发电厂电气部分第三章

第三章常用计算的基本理论和方法

3．1 正常运行时导体载流量计算

一、概述

1、两种工作状态

1）正常工作状态：电压和电流都不会超过额定值，导体和电器能够长期安全经济地运行。

2）短路工作状态：系统发生故障，I↑↑，U↓↓，此时，导体和电器应能承受短时发热和电动力的作用。

1）电阻损耗：导体本身存在电阻。（铜损）

2）介质损耗：绝缘材料在电场作用下产生的。（介损）

3）涡流和磁滞损耗：铁磁物质在强大的交变磁场中。

本章主要讨论“铜损”发热问题。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备温

度升高，从而产生不良影响。

3、发热对电气设备的影响

1）机械强度下降：T↑，会使材料退火软化。

2）接触电阻增加：T过高，接触连接表面会强烈氧化，使接触电阻进一步

增加。

3）绝缘性能降低：长期受高温作用，将逐渐变脆和老化，使用寿命大为缩

短。

4、发热的分类

按流过电流的大小和时间，发热可分为：

1）长期发热：由正常工作电流引起的发热。

长期发热的特征：发热时间长；通电持续时间内，发热功率与散热功率平衡，

保持为稳定温度；稳定温升

2）短时发热：由短路电流引起的发热，导体短路时间很小，但I k很大。Q

发

仍然很多，且不易散出，另外，还要受到电动力的作用。

短时发热的特征：发热时间短；短路时导体温度变化范围很大，整个发热过

程中散热功率远小于发热功率；短路时间虽然不长，但电流大，因此发热量也很

大，造成导体迅速升温。

为了保证导体的长期发热和短时发热作用下能可靠、安全地工作，应限制其发热的最高温度。 5、最高允许温度

为了保证导体可靠地工作，须使其发热温度不得超过一定的数值。按照工作状态，它又可分为下述两种：

1）正常最高允许温度θal ：

对裸铝导体，θal =+70℃， 计入太阳辐射 θal =+80℃ 接触面镀锡时，θal =+85℃ 接触面有银覆盖时，θal =+95℃ 2）短时最高允许温度θsp ：θsp >θal ，因为短路电流持续时间短。 硬铝θsp =200℃, 硬铜θsp =300℃。 3）封闭母线最高允许温度

导体 θal =+90℃ 外壳θal =+70℃ 4）钢构发热最高允许温度 人可触及 θal =+70℃ 人不可触及 θal =+100℃ 混凝土中钢筋 θal =+80℃

按正常工作电流及额定电压选择设备，按短路情况来校验设备 二、导体发热和散热

1、发热：来自导体电阻损耗产生的热量和太阳日照的热量

1）导体电阻损耗的（热量）功率Q R

单位长度导体通过电流I W 时，所发出的热量，可按下式计算：

ac

W R R I Q 2

= （W/m)

式中： f

w t ac

K

S

R

∙-+=

)]

20(1[θαρ（Ω/m ）

式中：ac R ——导体的交流电阻（m /Ω）

ρ——导体温度为C

20时的直流电阻率（m mm

/2

∙Ω ）

t α——电阻温度系数（1

-C

）

W θ——导体的运行温度（C

）

S ——导体截面积（2

mm

）

f

K

——集肤效应系数

2）太阳日照的（热量）功率Q t

凡要装在屋外的导体，均应考虑日照的影响。

Q t =E t A t F t (w/m)

式中：E t ----太阳辐射功率密度（W/m ）)（注：我国取2

1000m

W

E t =）

A t ----导体的吸收率，对铝导体As=0.6

F t ----单位长度导体受太阳辐射的面积（m 2/m ）,对于圆管导体Fs=D (D :导体直径，m)

2、热量的传递过程（散热）

从物理本质而盐，可分为：导流、对流、辐射

1)对流Q l ：气体各部分相对位移将热量带走的过程 对流换热Q l ：

l

w l l F Q )(0θθα-=（W/m ）

由于对流条件不同，可分为自然对流散热（风速小于0.2m/s ）和强迫对流散热两种情况。

a. 自然对流散热

空气自然对流散热系数：35

.001)

(5.1θθα-=W [)/(2C m W

∙]

单位长度导体的散热面积与导体尺寸、布置方式等因素有关。下面列出几种常用导体的对流散热面积：

1）单条导体：)(2211A A F += 2）二条导体： 3）三条导体： 4）槽形导体： 5）圆管导体： b.强迫对流散热

强迫对流散热系数：D

N u λα=

1 65

.0)

(

13.0v

VD Nu =

若风向与导体不垂直，二者间有夹角，则1α须进行修正

强迫对流散热量为：])(sin )[()

(

13.01065

.0n

W B A v VD Q ϕθθπλ+-=

2)辐射Q f ：热量从高温物体，以热辐射方式传至低温物体的传播过程。辐射换热量： f

W

f

F Q ])100

273(

)100

273[(

7.54

4

θθε+-+= （W/m ）

式中，ξ-导体材料的辐射系数；r F -导体的辐射换热面积（m 2/m ）。

单条导体辐射散热面积：)(221A A F f +=

二条导体辐射散热面积：)]1(242[121φ-++=A A A F f 三条导体辐射散热面积：)]1(462[121φ-++=A A A F f 槽行导体辐射散热面积：b b h F f ++=)2(2 圆管行导体辐射散热面积：D F f π=

3、导热Q d

固体中由于晶格振动和自由电子运动，使热量由高温区传至低温区。或在气体中，由于分子不停地运动，使热量从由高温区传至低温区，称为导热。

)

()

(21W F Q d d δ

θθλ-=

式中，λ----导体的导热面积[W/（m 〃c ）]; δ----物体厚度

d

F ----导体的导热面积[M 2]； θ1,θ2----高低温区温度

注：导体内部由于温度处处相同，没有导热，另外，由于空气的导热系数很少，可以忽略不计。因此，Q d =0

3、根据能量守恒原理：导体产生的热量=耗散热量

导体电阻损耗热量+吸收太阳热量之和=导体辐射散热+空气对流散热（f t R Q Q Q Q +=+1）

三、导体载流量的计算

计算目的：确定导体的长期允许工作电流，即载流量。 1、导体的温升过程

导体在未通过电流时，其温度和周围介质温度相同。当通过电流时，由于发热，使温度升高，并因此与周围介质产生温差，热量将逐渐散失到周围介质中