电气设备的热和电动力计算课件

1、电气设备的发热和电动力计算课件第五章 电气设备的发热及电动力计算5.1 电气设备的允许温度电气设备的允许温度n1、电气设备的运行特点、电气设备的运行特点发发热热绝缘绝缘老化老化介质介质损耗损耗涡流和涡流和磁滞损耗磁滞损耗电能损耗电能损耗影响设备正影响设备正常寿命和工常寿命和工作状态作状态绝缘绝缘材料材料交变磁场交变磁场铁磁铁磁物质物质电流电流导体导体电气设备的发热和电动力计算课件n2、电气设备的发热类型、电气设备的发热类型长期发热长期发热由正常工作电流引起，可用来确由正常工作电流引起，可用来确定导体正常工作时的最大允许载流量。定导体正常工作时的最大允许载流量。n特点：特点：电流小，持续时间长，

2、热量的产生与电流小，持续时间长，热量的产生与散失将维持一动态平衡，达到一稳定温升，散失将维持一动态平衡，达到一稳定温升，温度不再改变。温度不再改变。短短（路）（路）时发热时发热由短路电流引起，可用来由短路电流引起，可用来确定短路切除以前可能出现的最大温度。确定短路切除以前可能出现的最大温度。n特点：特点：电流大且时间短暂，热量几乎全部用电流大且时间短暂，热量几乎全部用于导体温升。于导体温升。电气设备的发热和电动力计算课件n3、发热的其它概念：、发热的其它概念：热稳定性热稳定性长期工作电流或短路电流通过导长期工作电流或短路电流通过导体、电器时，实际发热温度不超过各自发热的体、电器时，实际发热温度

3、不超过各自发热的允许温度，即具有足够热稳定性。允许温度，即具有足够热稳定性。允许温度允许温度：可承受的最高温度值。：可承受的最高温度值。允许温升允许温升：n长期发热的允许温升较周围（计算）环长期发热的允许温升较周围（计算）环境温度的温度升高值。境温度的温度升高值。n短时发热的允许温升较短路前的温度升短时发热的允许温升较短路前的温度升高值，通常与导体长期工作时的最高允许温高值，通常与导体长期工作时的最高允许温度相比较。度相比较。电气设备的发热和电动力计算课件5.2 导体长期发热的计算导体长期发热的计算n两种计算思路：两种计算思路：根据根据y y（导体长期发热允许温度）（导体长期发热允许温度） I

4、 Iy y（允（允许电流）；许电流）； 进而校验，使满足进而校验，使满足I Ig.zdg.zdI Iy y 根据根据I Ig.zdg.zd（导体最大长期工作电流）（导体最大长期工作电流） c c（导体长期发热稳定温度）；（导体长期发热稳定温度）； 进而校验，使满足进而校验，使满足c cy y电气设备的发热和电动力计算课件n一、允许电流一、允许电流I Iy y的确定的确定对于母线、电缆等均匀导体，其允许电流对于母线、电缆等均匀导体，其允许电流I Iy y可可查标准截面允许电流表。查标准截面允许电流表。注意：注意：n对应查得的电流的条件为：计算环境温度对应查得的电流的条件为：计算环境温度0 25，

5、最高发热允许温度，最高发热允许温度y70；n故当实际环境温度故当实际环境温度与与0不一致或敷设条件不不一致或敷设条件不同时，需要进行同时，需要进行温度校正温度校正：)(0AIIyyyy电气设备的发热和电动力计算课件n二、导体长期发热温度二、导体长期发热温度cc（y ）( (I Ig.zdg.zd/I Iyy) )实际环境温度实际环境温度I Ig.zdg.zd最大长期工作电流（一般考虑持最大长期工作电流（一般考虑持续续30min以上以上的最大工作电流）的最大工作电流）I Iyy校正后的允许电流校正后的允许电流电气设备的发热和电动力计算课件5.3 导体短路时的发热计算导体短路时的发热计算n导体必须

6、能承受短路电流的热效应而不致使绝缘导体必须能承受短路电流的热效应而不致使绝缘材料软化烧坏，也不致使芯线材料的机械强度降材料软化烧坏，也不致使芯线材料的机械强度降低，这种能力即低，这种能力即导体的短路热稳定性导体的短路热稳定性。n短路热稳定性的校验短路热稳定性的校验思路：思路：当导体通过短路电流时的最高发热温度当导体通过短路电流时的最高发热温度d dd yd y规定的导体短时发热允许温度，规定的导体短时发热允许温度，则认为导体在短路条件下是热稳定的；则认为导体在短路条件下是热稳定的；否则是热不稳定的。否则是热不稳定的。电气设备的发热和电动力计算课件n一、短路时发热的计算条件一、短路时发热的计算条

7、件由其短时发热的主要特点而决定由其短时发热的主要特点而决定:a、视为、视为绝热过程绝热过程短路时间内产生的短路时间内产生的热量全部用来提高导体本身的温度，即热量全部用来提高导体本身的温度，即不考虑散热；不考虑散热；b、短路时导体的物理特性，如、短路时导体的物理特性，如比热、电比热、电阻率阻率等不能视为常数，而是温度的函数；等不能视为常数，而是温度的函数；c、短路电流瞬时值的实际变化规律复杂，、短路电流瞬时值的实际变化规律复杂，故选取故选取短路电流全电流的有效值短路电流全电流的有效值来进行来进行发热计算。发热计算。电气设备的发热和电动力计算课件n二、短路时最高发热温度二、短路时最高发热温度d的计

8、算的计算n热平衡：热平衡：产生的全部热量吸收的产生的全部热量吸收的短路电流全电流的有效值；短路电流全电流的有效值；(5-3)、(5-4)分分别为温度别为温度时导体的电阻、比热。时导体的电阻、比热。n设短路发生时间为设短路发生时间为0t，相应的导体温，相应的导体温度变化为度变化为q （起始温度）（起始温度） d，两边积，两边积分、整理可得：分、整理可得：式中即短路电流的热效应。式中即短路电流的热效应。mdCdtRId2qddAAQS21tdddtIQ02dIRC（5-7）电气设备的发热和电动力计算课件AdAq参见参见P71式式58 但注意：但注意：Aq有误！有误！n由上述可看出由上述可看出Qd、

9、Ad、Aq的解析算法很麻烦，所的解析算法很麻烦，所以一般采取以一般采取简化方法等值时间法：简化方法等值时间法：、Qd的的等效计算等效计算（因（因id实际变化复杂）实际变化复杂）由由I（稳态电流）和（稳态电流）和tdz（短路发热等效时间，（短路发热等效时间，假想值）推出假想值）推出Qd，则有：，则有：（59）且且tz, tfz分别为周期性、非周期性短路电流分量等值时间。分别为周期性、非周期性短路电流分量等值时间。tz的确定的确定由周期分量等值时间曲线（图由周期分量等值时间曲线（图53）tz=f(,t)可查得。可查得。dztddtIdtIQ202)(stttfzzdz电气设备的发热和电动力计算课件

10、即以即以I/I 之比代表短路电流的变化规律。之比代表短路电流的变化规律。其中，其中，I短路次暂态电流有效值，即短路后短路次暂态电流有效值，即短路后第一周期的第一周期的iz有效值有效值（周期性分量（周期性分量0s有效值）。有效值）。 图图5-3的的tz=f(,t)曲线只作出了曲线只作出了t5s时，若短路持时，若短路持续时间续时间t5s，则：，则： tdz=tz(5)+(t5) (s)（短路时间（短路时间一般不会超过一般不会超过5s，即，即5s后已达短路后稳态。）后已达短路后稳态。）tfzt1s时，短路电流非周期分量基本衰减完，不计时，短路电流非周期分量基本衰减完，不计其发热，即无需计算其发热，即

11、无需计算tfz。t1s时，应计其发热影响：时，应计其发热影响：（等效）（等效）fztfztIdti202II 电气设备的发热和电动力计算课件又因为又因为其中，其中，Ta为短路电流非周期分量为短路电流非周期分量ifz衰减时间常数衰减时间常数（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因为因为ifz为一衰减分量，其发热时间常数为为一衰减分量，其发热时间常数为0.025s；在在4倍时间常数后，即短路时间倍时间常数后，即短路时间t0.1s后热量不再后热量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下简化处理简化处理：nt1s时，时，tfz=0n0.1t1s时，时，nt0.1s时，时，tfz按按(5-13)

12、式计算式计算)025. 0exp(1 (05. 02 ttfz)exp(2 afzTtIi2 05. 0fzt又因为又因为其中，其中，Ta为短路电流非周期分量为短路电流非周期分量ifz衰减时间常数衰减时间常数（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因为因为ifz为一衰减分量，其发热时间常数为为一衰减分量，其发热时间常数为0.025s；在在4倍时间常数后，即短路时间倍时间常数后，即短路时间t0.1s后热量不再后热量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下简化处理简化处理：nt1s时，时，tfz=0n0.1t1s时，时，nt0.1s时，时，tfz按按(5-13)式计算式计算2 05. 0fz

13、t又因为又因为其中，其中，Ta为短路电流非周期分量为短路电流非周期分量ifz衰减时间常数衰减时间常数（Ta0.05s）所以所以 (5-13)因为因为ifz为一衰减分量，其发热时间常数为为一衰减分量，其发热时间常数为0.025s；在在4倍时间常数后，即短路时间倍时间常数后，即短路时间t0.1s后热量不再后热量不再增加，所以增加，所以tfz可作如下可作如下简化处理简化处理：nt1s时，时，tfz=0n0.1t1s时，时，nt0.1s时，时，tfz按按(5-13)式计算式计算2 05. 0fzt电气设备的发热和电动力计算课件n2、 d的确定全步骤的确定全步骤n将将材料的材料的A值与温度值与温度的关系

14、作成图的关系作成图54示示f(A)曲线（取决于导体的材料类型）；曲线（取决于导体的材料类型）；n由导体材料及初始温度由导体材料及初始温度q查出查出Aq ；n按上述方法（式按上述方法（式59）求出）求出Qd ，又由，又由Aq、导、导体截面体截面S，推出，推出Ad值：值：n最后，可由最后，可由Ad值查相应材料的值查相应材料的f(A) 曲线得曲线得到到d 。（注意：注意：A为为导体加热系数导体加热系数，也有些以，也有些以K表示，决表示，决定于材料类型；定于材料类型； Aq 、Ad分别为负荷时、短路时的导体加热系数。）分别为负荷时、短路时的导体加热系数。）qddAQSA21电气设备的发热和电动力计算课

15、件n三、校验热稳定性三、校验热稳定性n1、载流导体、载流导体允许温度法：允许温度法： d d y最小截面法：最小截面法：n由式（由式（57）及（）及（59）可算出可算出n设设d d y，qy 进而进而d y Ad y ，y Ay 一般取一般取集肤效应系集肤效应系数数Kj1 1；C C为导体热稳定系数，参表为导体热稳定系数，参表5 55 5。n只需实际截面只需实际截面SSzx，即热稳定满足。即热稳定满足。qddzAAtISdzydyjdzzxtCIAAKtIS电气设备的发热和电动力计算课件n2、一般电器、一般电器式中，式中，Ir为为电器热稳定电流、电器热稳定电流、t为为热稳定试验时间，热稳定试验

16、时间，两者均为产品技术参数、可查。两者均为产品技术参数、可查。n3、三相短路和两相短路发热比较、三相短路和两相短路发热比较一般均以三相短路电流为准校验；一般均以三相短路电流为准校验；若（如独立运行的发电厂，有可能）若（如独立运行的发电厂，有可能）则须进行发热比较。则须进行发热比较。n若则需按两相短路校验。若则需按两相短路校验。tItIrfz22)2()3( II)2()2() 3() 3(22dzdztItI) 2() 2() 2(fzzdzttt电气设备的发热和电动力计算课件n其中其中的计算的计算由周期分量等值时间由周期分量等值时间曲线：曲线：又因为又因为所以进而查曲线所以进而查曲线53得得

17、n则由式（则由式（513）算出。）算出。)2()2( )2( II)3( )2( 23II)2()3( )2( 866. 0II)2(zt)2(zt)2(fzt电气设备的发热和电动力计算课件5.4导体短路时的电动力导体短路时的电动力基本概念基本概念n载流导体的电动力载流导体的电动力：载流导体处在磁场中会受载流导体处在磁场中会受到力的作用，载流导体间也会有力的作用，这种到力的作用，载流导体间也会有力的作用，这种力称为电磁互作用力，即电动力。力称为电磁互作用力，即电动力。n在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、在电器中，载流导体间、线圈匝间、动静触头间、电弧与铁磁体间等都有电动力的作用。电弧

18、与铁磁体间等都有电动力的作用。在正常电流下，电动力不致于使电器损坏，但在正常电流下，电动力不致于使电器损坏，但动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减动、静触头间的电动斥力过大会使接触压力减小、接触电阻增大，从而造成触头的熔化或熔小、接触电阻增大，从而造成触头的熔化或熔焊，影响其正常工作。焊，影响其正常工作。电气设备的发热和电动力计算课件在强大短路电流下所形成的电动力，可能使电在强大短路电流下所形成的电动力，可能使电器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。器发生误动作或使导体机械变形，甚至损坏。 n电动力常用来验证电气设备的机械强度是电动力常用来验证电气设备的机械强度是否足够。否足够。n电动力

19、稳定性电动力稳定性：简称动稳定性，是指：简称动稳定性，是指当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用当大电流通过电器时，在其产生的电动力作用下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性下，电器有关部件不产生损坏或永久变形的性能；能；或者说，电器有关部分在电动力作用下不产生或者说，电器有关部分在电动力作用下不产生损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。损坏或永久变形所能通过的最大电流的能力。以以可能的最大冲击电流的峰值可能的最大冲击电流的峰值表示，也有的以表示，也有的以其与额定电流的比值表示。其与额定电流的比值表示。 电气设备的发热和电动力计算课件电动力的计算：n一、两平行一、两平行圆导体圆导体（实心、空心即圆管形（实心、空心即圆管形均可）均可）为两导体中心距离，为两导体中心距离，L为导体长度，为导体长度，d为截为截面半径；面半径；当当d且且L时，可