发烧至最高温度时所对应A值值 Aq为短路开始时刻导体起始温度为为短路开始时刻导体起始温度为q所对应所对应A值。发生短路时，导体温度改变范围很大，从几十度升高几发生短路时，导体温度改变范围很大，从几十度升高几baidu。所以，导体。所以，导体电阻率和比热电阻率和比热不能看做常数，应是温度不能看做常数，应是温度函数。依据短路时导体发烧计算条件，导体产生全部热量与函数。依据短路时导体发烧计算条件，导体产生全部热量与其吸收热量相平衡其吸收热量相平衡:电气设备的发热和电动力计算知识培训第13页此式左边此式左边 与短路电流产生热量成百分比，称为与短路电流产生热量成百分比，称为短短路电流热效应路电流热效应（或热脉冲），用（或热脉冲），用 Qk 表示表示,故有：故有：J/(m4)Qk计算和计算和Ad与与Aq计算，用解析方法都很麻烦，所以，计算，用解析方法都很麻烦，所以，工工程上普通都采取简化计算方法程上普通都采取简化计算方法。现分述以下。现分述以下。电气设备的发热和电动力计算知识培训第14页u（1）小系统短路电流热效应）小系统短路电流热效应Qk计算计算因为短路电流瞬时值d改变复杂，所以在工程应用中在工程应用中采取采取稳定电流稳定电流I及及等效（假象）发烧时间等效（假象）发烧时间tdz实施代换实施代换计算方法，其物理概念如图计算方法，其物理概念如图8.2所表示。所表示。图8.2 无自动电压调整器曲线电气设备的发热和电动力计算知识培训第15页采取等值时间法来计算热效应Qk，即在短路时间在短路时间t内电流内电流d产生热效应与等值时间产生热效应与等值时间tdz内稳态电流内稳态电流I产生热效应相产生热效应相同同，如图8.2所表示。所以有 （8.9）tdz:称为短路发烧等值时间称为短路发烧等值时间，其值为 tdz =tz+tfz （8.10）式中 tz短路电流周期分量等值时间，s；tfz短路电流非周期分量等值时间，s。tz从图8.3周期分量等值时间曲线查得，图中 ，t为短路计算时间。为短路计算时间。电气设备的发热和电动力计算知识培训第16页图8.3 含有自动电压调整器发电机 短路电流周期分量等值时间曲线图8.4f（A）曲线电气设备的发热和电动力计算知识培训第17页当t 1s时，短路电流非周期分量基本衰减完了，可不计及非周期分量发烧，所以不计算tfz，只计算tz，在在t 1s时，应计及非周期分量发烧时，应计及非周期分量发烧:0.1t1s时:t0.1s时:电气设备的发热和电动力计算知识培训第18页短路电流热效应短路电流热效应 计算：计算：（2）大系统短路电流热效应计算）大系统短路电流热效应计算电气设备的发热和电动力计算知识培训第19页（1）周期分量有效值周期分量有效值QZK计算计算 利用辛普松公式：利用辛普松公式：电气设备的发热和电动力计算知识培训第20页说明：说明：v短路电流连续时间短路电流连续时间t=继保装置动作时间继保装置动作时间tb+断路器分闸时间断路器分闸时间tfd tb=保护开启机构保护开启机构+延时机构延时机构+执行机构动作时间执行机构动作时间 tfd=固有分闸时间固有分闸时间+电弧连续时间电弧连续时间 无延时时：无延时时：tb0.040.06 s；高速断路器：高速断路器：tfd0.1 s 普通断路器：普通断路器：tfd0.2 sv当当t=5 s后，认为短路电流已经稳定为后，认为短路电流已经稳定为I 电气设备的发热和电动力计算知识培训第21页（2）非周期分量有效值非周期分量有效值QfK计算计算假如假如短路连续时间短路连续时间 t1s 时时，导体发烧量，导体发烧量由周期分由周期分量热效应决定量热效应决定。此时能够不计非周期分量影响。既。此时能够不计非周期分量影响。既：T T 非周期分量非周期分量等效时间，可按书表等效时间，可按书表8.58.5查得。查得。电气设备的发热和电动力计算知识培训第22页8.3.3 校验电气设备热稳定方法校验电气设备热稳定方法1）允许温度法：）允许温度法：校验方法是利用公式校验方法是利用公式 利用曲线来求短路时导体最高发烧温度利用曲线来求短路时导体最高发烧温度d，当，当d 小于或等于导体短路时发烧允许温小于或等于导体短路时发烧允许温度度dy时，认为导体在短路时发烧满足热稳时，认为导体在短路时发烧满足热稳定。不然，不满足热稳定。定。不然，不满足热稳定。（1）校验载流导体热稳定方法）校验载流导体热稳定方法电气设备的发热和电动力计算知识培训第23页2)2)、最小截面法、最小截面法 计算最小截面公式计算最小截面公式 （m2）式中式中 C热稳定系数，热稳定系数，Kj集肤效应系数，查设计手册得。集肤效应系数，查设计手册得。用最小截面用最小截面Smin来校验载流导体热稳定性，来校验载流导体热稳定性，当所选择当所选择导体截面导体截面S大于或等于大于或等于Smin时，导体是热稳定；反之，时，导体是热稳定；反之，不满足热稳定。不满足热稳定。电气设备的发热和电动力计算知识培训第24页（2）校验电器热稳定方法）校验电器热稳定方法 电器种类多，结构复杂，其热稳定性通常由产品或电器制造厂电器种类多，结构复杂，其热稳定性通常由产品或电器制造厂给出热稳定时间给出热稳定时间ts内热稳定电流内热稳定电流Ir来表示。普通来表示。普通 ts时间有时间有1s、4s、5s和和10s。ts和和Ir能够从产品技术数据表中查得。校验电器热稳定能够从产品技术数据表中查得。校验电器热稳定应满足下式应满足下式 （8.18）假如不满足式（假如不满足式（8.18）关系，则说明电器不满足热稳定，这么电）关系，则说明电器不满足热稳定，这么电器不能选取器不能选取。电气设备的发热和电动力计算知识培训第25页例题：电气设备的发热和电动力计算知识培训第26页 系统中某发电厂高压母线出现上发生三相短路，系统中某发电厂高压母线出现上发生三相短路，短路连续时间为短路连续时间为0.2秒。发电厂支路所供短路电流：秒。发电厂支路所供短路电流：系统支路所供短路电流：系统支路所供短路电流：求短路点短路电流热效应。求短路点短路电流热效应。解：短路点短路电流为发电厂支路和系统支路所供短路电流之解：短路点短路电流为发电厂支路和系统支路所供短路电流之和，故短路点短路电流为：和，故短路点短路电流为：电气设备的发热和电动力计算知识培训第27页短路点短路电流周期分量热效应：短路点短路电流周期分量热效应：非周期分量热效应：非周期分量热效应：短路点短路电流热效应：短路点短路电流热效应：电气设备的发热和电动力计算知识培训第28页8.4 导体短路时电动力计算导体短路时电动力计算(短路电流电动力效应短路电流电动力效应)1、计算短路电流产生电动力之目标、计算短路电流产生电动力之目标 方便选取适当强度电器设备，确保足够电动力稳定方便选取适当强度电器设备，确保足够电动力稳定性；必要时也可采取限制短路电流办法。性；必要时也可采取限制短路电流办法。2、动稳定性动稳定性概念概念动稳定是指电器经过短路电流时，其动稳定是指电器经过短路电流时，其导体、绝缘和导体、绝缘和机械部分机械部分不因短路电流电动力效应引发损坏，而能不因短路电流电动力效应引发损坏，而能继续工作性能。继续工作性能。电气设备的发热和电动力计算知识培训第29页3、平行导体间电动力计算、平行导体间电动力计算图8.5 两平行圆导体间电动力图8.6 平行矩形截面导体两导体两导体中心距离为中心距离为a，长度为，长度为L。Kx截面形状系数。截面形状系数。电气设备的发热和电动力计算知识培训第30页 Kx能够了解为因为能够了解为因为电流并电流并不集中在导体轴线上不集中在导体轴线上，而需要，而需要进行修正系数进行修正系数v K Kx x计算复杂，实际中已制成截计算复杂，实际中已制成截面形状系数曲线或表格，供设面形状系数曲线或表格，供设计时使用。计时使用。v圆形导体形状系数圆形导体形状系数 。电气设备的发热和电动力计算知识培训第31页4、三相短路时最大电动力计算：、三相短路时最大电动力计算：三相母线布置在同一平面是实际中经常采取一个布置形式。三相母线布置在同一平面是实际中经常采取一个布置形式。在同一时刻，各相电流是不相同。发生对称三相短路时，作用在同一时刻，各相电流是不相同。发生对称三相短路时，作用于每相母线上电动力大小是由该相母线电流与其它两相电流相于每相母线上电动力大小是由该相母线电流与其它两相电流相互作用力所决定互作用力所决定。如三相导体布置在同一平面内，中间相所受电动力最大。如三相导体布置在同一平面内，中间相所受电动力最大。经过证实，经过证实，B B相所受电动力最大，比相所受电动力最大，比A A相、相、C C相大相大7 7。图8.8 对称三相短路电动力FACFCAiAiBicaa 式中式中：Fmax三相短路时最大电动三相短路时最大电动力，力，N；L母线绝缘子跨距，母线绝缘子跨距，m；a相间距离，相间距离，m；ich三相短路冲击电流三相短路冲击电流，A。电气设备的发热和电动力计算知识培训第32页5、两相短路和三相短路时最大电动力比较：、两相短路和三相短路时最大电动力比较：结论：三相短路时，设备所受电动力最大，应采取三相短路结论：三相短路时，设备所受电动力最大，应采取三相短路电流来进行动稳定效应。电流来进行动稳定效应。电气设备的发热和电动力计算知识培训第33页校验电气设备动稳定方法（1）校验母线动稳定方法）校验母线动稳定方法 按下式校验母线动稳定按下式校验母线动稳定 yzd （Pa）（2）校验电器动稳定方法校验电器动稳定方法 ijich (kA)ij电器极限经过电流幅值，从电器技术数据表中查得；电器极限经过电流幅值，从电器技术数据表中查得；ich三相短路冲击电流三相短路冲击电流，普通高压电路中短路时，普通高压电路中短路时ich=2.55I，直，直接由大容量发电机供电母线上短路时，接由大容量发电机供电母线上短路时，ich2.7I。式中式中 y 母线材料允许应力，母线材料允许应力，Pa；zd母线最大计算应力，母线最大计算应力，Pa。电气设备的发热和电动力计算知识培训第34页 例3 已知发电机引出线截面已知发电机引出线截面S=2(1008)mm2，其中，其中h100mm，b8mm，2表示一相母线有两条。三相母线水平布置平放表示一相母线有两条。三相母线水平布置平放（见图（见图8.9）。母线相间距离）。母线相间距离a0.7m，母线绝缘子跨距，母线绝缘子跨距L=1.2m。三相短路冲击电流。三相短路冲击电流ich=46kA。求三相短路时最大电动。求三相短路时最大电动力力Fmax和三相短路时一相母线中两条母线间电动力和三相短路时一相母线中两条母线间电动力Fi。图8.9 三相母线放置 解解：(1)求求Fmax。依依据据式式（8.22），母母线线三三相相短短路路时时所所受受最最大大电动力为电动力为 (N)电气设备的发热和电动力计算知识培训第35页(2)求求Fi。依据式（。依据式（8.21）得）得式中式中a=2b=2810-3(m)，因为两条矩形母线截面积相等，因为两条矩形母线截面积相等，经过相同电流，所以式中经过相同电流，所以式中 (A)式中母线长度式中母线长度L等于绝缘子跨距等于绝缘子跨距L，故，故L1.2m。依据依据 从图从图8.7中查得中查得Kx0.38，所以，所以(N)电气设备的发热和电动力计算知识培训第36页