载流导体的发热和电动力的效应

1、发电厂电气设备 载流导体的发热和电动效应第一节 概述 第二节 载流体的发热与计算 第三节 载流体的电动力效应载流导体的发热和电动力效应载流导体的发热和电动力效应一、电流的热效应一、电流的热效应 1、电流的热效应概念 指当电器和导体通过电流时，有一部分电能以不同的损耗形式转化为热能，使电器和导体的温度升高。 电阻损耗磁滞损耗涡流损耗 2、损耗形式 由电阻引起，是损耗的主要形式。 可由焦耳-楞次定律计算其发热量： QI2Rt（J） 式中：I通过的电流（A）； t电流作用的时间（s）；介质损耗 R电阻（），如为直流电路，即直流欧姆电阻R；如为交流电路，则交流电阻R ：RKf R 其中：Kf附加损耗系

2、数，计及交流电路中集肤效应和邻近效应使电阻增大的系数。在大截面母线中，附加损耗的影响不可忽略，对于绞线和空心导线，Kf可以取1。 由交变磁场的作用引起，针对铁磁材料零配件； 由交变磁场的作用引起，磁性或非磁性导电材料零配件均有； 由强电场的作用引起，针对绝缘材料。 所有这些损耗几乎全部变成热能，从而使导体的温度升高。 正常情况下磁滞损耗、涡流损耗和介质损耗的影响可不计。 1、降低机械强度 导体的温度超过一定允许值后，会导致导体材料退火，使机械强度显著下降。在短路电流产生的电动力作用下将引起导体变形，甚至使导体结构损坏。 如铝和铜在温度分别超过100和150后，其抗拉强度急剧下降。二、发热引起的

3、不良后果二、发热引起的不良后果 2、影响接触电阻 触头和连接部位由于温度过高，表面会强烈氧化并产生一层电阻率很高的氧化层薄膜，从而使接触电阻增加，导致温度进一步升高，形成恶性循环，直至烧红、松动甚至熔化。 3、降低绝缘强度 温度超过允许值时，绝缘材料将加速老化，丧失原有的机械性能和绝缘性能，甚至引起绝缘击穿、直至烧毁。 三、最高允许温度三、最高允许温度 （1）载流体的发热工作状态 载流体的发热工作状态按流过电流的大小和时间可分为长期发热和短时发热两类。 长期发热是指载流体在正常工作时，正常工作电流长期通过载流体引起的持续发热。 载流体工作在长期发热状态时，其热量一部分散发到周围介质中，另一部分

4、使导体温度升高。 长期发热时虽然工作电流不大、发热量也不大，但由于是长期持续发热，如果其温度超过允许值，就会出现严重的不良后果。 三、最高允许温度三、最高允许温度 （1）载流体的发热工作状态 短时发热是指电力系统发生短路故障时，在切除短路故障前的时间内短路电流流过载流体引起的短暂发热。 短时发热的发热时间是系统发生故障到故障电流被切除时的这一小段时间。 虽然发热时间很短，但由于短路电流很大、发热量很大，而且由于在短时间内迅速发出大量热量，几乎来不及散到周围介质中去，其热量全部用于使导体温度升高。 三、最高允许温度三、最高允许温度 （2）最高允许温度 为了保证载流体可靠工作，规定了载流体在两种发

5、热工作状态下的温度限值，称为最高允许温度。 载流体可能达到的最高温度小于等于最高允许温度，则可以认为是热稳定的。 在长期发热状态下，裸导体采用螺栓连接时的最高允许温度一般为70，当导体接触处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时为85，有银的覆盖层时为95。 钢芯铝绞线及管形导体在计及日照影响时的最高允许温度为80。 交流高压电器各部分的最高允许温度在有关规程中也有相应规定。 三、最高允许温度三、最高允许温度 （2）最高允许温度 在短时发热状态下，裸导体的短时最高允许温度，对硬铝（经冷拉加工的铝）及铝锰合金为200，对硬铜（经冷拉加工的铜）为300。 电力电缆的最高允许温度与其导体材料、绝缘材料及电压等级

6、等因素有关。 进行发热计算的目的，就是为了校验导体或电器各部分在两种发热工作状态下的最高温度是否超过允许值，以判定该导体或电器的热稳定性能。 三、最高允许温度三、最高允许温度 （3）电动力效应 另外，载流体在通过电流时，除受到热效应的影响外，还要受到电动力效应的作用。 正常运行时，由于工作电流产生的电动力数值较小，对导体不会造成损坏。 短路时载流体中流过的短路电流将产生很高数值的电动力，有可能造成载流体变形或电器结构损坏。 发热和电动力是载流体（或电器）在设计和运行中必须考虑的问题。 为了保证载流体在工作中具有足够的热稳定性和动稳定性，选择导体时必须进行发热和电动力计算。 第一节 概述 第二节

7、 载流体的发热与计算 第三节 载流体的电动力效应载流导体的发热和电动力效应载流导体的发热和电动力效应一、导体的长期发热计算一、导体的长期发热计算 dARImCdttst)(020tmCAstmCAteeARI)()1 (020TtTtteeARI02)1 (ARIt2Ttte)(0 )1 (Ttte 一、导体的长期发热计算一、导体的长期发热计算Ttte)(0)1 (TtteARIt2一、导体的长期发热计算一、导体的长期发热计算RARAIalalal)(0NalalK0200)(alalII二、导体的短时发热计算二、导体的短时发热计算dKSCdtifmkt)1 ()1 (0202dKSCdtik

8、fmtkt1102002nptptpatptktQQITdtIQ 202)(dtttep 02)()4424(6)(2123210nnbayyyyyynabdxxf)424(12)(43210yyyyyabdxxfba)10(12)(420yyyabdxxfba242220,)(2ptppIyIyIyt 10)(122222ptppptIIItQt )1 ()(2202aTtpatptkteITdtIQ dtiQtktkt02aTtnpptkteitIi0cos2tTtnppttktktdteitIdtiQa02002)cos2(二、导体的短时发热计算二、导体的短时发热计算kfmtktKSCd

9、ti11020020cos0ttdtppMnpIIi 20aTtpaeIT22)( dtIQtptpt02eptptpttIdtIQ2 0 2dtIIdtIIttpttptep02022)(1 IIpt 2)(panptITQ )1ln()1ln(20202020fmkkfmKSCKSC)1ln(200kkmkCA)1ln(200mCA2AAKSQkfktAQSKAktfk2dKSCkfm11020二、导体的短时发热计算二、导体的短时发热计算dKSCdtikfmtkt1102002ktfQKCS1minAACkfktKSCQ222AAKSQkfkttIQtkt2二、导体的短时发热计算二、导体的

10、短时发热计算AQSKAktfk2第一节 概述 第二节 载流体的发热与计算 第三节 载流体的电动力效应载流导体的发热和电动力效应载流导体的发热和电动力效应 位于磁场中的载流导体要受到电动力的作用。电力系统中的三相导体，每一相导体均位于其它两相导体产生的磁场中，因此在运行时它们都要受到电动力的作用。 电网中发生短路时，三相导体中将会流过巨大的短路冲击电流，在这一瞬间，载流导体将要承受非常巨大的电动力。 如果导体本身及其支撑物(如绝缘瓷件等)的机械强度不够，就可能导致变形甚至损坏，引发更为严重的事故。 因此，需要计算出在短路冲击电流作用下载流导体所受到的电动力，也就是短路电流的电动力效应，进行导体或

11、电器的动稳定校验。 设两平行导体间的距离a比两导体截面的几何尺寸大得多，则相互作用力F为：F=0.2i1i2l/a（N） 式中：i1、i2为通过两平行导体的电流,(kA)； l导体的长度，(m)； a两导体轴线间的距离，(m)； 在实用计算中，母线形状各异，求两平行母线间的电动力时，加入形状系数K， F=0.2Ki1i2l/a （N） 母线的形状系数K对于截面不是很大的圆形截面可取1，对矩形截面可查图3-4。 一、两根平行导体之间的电动力一、两根平行导体之间的电动力图3-4 矩形母线截面形状系数 在三相系统中，作用于每相导体上的电动力，由该相导体中的电流和其它两相导体所产生的相互作用来决定。

12、当三相母线安装于同一平面时，中间相母线所受的电动力最大（约比边相母线受力大7）。在三相短路冲击电流作用下，中间相母线所受的最大电动力为（N） （3-26） 式中：ish三相短路冲击电流，kA； L两支持绝缘子之间的一段母线长度, 称为跨距，m； a相邻两相导体的中心距离，m。 aLKiFsh2173. 0二、三相系统中导体间的电动力二、三相系统中导体间的电动力 此最大电动力大约出现于三相短路发生后的0.01s瞬间，完全与三相短路电流最大瞬时值同步。而同一地点发生二相短路时，母线所受的电动力要比三相短路时小13。 例3-2某降压变电所10kV母线选用100mm8mm铝排，三相平面布置，相间距离2

13、50mm，两支持绝缘子间的跨距为2m。该母线处的三相短路电流I12kA，母线平放和竖放时的最大电动力是否相同？ 解 降压变电所离电源较远，冲击系数取Ksh1.8，三相短路冲击电流为： 当母线平放时： 可见母线平放与竖放所受之电动力是不相同的。平放时所受的电动力略大，但平放时母线对受力方向的抗弯强度却大为提高（见表3-4）。 因此，综合起来看，还是三相水平布置且母线平放时动稳定性能较好。 当母线竖放时：05. 139. 11081501008100250, 5 .128100, 8,100kbhbahbmhb二、三相系统中导体间的电动力二、三相系统中导体间的电动力(kA) 55.30128 .

14、12shi(N)55.30(05. 1173. 02F124. 210824281008250,08. 01008,100, 8kbhbahbmhb(N) 7 .12912502000)55.30(1173. 02F 因此，可令f0160Hz，则式（3-27）变为 只要实际选用的绝缘子跨距LLmax,母线系统就不会发生共振。 母线系统在外力的作用下要发生变形。当撤去外力后，母线系统要经历一个往复振动过程，才回到原来的平衡位置，这种振动称为自由振动。 母线系统的自由振动频率就称为母线系统的固有频率。 5、绝缘子最大允许跨距 为了避免母线系统可能发生的共振现象，可以直接求

15、解不发生共振的绝缘子最大允许跨距。 从母线发生共振频率的范围和图3-5可见，当母线固有频率大于或等于160Hz时，l，母线系统不会发生共振。又从式（3-27）知，改变母线的截面积和布置方式以及绝缘子跨距，均可改变f0的大小，但最有效的是改变绝缘子的跨距。 若给母线系统一周期性的持续外力（如三相短路时的电动力），母线系统将发生强迫振动，如果周期性外力的频率等于母线系统的固有频率，母线系统将发生共振现象。 此时振动的幅值特别大，可能超过母线系统的弹性限度，使母线的结构遭到破坏。 为此，对大电流和重要的母线，必须进行共振校验，以尽量避开共振。 无法避开时，应计及母线系统在共振时的电动力。 1、振动基

16、本概念 任何物体都具有质量和弹性，由弹性物体构成的组合体称为弹性系统。 发电厂的母线及其绝缘子构成的系统就是一弹性系统。 2、母线系统的固有频率 母线系统的振动问题，从结构动力学的角度，可以将其看成是一个多等跨、简支连续梁的单频振动问题。系统的固有频率可按下式计算（Hz） （3-27）式中：ri与母线截面和布置方式有关的母线惯 性半径,cm，可从有关设计手册查到； L绝缘子跨距，cm； 材料系数，铜为1.14104，铝为1.55104，钢为1.64104。 4、母线系统电动力修正计算 当母线系统的固有频率在上述范围以外时，可不考虑共振问题； 如在上述范围以内时，则应乘以修正系数，此时式（3-26）应改写为（N） （3-28） 修正系数可从图3-5查得。 3、35kV及以下