发电厂电气部分计算理论第讲.ppt
发电厂电气部分,康小宁电气工程学院,第二章 电气设计常用基本理论和方法,内容梗概：围绕电气设备运行时产生的热效应和力学效应的分析方法第一节 概 述第二节 导体发热和散热的计算第三节 导体的长期发热与载流量第四节 导体的短时发热第五节 导体短路的电动力第六节 大电流封闭母线的发热和电动力6-8学时,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述一、电气设备运行热效应的分类电阻损耗：当电流通过导体时，在导体电阻中所产生的电阻损耗。介质损耗：绝缘材料在电压作用下所产生的介质损耗。铁磁损耗：导体周围的金属构件，特别是铁磁物质，在电磁场作用下，产生的涡流和磁滞损耗,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述二、电气设备运行热效应的产生原因长期发热效应：导体和电器中长期通过正常工作电流所引起的发热短时发热效应：由短路电流通过导体和电器时引起的发热,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述三、电气设备运行热效应的影响机械强度下降：高温会使金属材料退火软化，机械强度下降接触电阻增加：高温将造成导体接触连接处表面氧化，使接触电阻增加，温度进一步升高，产生恶性循环，可能导致连接处松动或烧熔绝缘性能降低：有机绝缘材料（如电缆纸、橡胶等）长期受高温的作用，将逐渐变脆和老化，使用年限缩短，甚至碳化而烧坏。,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述四、消除电气设备运行热效应影响对策总体思想：为了保证导体在长期发热和短时发热作用下能可靠、安全地工作，设计上应使其发热的最高温度不超过导体的长期发热和短时发热最高允许温度。长期发热最高允许温度：主要考虑保证导体接触部分可靠地工作短时发热最高允许温度：主要考虑机械强度和带绝缘导体的绝缘耐热度（如电缆）。机械强度的下降还与发热持续时间有关，发热时间越短，引起机械强度下降的温度就越高，故短时发热最高允许温度远高于长期发热最高允许温度,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述四、消除电气设备运行热效应影响对策一般考虑：导体的长期发热最高允许温度不应超过+70，在计及日照影响时，钢心铝线及管形导体可按不超过+80考虑。当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时，可提高到+85导体的短时最高允许温度，对硬铝及铝锰合金可取+200，硬铜可取+300发生短路故障时，除了引起发热外，还会产生很大的电动力，造成导体变形或损坏,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第一节 概 述五、电气设备运行的力学效应产生原因：导体中的电流会在导体周边产生磁场，该磁场将对导体周边的其他带电导体产生电动力的作用危害：发生短路故障时会产生很大的电动力，造成导体变形或损坏,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算一、导体发热的计算 发热包括导体电阻损耗热量的计算和太阳日照热量的计算。1导体电阻损耗产生的热量 单位长度的导体，通过有效值为Iw 的交流电流时，由电阻损耗产生的热量：,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算一、导体发热的计算 1导体电阻损耗产生的热量单位长度导体的交流电阻导体的集肤系数Ks与电流的频率、导体的形状和尺寸有关矩形截面导体的集肤系数曲线示于图3-1（P64）圆管形截面导体的集肤系数曲线示于图3-2（Page65）图中f 为电源频率，Rdc为1000m长导体在20的直流电阻,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算一、导体发热的计算 2太阳日照（辐射）的热量 太阳照射（辐射）的热量也会造成导体温度升高，安装在屋外的导体，一般应考虑日照的影响，圆管形导体吸收的太阳日照热量为我国取太阳辐射功率密度 取铝管导体的吸收率D为导体的直径（m）,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 影响散热的因素：热量传递有三种方式：对流、辐射和传导。导体的散热过程主要是对流和辐射。空气的热传导能力很差，导体的传导散热通常忽略不计。1对流换热量的计算 对流换热量与导体对周围介质的温度差及换热面积成正比 对流换热系数 单位长度导体散热面积,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算 自然对流换热量的计算：屋内空气自然流动或屋外风速小于0.2m/s，属于自然对流换热。此种情况的对流换热系数取,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算自然对流换热量的计算单位长度导体的对流换热面积 Fc 是指有效面积，它与导体形状、尺寸、布置方式和多条导体的间距等因素有关单条矩形导体竖放时（如上图所示）的对流换热面积（单位为m2/m）为,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算自然对流换热量的计算单条矩形导体竖放时（如图3-3a所示）的对流换热面积（单位为平方米/米）为圆管形导体(直径为D)，如图3-3d所示，其对流换热面积,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算 强迫对流换热量的计算：屋内采用人工通风或屋外导体处在风速较大的环境时，可以带走更多的热量，属于强迫对流换热。此种情况下圆管形导体对流换热系数取其数值与风速V、风向、空气粘滞系数、导体直径D，空气导热系数有关,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算 强迫对流换热量的计算：空气粘滞系数，在空气温度为20 时，取下列数值：空气导热系数，在空气温度为20 时，取下列数值：,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算 强迫对流换热量的计算：风向与导体不垂直的修正系数（无量纲）取值如下：当0 24时，A=0.42，B=0.68，n=1.08当24 90时，A=0.42，B=0.58，n=0.9,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第二节 导体发热和散热的计算二、导体散热的计算 1辐射散热量的计算 根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，导体向周围空气辐射的热量为：其中：w，0 为导体和周围环境的温度 F 单位长度导体的辐射换热面积（平方米/米）为导体材料的相对辐射系数（黑度系数），见表3-2 磨光的表面小，粗糙或涂漆的表面大,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量 计算的理论依据：能量守恒定律 导体发热过程中一般的热量平衡关系 发热量=导体升高温度所需热量+散热量,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算一、长期发热的特点长期发热的特点是导体产生的热量与散失的热量相等，其温度不再升高，能够达到某一个稳定温度。不计太阳日照热量，导体长期发热过程中的热量平衡关系为：用一个总换热系数来代替两种换热的作用，则有,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算一、长期发热的特点因此给定导体稳定温度和空气温度下的长期容许电流值由下式得到：,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量导体的载流量：在额定环境温度0下，使导体的稳定温度正好为长期发热最高允许温度。即使W=al的电流，称为该0下的载流量（或长期允许电流），即：计及日照影响时，屋外导体的载流量为：,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量公式的意义：上两式将限制导体长期工作电流的条件从温度转化为电流我国生产的各类导体截面已标准化，有关部门已经计算出其载流量，选用导体时只需查表即可,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量载流量的修正：当实际环境温度与额定环境温度0不同时，应对导体的载流量进行修正。,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量提高导体载流量的措施：减小导体电阻。用铜代替铝增大导体的散热面积。在相同截面下，矩形、槽形比圆形导体的表面积大提高放热系数。矩形导体竖放散热效果好，导体表面涂漆可以提高辐射散热量并用以识别相序提高长期发热最高允许温度。在导体接触面镀（搪）锡等。,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算三、计算实例【例2-1】计算屋内配电装置中125mm8mm矩形导体的载流量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为25。【解】：（1）计算单位长度的交流电阻：查表3-1得，铝导体温度为20时的直流电阻率=0.029mm2/m，电阻温度系数t=0.0040-1，1000m长导体的直流电阻为,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算三、计算实例【例2-1】计算屋内配电装置中125mm8mm矩形导体的载流量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为25。【解】：由 及查图3-1曲线得集肤效应系数,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算三、计算实例【例2-1】计算屋内配电装置中125mm8mm矩形导体的载流量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为25。【解】：（2）计算对流换热量对流换热面积对流换热系数对流换热量,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算三、计算实例【例2-1】计算屋内配电装置中125mm8mm矩形导体的载流量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为25。【解】：（3）计算辐射换热量 辐射换热面积积因表面涂漆，取=0.95对流换热量,第二章 电气设计常用基本理论和方法,第三节 导体的长期发热与载流量计算三、计算实例【例2-1】计算屋内配电装置中125mm8mm矩形导体的载流量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为25。【解】：（4）计算导体载流量 竖放时（为什么不横放）,
