掌握變電站事故處理的一般原則和管理規(guī)定.ppt

1、第三章 常用計算的基本理論和方法,第一節(jié) 正常運(yùn)行時導(dǎo)體載流量計算,第二節(jié) 載流導(dǎo)體短路時發(fā)熱計算,第三節(jié) 載流導(dǎo)體短路時電動力計算,第四節(jié) 電氣設(shè)備及主接線的可靠性分析,第五節(jié) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析,第三章 常用計算的基本理論和方法,本章講述常用計算的基本原理和方法，包括載流導(dǎo)體的發(fā)熱和電動力理論，電氣設(shè)備及主接線的可靠性分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，無論是設(shè)計和運(yùn)行管理都與此有關(guān)，故集中在一起進(jìn)行分析。 對于發(fā)熱，由于長期發(fā)熱和短路時發(fā)熱各有特點(diǎn)，將分別敘述導(dǎo)體載流量和短路時發(fā)熱溫度的計算方法及應(yīng)用。 對于電動力，按發(fā)電廠中常用的三相導(dǎo)體的受力情況進(jìn)行分析，得出最大值，并分析導(dǎo)體振動的動態(tài)效應(yīng)。,第一節(jié) 正

2、常運(yùn)行時導(dǎo)體載流量計算,一. 概述,第一節(jié) 正常運(yùn)行時導(dǎo)體載流量計算,-（2）發(fā)熱按照流過電流的大小和時間分為長期發(fā)熱和短時發(fā)熱兩類。,1）長期發(fā)熱：導(dǎo)體和電器中長期通過正常工作電流所引起的發(fā)熱。,2） 短時發(fā)熱：由短路電流通過導(dǎo)體和電器時引起的發(fā)熱。,第一節(jié) 正常運(yùn)行時導(dǎo)體載流量計算,3、發(fā)熱對電器設(shè)備的影響,（1）使金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度下降 高溫會使金屬材料退火后軟化，機(jī)械強(qiáng)度下降。 例如長期發(fā)熱溫度超過100 （鋁）和150 （銅），或短時 發(fā)熱溫度超過200 （鋁）和300 （銅）時，其抗拉強(qiáng)度顯 著下降，因而可能在短路電動力作用下變形或損壞。,（2）使導(dǎo)體接觸部分的接觸電阻增加 高溫將

3、造成導(dǎo)體接觸連接處表面氧化，使接觸電阻增加，溫度進(jìn)一步升高，產(chǎn)生惡性循環(huán)，可能導(dǎo)致連接處松動或燒熔。,（3）使絕緣材料的絕緣性能降低 有機(jī)絕緣材料（如電纜紙、橡膠等）長期受高溫的作用，將逐漸變脆和老化，使用年限縮短，甚至碳化而燒壞。不同等級的絕緣材料要求不同。,為了保證導(dǎo)體在長期發(fā)熱和短時發(fā)熱作用下能可靠、安全地工作，應(yīng)使其發(fā)熱的最高溫度不超過導(dǎo)體的長期發(fā)熱和短時發(fā)熱最高允許溫度。,（1） 導(dǎo)體的長期發(fā)熱最高允許溫度不應(yīng)超過+70，在計及日照影響時，鋼心鋁線及管形導(dǎo)體可按不超過+80考慮。當(dāng)導(dǎo)體接觸面處有鍍（搪）錫的可靠覆蓋層時，可提高到+85；當(dāng)有銀的覆蓋層時，可提高到+95 。,（2） 導(dǎo)

4、體的短時最高允許溫度，對硬鋁及鋁錳合金可取+200，硬銅可取+300。,4、最高允許溫度,（3） 影響長期發(fā)熱最高允許溫度的因素主要是保證導(dǎo)體接觸部分可靠地工作。,（4） 影響短時發(fā)熱最高允許溫度的因素主要是機(jī)械強(qiáng)度和帶絕緣導(dǎo)體的絕緣耐熱度（如電纜），機(jī)械強(qiáng)度的下降還與發(fā)熱持續(xù)時間有關(guān)，發(fā)熱時間越短，引起機(jī)械強(qiáng)度下降的溫度就越高，故短時發(fā)熱最高允許溫度遠(yuǎn)高于長期發(fā)熱最高允許溫度。,進(jìn)行發(fā)熱計算的目的，是為了校驗(yàn)導(dǎo)體或電器各部分發(fā)熱溫度是否超過允許值。,導(dǎo)體短路時，雖然持續(xù)的時間不長，但是短路電流很大，發(fā)熱量仍然會很高。這些發(fā)熱量在極短時間內(nèi)不容易散出，于是導(dǎo)體的溫度迅速升高。 同時，導(dǎo)體還受到

5、電動力的作用。如果電動力超過允許值，將使導(dǎo)體變形或損壞。 由此可見，發(fā)熱和電動力是電氣設(shè)備運(yùn)行中必須注意的問題。,二、導(dǎo)體發(fā)熱和散熱的計算,發(fā)電廠變和電站中，母線（導(dǎo)體）大都采用硬鋁或鋁錳、鋁鎂合金制成。 無論是正常工作情況下的工作電流，或短路時通過的短路電流，母線都要發(fā)熱。 為使母線發(fā)熱溫度不超過最高允許溫度，必須了解發(fā)熱過程，并進(jìn)行計算。,二、導(dǎo)體發(fā)熱和散熱的計算,導(dǎo)體的發(fā)熱計算,是根據(jù)能量守恒原理,即導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量與耗散的熱量應(yīng)相等來進(jìn)行計算的。,在穩(wěn)定狀態(tài)時,導(dǎo)體電阻損耗的熱量及吸收太陽熱量之和應(yīng)等于導(dǎo)體輻射散熱和空氣對流散熱之和(對空氣的導(dǎo)熱可略去不計),即:,式中 QR 單位長度導(dǎo)

6、體電阻損耗的熱量,W/m; Qt 單位長度導(dǎo)體吸收太陽日照的熱量,W/m; Ql 單位長度導(dǎo)體的對流散熱量,W/m; Qf 單位長度導(dǎo)體向周圍介質(zhì)輻射散熱量,W/m;,1導(dǎo)體電阻損耗產(chǎn)生的熱量 QR,單位長度導(dǎo)體的交流電阻：,單位長度的導(dǎo)體，通過有效值為Iw 的交流電流時，由電阻損耗產(chǎn)生的熱量：,(W/m),(/m),式中 Rac 導(dǎo)體的交流電阻（ / m）； 導(dǎo)體溫度為20時的直流電阻率（mm2/m）； t電阻溫度系數(shù)（1）；w導(dǎo)體的運(yùn)行溫度（）； Kf集膚系數(shù)：S導(dǎo)體截面積（mm2）。,矩形截面導(dǎo)體的集膚系數(shù)曲線示于圖3-1中。 圓管形截面導(dǎo)體的集膚系數(shù)曲線示于圖3-2中。圖中f 為電源頻

7、率， Rdc為1000m長導(dǎo)體的直流電阻。,導(dǎo)體的集膚系數(shù)Kf與電流的頻率、導(dǎo)體的形狀和尺寸有關(guān)。,常用電工材料的電阻率及溫度系數(shù)，列于表3-l。,表31 電阻率及溫度系數(shù)t,圖31 矩形導(dǎo)體的集膚系數(shù),導(dǎo)體的集膚系數(shù)與電流的頻率、導(dǎo)體的形狀和尺寸有關(guān)。矩形截面導(dǎo)體的集膚系數(shù)，示于圖31。,圓柱及圓管導(dǎo)體的集膚系數(shù)，示于圖32 。f 為電源頻率，Rac 為1000 m長導(dǎo)體的直流電阻。,圖32 圓柱及管形導(dǎo)體的集膚系數(shù),2導(dǎo)體吸收太陽輻射的熱量Qt,太陽照射（輻射）的熱量也會造成導(dǎo)體溫度升高，安裝在屋外的導(dǎo)體，一般應(yīng)考慮日照的影響，圓管形導(dǎo)體吸收的太陽日照熱量為：,(W/m),式中 Et太陽輻

8、射功率密度，取Et1000（W/m2 ）； At導(dǎo)體的吸收率，對鋁管取At 0.6； D 導(dǎo)體的直徑（m）。,3導(dǎo)體對流散熱量Ql,(W/m),式中 l對流換熱系數(shù)W(m2) ； w導(dǎo)體溫度()； 0周圍空氣溫度()； Fl 單位長度導(dǎo)體散熱面積（m2/m)。,由氣體各部分發(fā)生相對位移將熱量帶走的過程，稱為對流。 由傳熱學(xué)可知，對流換熱所傳遞的熱量，與溫差及換熱面積成正比，即對流換熱量為,對流換熱系數(shù)l 的計算 由于對流條件不同，分為自然對流和強(qiáng)迫對流兩種情況：,（1）自然對流換熱量的計算 屋內(nèi)空氣自然流動或屋外風(fēng)速小于0.2m/s，屬于自然對流換熱。此種情況的對流換熱系數(shù)取:,W(m2) ,

9、單位長度導(dǎo)體的對流換熱面積 Fl 是指有效面積，它與導(dǎo)體形狀、尺寸、布置方式和多條導(dǎo)體的間距等因素有關(guān)。,圖3-3,單條矩形導(dǎo)體豎放時（如圖3-3a所示）的對流散熱面積（單位為m2/m）為 :,圓管形導(dǎo)體(直徑為D)，如圖5-3d所示，的對流換熱面積為,兩條矩形導(dǎo)體豎放時（如圖3-3b所示）的對流散熱面積（單位為m2/m）為 :,（2）強(qiáng)迫對流散熱量的計算 屋內(nèi)人工通風(fēng)或屋外導(dǎo)體處在風(fēng)速較大的環(huán)境時，可以帶走更多的熱量，屬于強(qiáng)迫對流換熱。圓管形導(dǎo)體的對流散熱系數(shù)為:,式中 空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)氣溫為20時，2.52102 W（m）； D圓管外徑(m)； Nu努謝爾特準(zhǔn)則數(shù)，這是傳熱學(xué)中表示對流換

10、熱強(qiáng)度的一個數(shù)據(jù) ； V風(fēng)速(m/s)； D圓管外徑(m)； 空氣的運(yùn)動粘度系數(shù)，當(dāng)空氣溫度為20 時， 15.7106（m2/s）。,將式(37)代入式(35)，即得強(qiáng)迫對流散熱量為:,4輻射換熱量的計算,4輻射換熱量的計算,根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，導(dǎo)體向周圍空氣輻射的熱量為：,W 、0導(dǎo)體溫度和周圍空氣溫度（）；, 導(dǎo)體材料的輻射系數(shù)，如表3-2所示；,Ff 單位長度導(dǎo)體的輻射換熱面積（m2/m）。,(W/m),表32 導(dǎo)體材料的輻射換熱系數(shù),5.導(dǎo)熱散熱量Qd,固體中由于晶格振動和自由電子運(yùn)動，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，高溫區(qū)域的分子具有較高的速度，分子從

11、高溫區(qū)運(yùn)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，稱為導(dǎo)熱。導(dǎo)熱量Qd為,（W）,式中 導(dǎo)熱系數(shù)W/（m . ）； Fd導(dǎo)熱面積（m2）； 物體厚度（m）； 1、2分別為高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度（）。,三. 導(dǎo)體載流量（長期允許電流）的計算,1、導(dǎo)體的溫升過程 導(dǎo)體的溫度由最初溫度開始上升，經(jīng)過一段時間后達(dá)到穩(wěn)定溫度。導(dǎo)體的升溫過程，可按熱量平衡關(guān)系來描述。 導(dǎo)體散到周圍介質(zhì)的熱量，為對流換熱量QI與輻射換熱量Qf之和（一般導(dǎo)熱量很小可以忽略），這是一種復(fù)合換熱。 工程上為了便于分析與計算，常把輻射換熱量表示成與對流換熱量相似的計算形式，故用一個總換熱系數(shù)w來包括對流換熱與輻射換熱的作用

12、，即,在導(dǎo)體升溫的過程中，導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量（QR），一部分用于本身溫度升高所需的熱量（Qc），一部分散失到周圍介質(zhì)中（QL+Qf）。 由此可寫出熱量平衡方程式如下,(W/m),在時間dt內(nèi)，由上式可得：,(J/m),式中 I流過導(dǎo)體的電流(A)； R導(dǎo)體的電阻(； m導(dǎo)體的質(zhì)量(kg)； c導(dǎo)體的比熱容J/(kg)； w導(dǎo)體的總換熱系數(shù)w(m2)； F導(dǎo)體的換熱面積(m2/m)； w導(dǎo)體的溫度()；0周圍空氣的溫度()。,導(dǎo)體通過正常工作電流時，其溫度變化范圍不大，因此，電阻R、比熱容C及換熱系 數(shù)均可視為常數(shù)。 式（313）經(jīng)整理后，即得,對上式進(jìn)行積分，當(dāng)時間由0t時，溫度從開始溫度i上升至

13、相應(yīng)溫度 ，故,解之得：,設(shè)開始溫升為kk0，對應(yīng)于時間t的溫升為 0，代入式（314），可求得,經(jīng)過很長時間后t ，導(dǎo)體的溫升亦趨于穩(wěn)定值s，故穩(wěn)定溫升為,式中 Tr導(dǎo)體的發(fā)熱時間常數(shù)。 得出升溫過程的表達(dá)式為,此式說明，升溫過程是按指數(shù)曲線變化，如圖 35所示。大約經(jīng)過 t（34）Tr時間，便趨近穩(wěn)定溫升w 。,令,2.導(dǎo)體的載流量,上面已推導(dǎo)出，導(dǎo)體長期通過電流I時，穩(wěn)定溫升為wI2R/F。 由此可知：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，而與總散熱系數(shù)和散熱面積成反比。 根據(jù)穩(wěn)定溫升的公式，可計算出導(dǎo)體的載流量。因：,故導(dǎo)體的載流量為：,此公式也可用來計算導(dǎo)體正常發(fā)熱溫度w,載流導(dǎo)體的截面積,上式并未考慮日照的影響。對于屋外導(dǎo)體，計及日照作用時導(dǎo)體的載流量為,（A）,為了提高導(dǎo)體的載流量 ，宜采用電阻率小的材料，如鋁、鋁合金等。 導(dǎo)體的形狀，在同樣截面積的條件下 ，圓形導(dǎo)體的表面積較小 ，而矩形、槽形的表面積則較大。 導(dǎo)體布置 應(yīng)采取散熱效果最佳的方式 ，而矩形截面導(dǎo)體豎放的散熱效果比平放的要好。,【例3-1】屋內(nèi)配電裝置中裝有100mm8mm的矩形導(dǎo)體。導(dǎo)體正常運(yùn)行溫度為70，周圍空氣溫度為25