发电厂电气部分第三章
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发电厂电气部分复习课后习题仅供参考第三章常用计算的基本理论和方法3-1 研究导体和电气设备的发热有何意义?长期发热和短时发热各有何特点?答:电气设备有有电流通过时将产生损耗,这些损耗都将转变成热量使电器设备的温度升高。
发热对电气设备的影响:使绝缘材料性能降低;使金属材料的机械强度下降;使导体接触电阻增加。
导体短路时,虽然持续时间不长,但短路电流很大,发热量仍然很多。
这些热量在适时间内不容易散出,于是导体的温度迅速升高。
同时,导体还受到电动力超过允许值,将使导体变形或损坏。
由此可见,发热和电动力是电气设备运行中必须注意的问题。
长期发热是由正常工作电流产生的;短时发热是由故障时的短路电流产生的。
3-2 为什么要规定导体和电气设备的发热允许温度?短时发热允许温度和长期发热允许温度是否相同,为什么?答:导体连接部分和导体本身都存在电阻(产生功率损耗);周围金属部分产生磁场,形成涡流和磁滞损耗;绝缘材料在电场作用下产生损耗,如tan?值的测量载流导体的发热:长期发热:指正常工作电流引起的发热短时发热:指短路电流引起的发热一发热对绝缘的影响:绝缘材料在温度和电场的作用下逐渐变化,变化的速度于使用的温度有关;二发热对导体接触部分的影响:温度过高→表面氧化→电阻增大↑→ I R ↑→恶性循环;三发热对机械强度的影响:温度达到某一值→退火→机械强度↓→设备变形如:Cu长期发热70 C短期发热300 C, Al长期发热 70 C 短期发热 200。
3-6 电动力对导体和电气设备的运行有何影响?答:电气设备在正常状态下,由于流过导体的工作电流相对较小,相应的电动力较小,因而不易为人们所察觉。
而在短路时,特别是短路冲击电流流过时,电动力可达到很大的数值,当载流导体和电气设备的机械强度不够时,将会产生变形或损坏。
为了防止这种现象发生,必须研究短路冲击电流产生的电动力的大小和特征,以便选用适当强度的导体和电气设备,保证足够的动稳定性。
第一章能源和发电1—2 电能的特点:便于大规模生产和远距离输送;方便转换易于控制;损耗小;效率高;无气体和噪声污染.随着科学技术的发展,电能的应用不仅影响到社会物质生产的各个侧面,也越来越广泛的渗透到人类生活的每个层面。
电气化在某种程度上成为现代化的同义词。
电气化程度也成为衡量社会文明发展水平的重要标志。
1—3 火力发电厂的分类,其电能生产过程及其特点?答:按燃料分:燃煤发电厂;燃油发电厂;燃气发电厂;余热发电厂。
按蒸气压力和温度分:中低压发电厂;高压发电厂;超高压发电厂;亚临界压力发电厂;超临界压力发电厂。
按原动机分:凝所式气轮机发电厂;燃气轮机发电厂;内燃机发电厂和蒸汽—燃气轮机发电厂。
按输出能源分:凝气式发电厂;热电厂。
按发电厂总装机容量分:小容量发电厂;中容量发电厂;大中容量发电厂;大容量发电厂。
火电厂的生产过程概括起来说是把煤中含有的化学能转变为电能的过程。
整个生产过程分三个系统:燃料的化学能在锅炉燃烧变为热能,加热锅炉中的水使之变为蒸汽,称为燃烧系统;锅炉产生的蒸汽进入气轮机,冲动气轮机的转子旋转,将热能转变为机械能,称不汽水系统;由气轮机转子的机械能带动发电机旋转,把机械能变为电能,称为电气系统。
1-4 水力发电厂的分类,其电能生产过程及其特点?答:按集中落差的方式分为:堤坝式水电厂;坝后式水电厂;河床式水电厂;引水式水电厂;混合式水电厂。
按径流调节的程度分为:无调节水电厂;有调节水电厂;日调节水电厂;年调节水电厂;多年调节水电厂。
水电厂具有以下特点:可综合利用水能资源;发电成本低,效率高;运行灵活;水能可储蓄和调节;水力发电不污染环境;水电厂建设投资较大工期长;水电厂建设和生产都受到河流的地形,水量及季节气象条件限制,因此发电量也受到水文气象条件的制约,有丰水期和枯水期之分,因而发电量不均衡;由于水库的兴建,淹没土地,移民搬迁,农业生产带来一些不利,还可能在一定和程度破坏自然的生态平衡。
西交《发电厂电气部分》(高起专)第三章电气主接线及设计电抗器的作用:依靠线圈的感抗阻碍电流变化的电器叫电抗器。
电抗器常用作限流、稳流、降压、补偿、移相等。
按用途分为以下几种:1.限流电抗器---又叫串连电抗器.补偿电容器组回路中串入电抗器后,能抑制电容器支路的高次谐波,降低操作过电压,限制故障过电流。
2.并联电抗器---一般接于超高压输电线的末端和地之间,起无功补偿作用。
3.消弧电抗器---又称消弧线圈.接于3相变压器的中性点与地之间,用以在3相电网的1相接地时供给电感性电流,以补偿流过接地点的电容性电流,消除过电压。
4.起动电抗器---与电动机串连,限制其起动电流。
5.电炉电抗器---与电炉变压器串连,限制其短路电流。
6.滤波电抗器---用于整流电路,以减少电流上纹波的幅值;可与电容器构成对某种频率共振的电路,以消除电力电路某次谐波的电压或电流.。
220kV、110kV、35kV、10kV电网中的电抗器是用来吸收电缆线路的充电容性无功的。
可以通过调整并联电抗器的数量来调整运行电压。
超高压并联电抗器有改善电力系统无功功率有关运行状况的多种功能,主要包括:(1)轻空载或轻负荷线路上的电容效应,以降低工频暂态过电压。
(2)改善长输电线路上的电压分布。
(3)使轻负荷时线路中的无功功率尽可能就地平衡,防止无功功率不合理流动同时也减轻了线路上的功率损失。
(4)在大机组与系统并列时降低高压母线上工频稳态电压,便于发电机同期并列。
(5)防止发电机带长线路可能出现的自励磁谐振现象。
(6)当采用电抗器中性点经小电抗接地装置时,还可用小电抗器补偿线路相间及相地电容,以加速潜供电流自动熄灭,便于采用。
第三章发电厂电气设备的原理与结构第一节绝缘子、母线和电缆一、绝缘子绝缘子广泛应用在发电厂的配电装置、变压器、开关电器及输电线路上,用来支持和固定裸载流导体,并使裸载流导体与地绝缘,或使处于不同电位的载流导体之间绝缘。
因此,绝缘子应具有足够的绝缘强度、机械强度、耐热性和防潮性。
绝缘子按其额定电压可分为高压绝缘子(500V以上)和低压绝缘子(500V及以下)两种;按安装地点可分为户内式和户外式两种;按结构形式和用途可分为支柱式、套管式及盘形悬式三种。
高压绝缘子主要由绝缘件和金属附件两部分组成。
绝缘件通常用电工瓷制成,电工瓷具有结构紧密均匀、绝缘性能稳定、机械强度高和不吸水等优点。
盘形悬式绝缘子的绝缘件也有用钢化玻璃制成的,具有绝缘和机械强度高、尺寸小、质量轻、制造工艺简单及价格低廉等优点。
金属附件的作用是将绝缘子固定在支架上和将载流导体固定在绝缘子上。
金属附件装在绝缘件的两端,两者通常用水泥胶合剂胶合在一起。
绝缘瓷件的外表面涂有一层棕色或白色的硬质瓷釉,以提高其绝缘、机械和防水性能;金属附件皆作镀锌处理,以防其锈蚀;胶合剂的外露表面涂有防潮剂,以防止水分侵入。
高压绝缘子应能在超过其额定电压15%的电压下可靠地运行。
支柱绝缘子和套管绝缘子应能承受短路电流所产生的最大电动力,并具有一定裕度。
其机械强度用机械破坏负荷(或称抗弯破坏负荷)表示,单位为kN。
机械破坏负荷是指在绝缘子固定的情况下,在绝缘子顶帽的平面上施加与其轴线垂直、使绝缘子受到弯矩作用而被破坏的机械负荷值。
同一电压级的绝缘子,按机械破坏负荷的不同值分为4组,在其型号中分别用A、B、C、D表示,也有些绝缘子直接用机械破坏负荷值表示。
盘形悬式绝缘子按机电破坏负荷分级。
机电破坏负荷是指当电压和机械负荷同时加于绝缘子上,在电压一定、机械负荷升高时,绝缘子的任一部分丧失其机械或电气性能的机械负荷值,单位为t或kN。
1.支柱绝缘子户内式支柱绝缘子分内胶装、外胶装、联合胶装3个系列;户外式支柱绝缘子分针式和棒式2种。
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。 2、所有电气设备在工作中,会产生各种功率损耗,其损耗有: 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。(铁损) 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Ik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
它们都以热量的形式表现出来,使导体的温度升高。 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QR
单位长度导体通过电流IW时,所发出的热量,可按下式计算:
acWRRIQ2 (W/m) 式中: fwtacKSR)]20(1[(Ω/m)
式中:acR——导体的交流电阻(m/) ——导体温度为C20时的直流电阻率(mmm/2 ) t——电阻温度系数(1C)
W——导体的运行温度(C) S——导体截面积(2mm ) fK——集肤效应系数 2)太阳日照的(热量)功率Qt 凡要装在屋外的导体,均应考虑日照的影响。 Qt=EtAtFt(w/m) 式中:Et----太阳辐射功率密度(W/m))(注:我国取21000mWEt) At----导体的吸收率,对铝导体As=0.6 Ft----单位长度导体受太阳辐射的面积(m2/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Ql:气体各部分相对位移将热量带走的过程
对流换热Ql:
lwllFQ)(0
(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)(5.1W [)/(2CmW] 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:)(2211AAF 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:DNu1 65.0)(13.0vVDNu
若风向与导体不垂直,二者间有夹角,则1须进行修正 强迫对流散热量为:])(sin)[()(13.01065.0nWBAvVDQ 2)辐射Qf: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:
fWfFQ])100273()100273[(7.5404 (W/m) 式中,-导体材料的辐射系数;rF-导体的辐射换热面积(m2/m)。 单条导体辐射散热面积:)(221AAFf 二条导体辐射散热面积:)]1(242[121AAAFf 三条导体辐射散热面积:)]1(462[121AAAFf 槽行导体辐射散热面积:bbhFf)2(2 圆管行导体辐射散热面积:DFf 3、导热Qd 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。
)()(21WFQdd 式中,----导体的导热面积[W/(m〃c)]; ----物体厚度
dF----导体的导热面积[M2]; 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,Qd=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
(ftRQQQQ1)
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去。在正常工作情况下,导体通过的电流是持续稳定的,因此经过一段时间后,电流所产生的全部热量将随时完全散失到周围介质中去,即达到发热与散热的平衡,使导体的温度维持在某一稳定值。当工作状况改变时,热平衡被破坏,导体的温度发生变化;再过一段时间,又建立新的热平衡,导体在新的稳定温度下工作。所以,导体温升过程也是一个能量守恒的过程。 导体的温度由起始温度(θk)开始上升,经过一段时间后达到稳定温度(θ
w)。导体所产生的热量(QR),一部分用于本身温度升高所需的热量(Qc),另一部分散失到周围的介质中(Ql+Qf)。 根据热平衡方程式: QR=Qc+Ql+Qf 【暂不考虑日照Qt的影响】 (1) FQQWWf)(01 (W/m)【复合换热】
式中,W——导体的总换热系数 F——导体的换热面积
W——导体的温度 0——周围空气的温度 在dt时间内,有 dtFmcdRdtIWw)(02 式中:I——流过导体的电流 R——导体的电阻 m——导体的质量 c——导体的比热容 导体通过正常工作电流时,其温度变化范围不大,因此认为R、C、为常数(实际上,R、C、为温度的函数)
设温升0,则dd,有
02mcRImcFdt
dw
(2)
(2)式为一阶常系数微分方程。 初始条件:t=0,=k(起始温升)= k-0,则两边取拉式变换得
01)()(2smcRIsmcFsswk
则有: mcFsmcFSSmcRIswkw11)(2
则方程式的解为 tmcFktmcFwwweeFRI)1(2 热时间常数:FmcTwr 稳定温升: FRIww2 则有: rr
TtkT
t
wee)1(解得:
式中,Tt=mc/F-----发热时间常数; w= I2R/wF----稳定温升。
当t时,导体的温升趋于稳定温升W: FRIwW2 此时 wwFRI2 即在稳定发热状态下,导体中产生的全部热量都散失在周围环境中
发热时间常数rT FmcTwr
表示发热进程的快慢,rT与导体的热容量成正比,与导体的散热能力成反比,而与电流无关,实际上,当rTt)4~3(时,已趋于稳定温升W, 稳定温度,w=0+w=0+ I2R/wF】
(5)导体达到稳定发热状态后,由电阻损耗产生热量全部以对流和辐射形式散失掉,导体温升趋于稳定,且稳定温升与导体初始温度无关 2、导体的载流量 限制导体(或其它电气设备)长期工作电流的根本条件:是其稳定温度不应超过长期发热最高允许温度,即w≤p(al) 允许电流:
(1)温升过程是按指数曲线变化,开始阶段上升很快,随着时间的延长,其上升速度逐渐减小。 (2)导体温升过程快慢取决于导体发热时间常数,即与导体的吸热能力成正比,与导体散热能力成反比,而与通过电流大小无关; (3)对于某一导体,当通过的电流不同,发热量不同,稳定温升也就不同。电流大 时,稳定温升高;电流小时,稳定温升低。 (4)大约经过(3~4)T的时间,导体的温升即可认为已趋近稳定温升τW。