导体的发热和电动力

水电站电气设备,天津大学建筑工程学院,school of civil engineering,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2011/6/1,#,第四章 导体的发热和电动力,第一节 概述,第二节 导体的长期发热和短时发热,第三节 导体的电动力计算,第四节 大电流封闭母线的发热和电动力,第一节 概述,一、概述,导体和电器运行中的两种状态：,正常工作状态,：,U,U,e,，,I,I,e,可以长期安全经济的运行,短路工作状态,：,U,U,e,，,I,0.1,发电机出口及母线,0.15,0.2,发电机升高电压母线及出线；发电机电压电抗器后,0.08,0.1,变电所各级电压母线及出线,0.05,27,3,、短路时导体允许的最小截面,(14),若短路最高温度,k,等于短路最高允许温度，且已知短路前,w,，则从曲线,=f,(,A,),可查得,A,k,和,A,w,，由此可得短路时满足热稳定要求的最小截面,式中：,C,与导体材料和短路前温度有关的热稳,工作温度,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85,90,硬铝及铝锰合金,99,97,95,93,91,89,87,85,83,82,81,硬铜,186,183,181,179,176,174,171,169,166,164,161,不同工作温度的裸导体,C,值,定系数，查表可得。,28,第三节 导体的电动力计算,电气设备中的载流导体通过电流时，除了发热效应外，还有,载流导体相互之间的作用力，称为电动力。,与正常工作电流产生的电动力相比，短路冲击电流所产生的电动力是很大的，可能导致设备变形或损坏。因此，为了保证电器和载流导体不致破坏，短路冲击电流产生的电动力不应超过电器和载流导体的允许应力。,载流导体之间电动力的大小和方向，取决于电流的大小和方向，导体的尺寸、形状和相互之间的位置以及周围介质的特性。,30,一、平行导体电动力的计算,如图为两根平行细长导体，两导体中电流分别为,i,1,和,i,2,，长度为,L,，导体中心轴线距离为,a,。,a,i,1,i,2,L,F,电动力的方向取决于导体中电流的方向。当,电流同向时相吸，异向时相斥,。,根据,比奥沙伐尔定理,，可以得到平行细长导体所受的电动力为,31,二、三相导体短路的电动力,1.,电动力的计算,不计短路电流周期分量的衰减，三相短路电流为：,式中：,I,m,短路电流周期分量的最大值，,A,短路电流,A,相的初相角,T,a,短路电流非周期分量衰减时间常数,32,二、三相导体短路的电动力,(1),对中间相,三相短路时，中间相,(,B,相,),和两外边相,(,A,C,相,),受力不同：,A,B,C,i,A,i,B,i,C,F,BA,F,BC,将,i,A,i,B,i,C,的值代入有,33,二、三相导体短路的电动力,(2),对外边相,三相短路时，中间相,(,B,相,),和两外边相,(,A,C,相,),受力不同：,将,i,A,i,B,i,C,的值代入有,A,B,C,i,A,i,B,i,C,F,AB,F,CB,F,AC,F,CA,34,二、三相导体短路的电动力,2.,电动力的最大值,分析发现,一般衰减时间常数,T,a,=0.05s,。而且，由短路电流分析知道，在,t,=0.01s,时短路电流幅值最大，冲击电流,i,sh,=1.82,I,m,。代入可计算得,35,三、导体振动的动态应力,导体的振动过程，按具有分布质量的简支梁来分析，其动力学方程为：,式中：,F,t,作用在导体上的电动力,(,N/m,),E,导体材料的弹性模量,(,Pa,),I,导体断面二次矩,(,m,4,),m,导体单位长度的质量,(,kg/m,),y,导体各点的位移,(,m,),x,导体各点的坐标,(,m,),36,三、导体振动的动态应力,式中：,L,跨距,(,m,),N,f,频率系数,该系统的一阶固有频率为,考虑到电动力中的工频会与固有频率相同从而引起,共振破坏,，需要对最大电动力进行修正,式中：,动态应力系数,37,第四节 大电流封闭母线的发热和电动力,一、概述,随着大容量机组的出现，母线采用敞露式布置会造成,绝缘子闪络,以及由外物引起的,短路故障,；此外，母线工作电流很大，使附件钢构件,发热严重,，周围环境温度升高，影响母线的正常运行。因此，目前一般采用,封闭母线,。,外壳,母线,39,二、封闭母线的发热和散热,1.,封闭母线的发热,封闭母线的发热由本身发热和外壳发热产生,（,1,）封闭母线导体的发热损失,式中：,K,s,母线集肤效应系数,t,w,母线运行温度,(,0,C,),D,w,圆管母线外径,(,mm,),R,w,母线电阻,(,/m,),w,圆管母线壁厚,(,mm,),20,电阻系数,(,.mm,2,/m,),40,二、封闭母线的发热和散热,1.,封闭母线的发热,封闭母线的发热由本身发热和外壳发热产生,（,1,）封闭母线外壳的发热损失,式中：,t,s,外壳运行温度,(,0,C,),D,s,外壳外径,(,mm,),R,s,外壳电阻,(,/m,),s,外壳壁厚,(,mm,),41,二、封闭母线的发热和散热,2.,封闭母线的散热,散热,:,母线 外壳 空气,（,1,）母线的散热,式中：,母线表面黑度,t,w,母线温度,(,0,C,),母线向外壳的辐射散热,t,s,外壳温度,(,0,C,),D,w,母线外径,(,m,),42,二、封闭母线的发热和散热,2.,封闭母线的散热,散热,:,母线 外壳 空气,（,1,）母线的散热,式中：,K,开槽影响系数，不开槽时,K,=1,开槽,相当导热系数,母线向外壳的对流散热,时,K,=1.3-1.4,43,二、封闭母线的发热和散热,2.,封闭母线的散热,散热,:,母线 外壳 空气,（,2,）外壳的散热,外壳对空气的辐射散热,b,分相系数，中间相时,b = 1,，,式中：,平均角系数,D,s,外壳直径,(,m,),边相时,b = 0.5,44,二、封闭母线的发热和散热,2.,封闭母线的散热,散热,:,母线 外壳 空气,（,2,）外壳的散热,外壳的自然对流散热,式中：,1,换热系数,按照热量平衡，列出方程式解出母线运行温度,t,w,45,三、封闭母线的电动力,母线通过短路电流时，受到壳内磁场作用，三相短路,电动力,为,式中：,I,k,三相短路电流幅值,(,A,),K,a,直流屏蔽系数,t,m,三相短路时，直流磁场峰值出现时间,T,a,三相短路电流直流衰减时间常数,三、封闭母线的电动力,导体应力按静力梁计算，,最大应力,为,a,系数,二跨取,a=1/8,三跨取,F,w,母线导体所受电动力,(N/m),L,绝缘子之间的跨距,(m),W,母线的截面系数,(mm,3,),对于圆管母线：,显然，计算应力应小于材料容许应力，即,D,w,圆管母线的外径,(mm),d,w,圆管母线的内径,(mm),式中：,a=1/10,