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1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University发电厂电气部分计算理论第讲 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法内内容容梗梗概概：围围绕绕电电气气设设备
2、备运运行行时时产产生生的的热热效效应应和和力力学效应的分析方法学效应的分析方法第一节第一节 概概 述述第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算第三节第三节 导体的长期发热与载流量导体的长期发热与载流量第四节第四节 导体的短时发热导体的短时发热第五节第五节 导体短路的电动力导体短路的电动力第六节第六节 大电流封闭母线的发热和电动力大电流封闭母线的发热和电动力6-8学时学时Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一
3、节第一节 概概 述述一、电气设备运行热效应的分类一、电气设备运行热效应的分类电电阻阻损损耗耗：当当电电流流通通过过导导体体时时，在在导导体体电电阻阻中中所所产生的电阻损耗。产生的电阻损耗。介介质质损损耗耗：绝绝缘缘材材料料在在电电压压作作用用下下所所产产生生的的介介质质损耗。损耗。铁铁磁磁损损耗耗：导导体体周周围围的的金金属属构构件件，特特别别是是铁铁磁磁物物质，在电磁场作用下，产生的涡流和磁滞损耗质，在电磁场作用下，产生的涡流和磁滞损耗Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章
4、电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一节第一节 概概 述述二、电气设备运行热效应的产生原因二、电气设备运行热效应的产生原因长长期期发发热热效效应应：导导体体和和电电器器中中长长期期通通过过正正常常工工作作电流所引起的发热电流所引起的发热短短时时发发热热效效应应：由由短短路路电电流流通通过过导导体体和和电电器器时时引引起的发热起的发热Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一节第一节 概概 述述三、电气设备运
5、行热效应的影响三、电气设备运行热效应的影响机机械械强强度度下下降降：高高温温会会使使金金属属材材料料退退火火软软化化，机机械械强强度度下下降降接接触触电电阻阻增增加加：高高温温将将造造成成导导体体接接触触连连接接处处表表面面氧氧化化，使使接接触触电电阻阻增增加加，温温度度进进一一步步升升高高，产产生生恶恶性性循循环环，可可能能导导致连接处松动或烧熔致连接处松动或烧熔绝绝缘缘性性能能降降低低：有有机机绝绝缘缘材材料料（如如电电缆缆纸纸、橡橡胶胶等等）长长期期受受高高温温的的作作用用，将将逐逐渐渐变变脆脆和和老老化化，使使用用年年限限缩缩短短，甚甚至至碳化而烧坏。碳化而烧坏。Xian Jiaoto
6、ng UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一节第一节 概概 述述四、消除电气设备运行热效应影响对策四、消除电气设备运行热效应影响对策总体思想：总体思想：v为为了了保保证证导导体体在在长长期期发发热热和和短短时时发发热热作作用用下下能能可可靠靠、安安全全地地工工作作，设设计计上上应应使使其其发发热热的的最最高高温温度度不不超超过过导导体体的的长长期期发热和短时发热最高允许温度。发热和短时发热最高允许温度。v长长期期发发热热最最高高允允许许温温度度：主
7、主要要考考虑虑保保证证导导体体接接触触部部分分可可靠靠地工作地工作v短短时时发发热热最最高高允允许许温温度度：主主要要考考虑虑机机械械强强度度和和带带绝绝缘缘导导体体的的绝绝缘缘耐耐热热度度（如如电电缆缆）。机机械械强强度度的的下下降降还还与与发发热热持持续续时时间间有有关关，发发热热时时间间越越短短，引引起起机机械械强强度度下下降降的的温温度度就就越越高高，故故短短时时发发热热最最高高允允许许温温度度远远高高于于长长期期发发热热最最高高允允许许温温度度Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Universit
8、y第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一节第一节 概概 述述四、消除电气设备运行热效应影响对策四、消除电气设备运行热效应影响对策一般考虑：一般考虑：v导导体体的的长长期期发发热热最最高高允允许许温温度度不不应应超超过过+70，在在计计及及日日照照影影响响时时，钢钢心心铝铝线线及及管管形形导导体体可可按按不不超超过过+80考考虑虑。当当导导体体接接触触面面处处有有镀镀（搪搪）锡锡的的可可靠靠覆覆盖盖层层时时，可可提提高高到到+85v导导体体的的短短时时最最高高允允许许温温度度，对对硬硬铝铝及及铝铝锰锰合合金金可可取取+200，硬硬铜铜可可取取+300发发生生短短路
9、路故故障障时时，除除了了引引起起发发热热外外，还还会产生很大的电动力，造成导体变形或损坏会产生很大的电动力，造成导体变形或损坏Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第一节第一节 概概 述述五、电气设备运行的力学效应五、电气设备运行的力学效应产生原因：产生原因：导导体体中中的的电电流流会会在在导导体体周周边边产产生生磁磁场场，该该磁磁场场将将对导体周边的其他带电导体产生电动力的作用对导体周边的其他带电导体产生电动力的作用危害：
10、危害：发发生生短短路路故故障障时时会会产产生生很很大大的的电电动动力力，造造成成导导体体变形或损坏变形或损坏Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算一、导体发热的计算一、导体发热的计算 发热包括导体电阻损耗热量的计算和太阳日照热量的计算。发热包括导体电阻损耗热量的计算和太阳日照热量的计算。1导体电阻损耗产生的热量导体电阻损耗产生的热量 单单位位长长度度的的导导体体，通通过过
11、有有效效值值为为Iw 的的交交流流电电流流时时，由由电阻损耗产生的热量：电阻损耗产生的热量：Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算一、导体发热的计算一、导体发热的计算 1导体电阻损耗产生的热量导体电阻损耗产生的热量单位长度导体的交流电阻单位长度导体的交流电阻导体的导体的集肤系数集肤系数Ks与电流的频率、导体的形状和尺寸有关与电流的频率、导体的形状和尺寸有关矩形截面导体的集
12、肤系数曲线示于图矩形截面导体的集肤系数曲线示于图3-1（P64）圆管形截面导体的集肤系数曲线示于图圆管形截面导体的集肤系数曲线示于图3-2（Page65）图中图中f 为电源频率，为电源频率，Rdc为为1000m长导体在长导体在20的直流电阻的直流电阻 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算一、导体发热的计算一、导体发热的计算 2太阳日照（辐射）的热量太阳日照（辐射）的热量
13、 太太阳阳照照射射（辐辐射射）的的热热量量也也会会造造成成导导体体温温度度升升高高，安安装装在在屋屋外外的的导导体体，一一般般应应考考虑虑日日照照的的影影响响，圆圆管管形形导导体体吸吸收收的的太太阳阳日照热量为日照热量为我国取太阳辐射功率密度我国取太阳辐射功率密度 取铝管导体的吸收率取铝管导体的吸收率D为导体的直径（为导体的直径（m）Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算
14、二、导体散热的计算二、导体散热的计算 影影响响散散热热的的因因素素：热热量量传传递递有有三三种种方方式式：对对流流、辐辐射射和和传传导导。导导体体的的散散热热过过程程主主要要是是对对流流和和辐辐射射。空空气气的的热热传传导导能能力力很很差差，导体的传导散热通常忽略不计。导体的传导散热通常忽略不计。1对流换热量的计算对流换热量的计算 对流换热量与导体对周围介质的温度差及换热面积成正比对流换热量与导体对周围介质的温度差及换热面积成正比 对流换热系数对流换热系数 单位长度导体散热面积单位长度导体散热面积 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University
15、Xian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算对流换热量的计算 自自然然对对流流换换热热量量的的计计算算：屋屋内内空空气气自自然然流流动动或或屋屋外外风风速速小小于于0.2m/s，属于自然对流换热。，属于自然对流换热。此种情况的对流换热系数取此种情况的对流换热系数取 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二
16、章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算自然对流换热量的计算自然对流换热量的计算单单位位长长度度导导体体的的对对流流换换热热面面积积 Fc 是是指指有有效效面面积积，它它与与导导体体形状、尺寸、布置方式和多条导体的间距等因素有关形状、尺寸、布置方式和多条导体的间距等因素有关单单条条矩矩形形导导体体竖竖放放时时（如如上上图图所所示示）的的对对流流换换热热面面积积（单单位位为为m2/m）为）为 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXi
17、an Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算自然对流换热量的计算自然对流换热量的计算单单条条矩矩形形导导体体竖竖放放时时（如如图图3-3a所所示示）的的对对流流换换热热面面积积（单位为平方米（单位为平方米/米）为米）为圆管形导体圆管形导体(直径为直径为D)，如图，如图3-3d所示，其对流换热面积所示，其对流换热面积 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong U
18、niversity第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算对流换热量的计算 强强迫迫对对流流换换热热量量的的计计算算：屋屋内内采采用用人人工工通通风风或或屋屋外外导导体体处处在在风风速速较较大大的的环环境境时时，可可以以带带走走更更多多的的热热量量，属属于于强强迫迫对对流流换热。换热。此种情况下此种情况下圆管形导体圆管形导体对流换热系数取对流换热系数取其其数数值值与与风风速速V、风风向向、空空气气粘粘滞滞系系数数、导导体体直直径径D，空空气气导热系数导热系数有
19、关有关 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算对流换热量的计算 强迫对流换热量的计算：强迫对流换热量的计算：空气粘滞系数，在空气温度为空气粘滞系数，在空气温度为20 时，取下列数值：时，取下列数值：空气导热系数，在空气温度为空气导热系数，在空气温度为20 时，取下列数值：时，取下列数值：Xian Jiaotong U
20、niversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算 1对流换热量的计算对流换热量的计算 强迫对流换热量的计算：强迫对流换热量的计算：风向与导体不垂直的修正系数风向与导体不垂直的修正系数（无量（无量纲纲）取）取值值如下：如下：当当0 24时，时，A=0.42，B=0.68，n=1.08当当24 90时，时，A=0.42，B=0.58，n=0.9Xian Jiaotong Univ
21、ersityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第二节第二节 导体发热和散热的计算导体发热和散热的计算二、导体散热的计算二、导体散热的计算 1辐射散热量的计算辐射散热量的计算 根根据据斯斯蒂蒂芬芬玻玻尔尔兹兹曼曼定定律律，导导体体向向周周围围空空气气辐辐射射的的热量为：热量为：其中：其中：w，0 为导体和周围环境的温度为导体和周围环境的温度 F 单位长度导体的辐射换热面积（平方米单位长度导体的辐射换热面积（平方米/米）米）为导为导体材料的相体材料的相对辐对辐射系数（黑度
22、系数），射系数（黑度系数），见见表表3-2 磨光的表面小，粗糙或涂漆的表面大磨光的表面小，粗糙或涂漆的表面大 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量导体的长期发热与载流量 计算的理论依据：能量守恒定律计算的理论依据：能量守恒定律 导体发热过程中一般的热量平衡关系导体发热过程中一般的热量平衡关系 发热量发热量=导体升高温度所需热量导体升高温度所需热量+散热量散热量 Xian Jiaotong
23、 UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算一、长期发热的特点一、长期发热的特点长长期期发发热热的的特特点点是是导导体体产产生生的的热热量量与与散散失失的的热热量量相相等等，其其温温度度不不再再升升高高，能能够够达达到到某某一一个个稳稳定定温温度度。不不计计太太阳阳日日照照热量，导体长期发热过程中的热量平衡关系为：热量，导体长期发热过程中的热量平衡关系为：用一个总换热系数来代替两种换热的作用
24、，则有用一个总换热系数来代替两种换热的作用，则有 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算一、长期发热的特点一、长期发热的特点因因此此给给定定导导体体稳稳定定温温度度和和空空气气温温度度下下的的长长期期容容许许电电流值由下式得到：流值由下式得到：Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaoto
25、ng University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量二、导体的载流量导导体体的的载载流流量量：在在额额定定环环境境温温度度0下下，使使导导体体的的稳稳定定温温度度正正好好为为长长期期发发热热最最高高允允许许温温度度。即即使使W=al的的电电流流，称称为为该该0下的载流量（或长期允许电流），即：下的载流量（或长期允许电流），即：计及日照影响时，屋外导体的载流量为：计及日照影响时，屋外导体的载流量为：Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong U
26、niversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量二、导体的载流量公式的意义：公式的意义：上两式将限制导体长期工作电流的条件从温度转化为电流上两式将限制导体长期工作电流的条件从温度转化为电流我我国国生生产产的的各各类类导导体体截截面面已已标标准准化化，有有关关部部门门已已经经计计算算出出其载流量，选用导体时只需查表即可其载流量，选用导体时只需查表即可Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong Univ
27、ersityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量二、导体的载流量载流量的修正：载流量的修正：当当实实际际环环境境温温度度与与额额定定环环境境温温度度0不不同同时时，应应对对导导体体的的载流量载流量进行进行修正。修正。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节
28、导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算二、导体的载流量二、导体的载流量提高导体载流量的措施：提高导体载流量的措施：减小导体电阻减小导体电阻。用铜代替铝。用铜代替铝增增大大导导体体的的散散热热面面积积。在在相相同同截截面面下下，矩矩形形、槽槽形形比比圆圆形形导体的表面积大导体的表面积大提提高高放放热热系系数数。矩矩形形导导体体竖竖放放散散热热效效果果好好，导导体体表表面面涂涂漆漆可以提高辐射散热量并用以识别相序可以提高辐射散热量并用以识别相序提高长期发热最高允许温度。在导体接触面镀（搪）锡等。提高长期发热最高允许温度。在导体接触面镀（搪）锡等。Xian Jiaotong Unive
29、rsityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算三、计算实例三、计算实例【例例2-1】计计算算屋屋内内配配电电装装置置中中125mm8mm矩矩形形导导体体的的载载流流量，长期发热最高允许温度为量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为，周围空气温度为25。【解】：【解】：（1）计计算算单单位位长长度度的的交交流流电电阻阻：查查表表3-1得得，铝铝导导体体温温度度为为20时时的的直直流流电电阻阻率率=0.
30、029mm2/m，电电阻阻温温度度系系数数t=0.0040-1-1，1000m长导体的直流电阻为长导体的直流电阻为 Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算三、计算实例三、计算实例【例例2-1】计计算算屋屋内内配配电电装装置置中中125mm8mm矩矩形形导导体体的的载载流流量，长期发热最高允许温度为量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为，周围空气温度为2
31、5。【解】：【解】：由由 及及查图查图3-1曲线得集肤效应系数曲线得集肤效应系数Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算三、计算实例三、计算实例【例例2-1】计计算算屋屋内内配配电电装装置置中中125mm8mm矩矩形形导导体体的的载载流流量，长期发热最高允许温度为量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为，周围空气温度为25。【解】：【解】：（2）计算对流换
32、热量计算对流换热量对流换热面积对流换热面积对流换热系数对流换热系数对流换热量对流换热量Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算三、计算实例三、计算实例【例例2-1】计计算算屋屋内内配配电电装装置置中中125mm8mm矩矩形形导导体体的的载载流流量，长期发热最高允许温度为量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为，周围空气温度为25。【解】：【解】：（3）计算
33、辐射换热量计算辐射换热量 辐射换热面积积辐射换热面积积因表面涂漆，取因表面涂漆，取=0.95对流换热量对流换热量Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University第二章第二章 电气设计常用基本理论和方法电气设计常用基本理论和方法第三节第三节 导体的长期发热与载流量计算导体的长期发热与载流量计算三、计算实例三、计算实例【例例2-1】计计算算屋屋内内配配电电装装置置中中125mm8mm矩矩形形导导体体的的载载流流量，长期发热最高允许温度为量，长期发热最高允许温度为70，周围空气温度为，周围空气温度为25。【解】：【解】：（4）计算导体载流量计算导体载流量 竖放时（为什么不横放）竖放时（为什么不横放）