山东理工大学：《发电厂电气部分》课程教学资源（导学任务单）02 载流导体的发热和电动力.doc_大学文库

发电电气语分第二章载流导体的发热和电动力第二章载流导体的发热和电动力 2.1概述发热和电动力对电气设备的影响申气设备在运行中有两种云行状态，一是正常工作状态。即运行参数都不超过领定值电气设备能够长期而稳定地工作的状态：二是短路时工作状态，在短路故障被切除前的短时间内，电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短时发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，从而产生不良的影响。 (1)机械强度下降。金属材料的温度升高时，会使材料退火软化，机械强度下降。例如，铝导体长期发热超过100℃或短时发热超过150℃时 ,材料的抗拉强度明显下降。 (2)接触电阻增加。发热导致接触电阻增加的原因主要有两个方面一是发热影响接触导体及其弹性元件的机械性能，使接触压力下降，导致接触电阻增加，并引起发热进一步加剧：二是温度的升高加剧了接触面的氧化，其氧化层又使接触电阻和发热增大。当接触面的温度过高时，可能导致温度升高的恶性循环，即温度升高→接触电阻增加→温度升高最后使接触连接部分迅速遭到破坏，引发事故 (3)绝缘性能下降。在电场强度和温度的作用下，绝缘材料将逐渐老化。当温度超过材料的允许温度时，将加速其绝缘的老化，缩短电气设备的正常使用年限。严重时，可能会造成绝缘烧损。因此，绝缘部件往往是电气设备中耐热能力最差的部件，成为限制电气设备允许工作温度的重要条件。当电气设备通过短路电流时，短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危性。 (1)载流部分可能因为电动力而振动，或者因为电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件（如绝缘子）或载流部件损坏： (2)电气设各的电磁绕组受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏： (3)巨大的电动力可能使开关电器的触头解间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。 2.2导体的发热与散热在发电厂和变电站中，母线（导体）大都采用硬铝或铝锰、铝镁合金制成。无论正常情况下通过工作电流，或短路时通过短路电流，母线都要发热。为使母线发热温度不超过最高允许温度，需了解发热过程，并进行分析计算。导体的发热计算，根据能量守恒原理， Qr+0,=Q+0 1导体电阻损耗的热量Qm 单位长度(1m)的导体，通过母线电流W(A)时，由电阻损耗产生的热量，可用下

发电厂电气部分第二章载流导体的发热和电动力 2 第二章载流导体的发热和电动力 2.1 概述发热和电动力对电气设备的影响电气设备在运行中有两种运行状态，一是正常工作状态，即运行参数都不超过额定值，电气设备能够长期而稳定地工作的状态；二是短路时工作状态，在短路故障被切除前的短时间内，电气设备要承受短路电流产生的发热和电动力的作用。电气设备由正常工作电流引起的发热称为长期发热，由短路电流引起的发热称为短时发热。发热不仅消耗能量，而且导致电气设备的温度升高，从而产生不良的影响。（1）机械强度下降。金属材料的温度升高时，会使材料退火软化，机械强度下降。例如，铝导体长期发热超过 100 ℃ 或短时发热超过 150 ℃ 时，材料的抗拉强度明显下降。（2）接触电阻增加。发热导致接触电阻增加的原因主要有两个方面：一是发热影响接触导体及其弹性元件的机械性能，使接触压力下降，导致接触电阻增加，并引起发热进一步加剧；二是温度的升高加剧了接触面的氧化，其氧化层又使接触电阻和发热增大。当接触面的温度过高时，可能导致温度升高的恶性循环，即温度升高接触电阻增加温度升高，最后使接触连接部分迅速遭到破坏，引发事故。（3）绝缘性能下降。在电场强度和温度的作用下，绝缘材料将逐渐老化。当温度超过材料的允许温度时，将加速其绝缘的老化，缩短电气设备的正常使用年限。严重时，可能会造成绝缘烧损。因此，绝缘部件往往是电气设备中耐热能力最差的部件，成为限制电气设备允许工作温度的重要条件。当电气设备通过短路电流时，短路电流所产生的巨大电动力对电气设备具有很大的危害性。（1）载流部分可能因为电动力而振动，或者因为电动力所产生的应力大于其材料允许应力而变形，甚至使绝缘部件（如绝缘子）或载流部件损坏；（2）电气设备的电磁绕组受到巨大的电动力作用，可能使绕组变形或损坏；（3）巨大的电动力可能使开关电器的触头瞬间解除接触压力，甚至发生斥开现象，导致设备故障。 2.2 导体的发热与散热在发电厂和变电站中，母线（导体）大都采用硬铝或铝锰、铝镁合金制成。无论正常情况下通过工作电流，或短路时通过短路电流，母线都要发热。为使母线发热温度不超过最高允许温度，需了解发热过程，并进行分析计算。导体的发热计算，根据能量守恒原理， Q Q Q Q R t l f + = + 1 导体电阻损耗的热量 QR 单位长度（1m）的导体，通过母线电流 IW（A）时，由电阻损耗产生的热量，可用下

发电厂电气语分 8 第二章载流导体的发热和电动力 5导热散热量根据传热学可知，导热散热量Q妇为 Q=58=80wm (3-10) 6 1为导热系数WM(mC):Fd为导热面积(m2) 6为物体厚度(m):日、(，分别为高温区和低温区的温度（℃）。导体在通讨电流时题发执，同时导体也向固围介质散热。导体的发热主题来自导体申阳损耗的热量和太阳日照的热量。导体的散热过程实质是热量的传递过程，包括导热、对流及辐射3种形式，主要为后两种散热形式。 2.3导体的长期发热研究分析导体长期通过工作电流时的发热过程，目的是计算导体的长期允许电流，以及提高导体载流量应采取的措施。 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，使导体的温度维持为某一稳定值。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，又建立新的平衡，导体在新的稳定温度下工作。所以，导体温升的过程也是一个能量守恒的过程。导体散失到周围介质的热量，为对流换热量0，与辐射换热量Q,之和，这是一种复合换热。为了计算方便，用一个总换热系数α来包括对流换热与辐射换热的作用，即 g+g=ae。-8)F (W/m) 式中：口一一导体总的换热系数，W1m2,C): 一部分散失到周围的介质中？+巴，。因此，对于均匀导体（同一截面同一种材料），其持续发热的热平衡方程为 Qr =Qr+0+e,(W/m) 在微分时间山内，由式错误：未找到引用源。可得 IRdt mcd0+aF(0-8 ydt (l/m)

发电厂电气部分第二章载流导体的发热和电动力 8 5 导热散热量导体在通过电流时要发热，同时导体也向周围介质散热。导体的发热主要来自导体电阻损耗的热量和太阳日照的热量。导体的散热过程实质是热量的传递过程，包括导热、对流及辐射 3 种形式，主要为后两种散热形式。 2.3 导体的长期发热研究分析导体长期通过工作电流时的发热过程，目的是计算导体的长期允许电流，以及提高导体载流量应采取的措施。 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，使导体的温度维持为某一稳定值。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，又建立新的平衡，导体在新的稳定温度下工作。所以，导体温升的过程也是一个能量守恒的过程。导体散失到周围介质的热量，为对流换热量 Ql 与辐射换热量 Qf 之和，这是一种复合换热。为了计算方便，用一个总换热系数  来包括对流换热与辐射换热的作用，即 0 ( ) (W/ m) Q Q F l f W + = −    式中：  ——导体总的换热系数， W / (m C) 2  ； F ——导体的等效交换热面积， 2 m /m。在导体升温的过程中，导体产生的热量 QR ，一部分用于温度的升高所需的热量 QW ，另一部分散失到周围的介质中 Q Q l f + 。因此，对于均匀导体（同一截面同一种材料），其持续发热的热平衡方程为 (W/ m) Q Q Q Q R W l f = + + 在微分时间 dt 内,由式错误!未找到引用源。可得 2 0 I Rdt mcd F dt = + −     ( ) (J/ m)

发电厂电气部分第二章载流导体的发热和电动力 9 式中： I ——流过导体的电流， A ； R ——导体的交流电阻， Ω ； m ——单位长度导体的质量， kg/m ； c ——导体的比热容， J/(kg C)  ；  ——导体的温度， °C ； 0  ——周围空气的温度， °C。在正常工作时，导体的温度范围变化不大，可以认为电阻 R 、比热容 c 、热换系数  为常数，故式错误!未找到引用源。是一个常系数微分方程，经整理后，即得 2 2 0 0 1 [I R ( )] ( ) mc dt d F F I R F        = −  − − − − 对上式进行积分，当时间由 0 → t 时，温度从 0 时刻的开始温度 k  上升至相应温度  t ，则 2 2 0 0 0 1 [I R ( )] ( ) t k t mc dt d F F I R F          = − − − − −   解得 2 0 0 (1 e ) ( )e F F t t mc mc t k I R F        − − − = − + − 设开始温升 k k 0    = − ，对应时间 t 的温升为 t 0    = − ，代入式错误!未找到引用源。，得 2 (1 e ) F F t t mc mc k I R e F      − − = − + 当 t → 时，导体的温升趋于一稳定值 W  ，称为稳定温升，即 2 W I R F   = 由此可见，在工作电流作用下，当导体电阻损耗的电功率（ 2 I R ）与散失介质中的热功率 ( ) F 相等时，导体的温度就不再增加，即达到稳定温升 W  ，而稳定温升的大小与开始温升无关。当导体一定时，式中 mc  F 是一个常数，称作发热时间常数，记作 r mc T  F = (二-1) 发热时间常数的物理意义是导体的热容量与散热能力的比值，其大小仅与导体的材料和几何尺寸有关。将式(二-1)代入式错误!未找到引用源。，得 2 (1 e ) r r t t T T k I R e F    − − = − + (二-2) 式(二-2)为均匀导体持续发热时温升与时间的关系式，其曲线如图 4-1 所示。 2、导体的载流量据上所述，导体长期通过电流 I 时，稳定温升为 2 W I R F   = 。由此可知：导体的稳定温升，与电流的平方和导体材料的电阻成正比，而与总换热系数及换热图二-1 导体温升的变化曲线

发电厂电气分 10 第二章载流导体的发热和电动力面积成反比。根据错误：未找到引用源。，可计算出导体的载流量。由于 PR=TwaF=Q+e 故导体的载流量为 I= aF0-_②+9 (二3) VR 此式也可计算导体的正常发热温度a。,即 (c) 根据以上讨论，当导体通过工作电流为额定电流，导体稳定于工作温度8=日，即 2R=aF0-) (二-5) 在规定的散热条件下，当导体通过的电流为额定电流1，周围介质温度为额定值日，时，导体温度稳定在长期发热允许温度日，即 IR=aF(By-0ow) (二6) 实际上，对确定的导体，其额定值是己知的。当已知周围介质温度风和工作电流时，导体的工作温度0，为 8=8+0,-8片 (c) (仁7) 当周围介质温度日，不等于额定值0，时，则导体允许的长期工作电流1也就不等于额定电流1、，应为离从，w (二-8) 3、提高导体载流量的措施在工程实践中，为了保证配电装置的安全和提高经济效益，应采取措施提高导体的载流量。常用的措施如下： (1)减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比，故减小导体的电阻可以有效地提高导体载流量。减小导体电阻的方法：①采用电阻率较小的材料作导体，如铜、铝、铝合金等：②减小导体的接触电阻：③增大导体的截面积，但随着截面积的增加往往集肤系数(K,)也跟若增加，所以单条导体的截面积不宜做得过大 (2)增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积(F)成正比，所以导体宜采用周边最大的截面形式，如矩形截面、槽形截面等，并应采用有利于增大散热面积的方式布置，如矩形导体竖放。 (3)提高换热系数。提高换热系数的方法主要有：①加强冷却，加改兼通风条件或采取强制通风，采用专用的冷却介质，如SE,气体、冷却等：②室内裸导体表面涂漆，利用漆

发电厂电气部分第二章载流导体的发热和电动力 10 面积成反比。根据错误!未找到引用源。，可计算出导体的载流量。由于 2 W l f I R F Q Q = = +   故导体的载流量为 0 F( ) W Q Q l f I R R   − + = = (二-3) 此式也可计算导体的正常发热温度  W ，即 2 0 ( C) W I R F    = +  (二-4) 根据以上讨论，当导体通过工作电流为额定电流 g I ，导体稳定于工作温度   W g = ，即 2 0 ( ) g g I R F = −    (二-5) 在规定的散热条件下，当导体通过的电流为额定电流 N I ，周围介质温度为额定值  0N 时，导体温度稳定在长期发热允许温度  N ，即 2 0 ( ) N N N I R F = −    (二-6) 实际上，对确定的导体，其额定值是已知的。当已知周围介质温度 0  和工作电流时，导体的工作温度 g  为 2 0 0 2 ( ) ( C) g g N N N I I     = + −  (二-7) 当周围介质温度 0  不等于额定值  0N 时，则导体允许的长期工作电流 al I 也就不等于额定电流 N I ，应为 0 0 ( ) (A) ( ) N al N N N N I I K I      − = = − (二-8) 式中： 0 0 ( ) ( ) N N N K     − = − ，称为导体载流量的修正系数。 3、提高导体载流量的措施在工程实践中，为了保证配电装置的安全和提高经济效益，应采取措施提高导体的载流量。常用的措施如下：（1）减小导体的电阻。因为导体的载流量与导体的电阻成反比，故减小导体的电阻可以有效地提高导体载流量。减小导体电阻的方法：①采用电阻率  较小的材料作导体，如铜、铝、铝合金等；②减小导体的接触电阻；③增大导体的截面积，但随着截面积的增加，往往集肤系数（ Kf ）也跟着增加，所以单条导体的截面积不宜做得过大。（2）增大有效散热面积。导体的载流量与有效散热表面积（ F ）成正比，所以导体宜采用周边最大的截面形式，如矩形截面、槽形截面等，并应采用有利于增大散热面积的方式布置，如矩形导体竖放。（3）提高换热系数。提高换热系数的方法主要有：①加强冷却，如改善通风条件或采取强制通风，采用专用的冷却介质，如 SF6 气体、冷却等；②室内裸导体表面涂漆，利用漆