发电厂电气部分_第3章
发电厂电气部分课件-第三章 导体的短时发热计算
A R B
D
2 I∞
t p 除了与短路切除时间 t k 有关外，还与短路电流的
衰减特性 β ′′ = I ′′ / I ∞ 有关。
0
t p 可查曲线（见图 3-15）得到。
当短路切除时间 t k >5s 时，可以认为短路电流在 5s 后，已达到稳态值。故 t k >5s 时的发热等值时间 t p 可按 下式计算
由于短路电流 I kt 的表达式很复杂，一般难于用简单的解析式求解 Q k 。工程上常采用 近似计算法计算，如等值时间法、实用计算法。 1．等值时间法
Qk = ∫
tk 0
2 I kt
dt =
2 I∞ t eq
≈
2 I∞ tp
+
2 I∞ t np
2 I kt
式中， t p ——短路电流周期分量发热的等值时间（简称 周期分量等值时间） ，s； t np ——短路电流非周期分量发热的等值时间 （简 称非周期分量等值时间） ，s。 (1) 周期分量等值时间 t p
t np = 0.05 I ′′ /
2 I∞
第二节
载流导体短路时的发热计算
·4·
由于短路电流非周期分量衰减很快，当短路切除时间 t k >1s 时，导体的发热主要由短 路电流周期分量来决定，此时可不计非周期分量的影响。 等值时间法由于计算简单，并有一定的精度，目前仍得到广泛应用。但现有的周期分 量等值时间曲线是根据容量为 50MW 以下的发电机， 按短路电流周期分量衰减曲线的平均 值制作的，用于更大容量的发电机，势必产生误差。这时，最好采用其他方法。 例 3-3 2．实用计算法 由数值计算方法可知，任意曲线 y = f ( x) 的定积分，可采用辛卜生法近似计算，即
发电厂电气部分_第三版_习题参考答案
第一章电力系统概述1．何谓电力系统、动力系统及电力网答：电力系统是指由发电机、输配电线路、变配电所以及各种用户用电设备连接起来所构成的有机整体。
动力系统由电力系统再加上发电厂的动力部分（火电厂的锅炉、汽轮机、热力管网等；水电厂的水库、水轮机、压力管道等）构成。
电力网指在电力系统中，由各种不同电压等级的电力线路和变配电所构成的网络，简称电网。
3．何谓电力系统额定电压我国电网和用电设备的额定电压有哪些等级答：额定电压指某一受电器（电动机、电灯等）、发电机和变压器等在正常运行时具有最大经济效益的电压。
我国电网和用电设备的额定电压等级有220V、380V、3kV、6 kV、10 kV、35 kV、60 kV、110 kV、154 kV、220 kV、330 kV、500 kV、750 kV、1000 kV。
4．电能的质量指标有哪几项简要说明其内容。
答：电能的质量指标主要是频率、电压和波形三项。
;（1）频率：对大型电力系统，频率的允许范围为50Hz±，对中小电力系统，频率的允许范围是50Hz±。
（2）我国规定用户处的电压容许变化范围是：1）由35kV及以上电压供电的用户：±5％；2）由10kV及以下电压供电的高压用户和低压电力用户：±7％；3）低压照明用户：-10％～+5％。
（3）波形：电力系统供电电压或电流的标准波形是正弦波。
5．电力系统中性点有哪几种运行方式各有什么优缺点我国大体上用怎样的电压等级范围答：（1）电力系统中性点运行方式电力系统中性点运行方式有中性点不接地、直接接地、经电阻接地和经消弧线圈接地运行方式。
其中经电阻接地又分经高电阻接地、经中电阻接地和经低电阻接地三种。
中性点直接接地、经中电阻接地和经低电阻接地称为大接地电流系统；中性点不接地、经消弧线圈接地和经高电阻接地称为小接地电流系统。
（2）各运行方式的优缺点、小接地电流系统的优点：单相接地时，三相间线电压仍保持对称和大小不变，对电力用户的继续供电并无影响。
发电厂电气部分-第三章1-3节
流
Ft=EtAtD
辐射角系数
如何提高导体载流量？ 为提高导体的载流量，应采用电阻率 小的材料。 导体的形状不同，散热面不同。 导体的布置方式不同，散热效果不 同。
磁滞、涡流发热 电流 磁场 环流发热
6
3-7
(3-26)
(辛卜生近似法)
(3-29),
(3-30)
(3-28)可得
(3-31)
3-2
(3-7) (3-26)得
(3-7)
一阶固有频率：
其中： • L为绝缘子跨 距； • Nf为频率系数， 根据导体连续跨 数和支撑方式而 异。
导体发生振动时，在导体内部会产生动态应力。 对于动态应力的考虑，一般采用修正静态计算方法。 修正静态计算法：在最大电动力Fmax上乘以动态应力系数 （ 为动态应力与静态应力之比值），以求得实际动态过程 中的动态应力的最大值。 动态应力系数 与固有频率f的关系，如图3-14所示。
固有频率在中间范围内变化时， > 1 β 动态应力大； 当固有频率较低时， β < 1 当固有频率较高时， β
≈1
对于屋外配电装置中的铝管导体，取 β = 0.58
导体发生振动时，在导体内部会产生动态应力。 对于动态应力的考虑，一般采用修正静态计算方法。 修正静态计算法：在最大电动力Fmax上乘以动态应力系数 （ 为动态应力与静态应力之比值），以求得实际动态过程 中的动态应力的最大值。 动态应力系数 与固有频率f的关系，如图3-14所示。
对于重要导体，应使其固有频率在下述 范围之外： 单条导体及一组中的各条导体为 35~135Hz； 多条导体及引下线的单条导体为 35~155Hz； 槽形和管形导体为30~160Hz； 如固有频率在上述范围以外，则 β = 1
发电厂电气部分_第3章
2.导体温度的升高及热平衡式
在稳定状态时： 若 QR＋Qt ＝Qf＋Ql
则导体不会有温升 （导体温度与环境温度相等）。 （由于空气导热量很小，因此裸导体对空气的导热散热量Qd可
略去不计）。 若发热量之和QR ＋Qt ≥散热量之和 Qf ＋ Ql ，则导体温度
升高（高于环境温度），热量为Qc。
通电导体温度不升高时的热平衡式：
3.1 概 述（3）
3.1.3、发热对电气设备的影响 发热引起的主要问题：使材料的物理、化学性能起 变化，机械性能和电气性能下降，最后导致电器设 备的工作故障，甚至造成严重事故。
具体可归纳如下：
1.使绝缘材料的绝缘性能降低
有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐老化， 以致失去弹性和降低绝缘性能。
发电厂电气部分
第3章 常用计算的基本理论和方法
本章学习的主要内容
➢载流导体发热理论 ➢电动力理论 ➢电气设备及主接线的可靠性分
析 ➢主接线方案的技术经济分析
载流导体发热理论部分的相关内容
发热对电气设备的影响 长期发热和短路时发热的特点 通电导体的温升过程分析 导体的载流量和运行温度计算 短路时发热温度的计算方法及应用 大电流导体附近的钢构发热问题及解决办法 大电流封闭母线运行温度的计算
长期发热温度超过： l000C（铝）
短时发热温度超过：
1500C（铜） 2000C（铝）
2500C（铜）时，其抗拉强度 显著下降，因而可能在短路电动力的作用下变形或损 坏。
3.使导体接触部分的接触电阻增加
➢ 当发热温度超过一定值时，接触部分的弹性元 件就会因退火而压力降低，同时发热使导体表 面氧化，产生电阻率很高的氧化层（银的氧化 层电阻不大），使接触电阻增加，引起接触部 分温度继续升高，将会产生恶性循环，破坏正 常工作状态。
发电厂电气部分--第3讲
二、载流导体的短时发热计算
-----指短路开始到短路切除为止很短一段时间内导体的 发热过程。
目的：确定导体的最高温度
燃弧 时间
t K t pr t br
短路 时间 保护动 作时间
断路 器的 全开 断时
t br t in t a
断路器固有 分闸时间
1、短时发热的特点
是绝热的过程
0
Aw w
f ( A)的曲线
1 Qk Ah S2
A J /( m 4 )
2）求出Ah
3)查出θ
h
3、短路电流热效应的计算（实用计算法）
Qk I dt Q p Qnp
2 kt 0
tk
周期分量 的热效应
非周期分量 的热效应
Qp
tk
0
tk I dt ( I "2 10 I t2k I t2 ) k 12 2
导体温度变化很大，电阻和比热容随 温度而变化。
短时最高发热温度θ h 为短路电流切除时刻tk 对应的导体温度
短时均匀导体的发热过程
根据热平衡方程:
I R dt mC d
2 kt
l R 0 (1 ) S m m Sl C C 0 (1 )
C0 m 1 1 2 I dt d 2 kt 0 1 S
Ql Q f w ( w 0 ) F
对流散热量
辐射散热量
Ql l ( W 0 ) Fl 273 W 4 273 0 4 Q f 5.7 Ff 100 100
I 2 Rdt mcd w F ( w 0 )dt
发电厂电气部分第三章总结
第三章【一】、对电气主接线的基本要求一.可靠性二. 灵活性1.调度灵活2.检修安全方便3.扩建方便三. 经济性1.节约投资2.占地面积少3.年运行费用少【二】电气主接线的基本接线形式根据是否有母线，主接线的接线形式可以分为有汇流母线的电气主接线无汇流母线的电气主接线两大类。
一、有母线的基本接线形式主要体现为四种形式：1）单母线接线2）双母线接线3）一台半断路器接线4）变压器—母线组接线基本知识一：1、断路器：现场将其称为“开关”，具有灭弧作用，正常运行时可接入或断开电路，故障情况下，受继电器的作用，能将电路自动切断。
2、隔离开关：可辅助切换操作，或用以与带电部分可靠地隔离。
3、母线：起汇集和分配电能的作用。
4、操作时：1）先合上隔离开关，后合上断路器；2）先拉开断路器，后拉开隔离开关；3）对于断路器两端的隔离开关：①先合上电源侧的隔离开关，后合上负荷侧的隔离开关；②先拉开负荷侧的隔离开关，后拉开电源侧的隔离开关基本知识二1、同一回路中在断路器可能出现电源的一侧或两侧均应配置隔离开关，以便检修断路器时隔离电源。
2、若馈线的用户侧无电源时，断路器通往用户的那一侧，可以不装设线路隔离开关。
若费用不大，为阻止过电压的侵入，也可装设。
3、若电源是发电机，则发电机与其出口断路器之间可不装隔离开关。
但为了便于对发电机单独进行调整和试验，也可装设隔离开关或设置可拆连接点。
图3-1、3-2、3-3、3-4、3-6、3-7、3-8、3-9、3-12、3-16、3-17、3-18及原理旁路母线和旁路断路器的作用：检修任一进出线断路器时，代替其工作，不中断对该回路的供电。
绝不是（母线检修时代替其工作）一台半断路器接线的线路配置原则：同名回路尽量不要布置在同一串上；当只有两串时一般采用交叉连接形式，以提高可靠性。
一台半断路器接线的应用：大机组，超高压。
二、无母线【三】发电机出口也有装设断路器的其理由是：（1）发电机组解、并列时，可减少主变压器高压侧断路器操作次数，特别是500kV或220kV为一台半断路器接线时，能始终保持一串内的完整性。
发电厂电气部分(第四版)课件
电率增高。
（7）火电厂的各种排放物（如烟气、灰渣和废水）对环境的污染较大。
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发电厂电气部分
四、火电厂对环境的影响及处理措施
火电厂生产时的污染排放主要是烟气污染物排放、灰渣排放和废水排放，其中烟气 中的粉尘、硫氧化物和氮氧化物经过烟囱排入大气，这些一次污染物通过在大气中的 迁移、转化生成二次污染物，会给环境造成很大的危害。 处理措施： （1）废水：净化，回收再利用 （2）烟气：除尘，脱硫 （3）灰渣：综合利用
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发电厂电气部分
燃烧系统包括如下子系统：
（1）运煤系统。
（2）磨煤系统。 （3）燃烧系统。 （4）风烟系统。 （5）灰渣系统。
（二）汽水系统
火电厂的汽水系统由锅炉、汽轮机、凝汽器、除氧器、加热器等设备及管道构成 ，包括给水系统、循环水系统和补充给水系统，如图1-3所示。
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发电厂电气部分
(二）能源分类
（1）一次能源和二次能源 （2）常规能源和新能源 （3）可再生能源和非再生能源 （4）含能体能源和过程性能源
（5）清洁能源和非清洁能源
三、能源资源
（1）煤炭
（2）水能资源 （3）其他能源 （4）电能
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发电厂电气部分
四、电能
电能与其他形式的能源相比，其特点有：
热能转变为机械能，称为汽水系统；
（3）电气系统：超由汽轮机转子旋转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；
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图1-1凝汽式发电厂生产过程示意图
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（一）燃烧系统
发电厂电气部分第三章习题解答
第三章导体的发热与电动力3-1 研究导体与电气设备的发热有何意义？长期发热与短时发热各有何特点？答：电流将产生损耗，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，发热与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 为什么要规定导体与电气设备的发热允许温度？短时发热允许温度与长期发热允许温度是否相同，为什么？答：导体连接部分与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,形成涡流与磁滞损耗；绝缘材料在电场作用下产生损耗，如： tg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与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↑→↑→I2恶性循环R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：电流应采取哪些措施？答：是根据导体的稳定温升确定的。
为了载流量，宜采用电阻率小的材料，如铝与铝合金等；导体的形状，在同样截面积的条件下，圆形导体的表面积较小，而矩形与槽形的表面积则较大。
导体的布置应采用散热效果最最佳的方式。
3-4 为什么要计算导体短时发热最高温度？如何计算？答：载流导体短路时发热计算的目的在于确定短路时导体的最高温度不应超过所规定导体短路时发热允许温度。
当满足这个条件时，则认为导体在短路时，是具有热稳定性的。
计算方法如下：1）有已知的导体初始温度θw；从相应的导体材料的曲线上查出A w；2）将A w与Q k值代入式：1/S2Q k=Ah-Aw求出A h；3）由A h再从曲线上查得θh值。
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F—导体的散热面积，m2
α w—对流、辐射复合散热总散热系数。
热平衡式（3－12）的求解与分析
长期发热温升的特点
由
这就是长期发热温升的特点
2.导体载流量的计算
稳定温升为：
可见：导体（或电器）的载流量与其材料、有效截面积、环境温度、 散热条件、是否受日照等因素有关，这就是额定电流的由来。
提高导体的载流量措施
导体的发热： 来自导体电阻损耗的热量；日照 （当导体放置在露天时）。
热量的耗散有：
①对流、②辐射、③导热三种形式。
1.导体的发热和散热－续1
发热量和散热量计算式 发热量计算式
导体电阻损耗引起的发热量QR 吸收太阳辐射的热量Qt
散热量计算式
导体对周围辐射散热量Qf 空气对流使导体散去的热量Ql
2.导体温度的升高及热平衡式
机械强度将显著下降。
长期发热温度超过： 短时发热温度超过：
例如当
l000C（铝） 1500C（铜） 2000C（铝） 2500C（铜）时，其抗拉强度
显著下降，因而可能在短路电动力的作用下变形或损 坏。
3.使导体接触部分的接触电阻增加
当发热温度超过一定值时，接触部分的弹性元
件就会因退火而压力降低，同时发热使导体表
发电厂电气部分
第 3章
常用计算的基本理论和方法
本章学习的主要内容
载流导体发热理论 电动力理论 电气设备及主接线的可靠性分
析 主接线方案的技术经济分析
载流导体发热理论部分的相关内容
发热对电气设备的影响
长期发热和短路时发热的特点 通电导体的温升过程分析 导体的载流量和运行温度计算 短路时发热温度的计算方法及应用
大电流导体附近的钢构发热问题及解决办法
大电流封闭母线运行温度的计算
电动力理论
两平行载流导体上受到的电动力及其计算
三相导体短路时的受力情况进行分析 三相导体短路时的最大短路电动力计算 导体振动的动态应力分析及计算 分相封闭母线的电动力计算
3.1 概 述（1）
3.1.1 运行中的电气设备发热的致因
外壳的自然对流散热量
封闭母线及其结构
发－变组之间的引出线采用敞露式，容易受到外界的影
响，如表面积灰和发生相间短路等，使运行可靠性降低。
我国20万一90万kW机组的母线，已广泛采用全连式分相 封闭母线，称为大电流封闭母线。
全连式分相封闭母线结构：母线由铝管制成，每相母线
各封装在单独的外壳内，外壳两端用短路板连接起来。 其结构参见图3一8所示
面氧化，产生电阻率很高的氧化层（银的氧化
层电阻不大），使接触电阻增加，引起接触部
分温度继续升高，将会产生恶性循环，破坏正 常工作状态。
3.1.4 保证导体可靠地工作最高允许温度
为了保证电器设备在工作年限内可靠工作，必须限制各 种材料的发热温度，使其不超过一定数值，这个温度就 是最高允许发热 温度，简称最高允许温度 同，作用不同，允许的a不同。通常设：
（1）通电导体电阻损耗的热量QR的计算
常用电工材料的电阻率及电阻温度系数如 表3一1所示。
导体的集肤效应系数
导体的集肤效应系
数与电流的频率、导 体的形状和尺寸有关。
矩形截面导体的集肤 效应系数，如图3－1 所示。
导体的集肤效应系数2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
圆柱及圆管导体的 集肤效应系数，如 图3－2所示。图中
P68）
大电流封闭母线运行温度计算 （工程曲线的应用）
1）外壳的总散热曲线 如图3一9所示。 将式（(3-26)、式(3-27) 式（3-28）相加起来，即 得:
Q
f ( s )
s
计算出Σ Qs即可查曲线得 θ s
Σ Qs＝Σ QR＝ QwR ＋QsR
2）母线的总散热曲线 如图3 一10所示。利用式（(3一 24）和式（(3一25)，并假 定母线温度。，＝85 9C， 便可得到：
减少钢构热损耗和发热的常用措施（续2）
（4）采用分相封闭母线。
如图3一7所示，每 相母线分别用铝质外壳 包住，外壳上的涡流和 环流能起双重屏蔽作用， 壳内和壳外磁场均大大 降低，从而使附近钢构 发热得到较好改善。
4.大电流封闭母线运行温度的计算
主要内容： （1）大电流封闭母线（全连式分相封闭母线）的使用场合； （P65） （2）分相封闭母线的优点；（P65） （3）大电流封闭母线的发热和散热的计算式； （4）大电流封闭母线运行温度的计算。
a
。材料不
周围空气温度为0；
零部件温度为 ；当零部件温度 0时，则温升 ＝ －
0；
按标准，0取最不利的情况：+40℃
1.导体正常工作时最高允许温 a
一般不超过 ＋70 0C；
在计及太阳辐射（日照）的影响时： 钢芯铝绞线及管形导体，可按不超过＋80℃来考 虑； 当导体接触面处有镀（搪）锡的可靠覆盖层时：允许提高
1.长期发热——由正常工作电流产生。
2.短时发热——由故障时的短路电流产生。
3.1 概 述（3）
3.1.3、发热对电气设备的影响 发热引起的主要问题：使材料的物理、化学性能起
变化，机械性能和电气性能下降，最后导致电器设
备的工作故障，甚至造成严重事故。 具体可归纳如下：
1.使绝缘材料的绝缘性能降低
Q
W 85
Q
wr 85
Q
wc 85
f ( s )
算出θ s即可由曲线查出
Σ Qw85
3 ）Σ
Δ Qw，与θ w，的关系
曲线如图3一11所示
Σ Δ Qw＝ Σ Qw－ Σ Qw85 Σ Qw ＝QwR QwR
、QsR为母线的发热损
分相封闭母线的优、缺点 2
缺点：
①母线散热条件较差； ②外壳上产生损耗；
③金属消耗量增加。
1）封闭母线的发热
2）封闭母线的散热
（2）大电流封闭母线运行温度的计算
根据前述的封闭母线的发热和散热计算 式，列出热平衡方程式解出母线运行温 度θw。
工程算法是利用三条工程曲线（参见P67、
减少钢构热损耗和发热的常用措施
（1）加大钢构和导体之间的距离 使磁场强度减弱，因而可降低涡流 和磁滞损耗。 （2）断开钢构回路，并加上绝缘垫 消除环流。
减少钢构热损耗和发热的常用措施（续1）
（3）采用电磁屏蔽
在磁场强度H最大的部位套 上短路环（铝环或铜环），利
用短路环中感应电流的去磁作
用以降低导体的磁场，如图3 一6所示； 在导体与钢构之间安置屏 蔽栅，栅中的电流亦可使磁场 削弱。
当导体的材料、尺寸、散热条件确定之后，导体的载流量亦随之确定（电气设备额定电 流的确定为同理）。
增加
I
w
F ( w 0) R
Q Q
l
f
（3－20）
R
I
Q Q Q
l f
t
R
（3－21）
式中的分子，减小其分母可提高导体的载流量，通常的措施有： 采用电阻率小的材料，如铝、铝合金等。
在同样截面积的条件下，采用表面积较大得导体的形状（圆形导体的表面积较小，而
矩形、槽形的表面积则较大）。 导体布置应采取散热效果最佳的方式（而矩形截面导体竖放的散热效果比平放的要 好）。
3.大电流附近的钢构发热
刚构发热的原因：磁滞、涡流损耗。
导体电流大于3000A时，附近的的措施
不容忽视。
有机绝缘材料长期受到高温作用，将逐渐老化，
以致失去弹性和降低绝缘性能。
绝缘材料老化的速度与使用时的温度有关。
因此，对不同等级的绝缘材料，根据其耐热的
性能和使用年限的要求，应规定相应使用温度。
在使用过程中如超过这一温度，绝缘材料将 加速老化，大大缩短使用寿命。
2.使金属材料的机械强度下降
当使用温度超过规定允许值后，由于退火，金属材料
f为电源频率，Rdc,
为100m长导体的直
流电阻。
（2）导体吸收太阳辐射的热量Qt计算
（3）导体对流散热量Ql计算
1）自然对流散热系数
2）强迫对流散热系数
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。 导体片（条）间距离越近，对流条件就越差，故有效面积应 相应减小。
以下是几种常用导体（如图3一3所示）的对流散热面积。
然对流散热）
（1）大电流封闭母线的发热和散热
1）封闭母线的发热计算
母线导体的发热损耗计算
母线外壳的发热损耗计算
（1）大电流封闭母线的发热和散热－续1
2）封闭母线的散热
母线的散热量计算
母线向外壳的辐射散热量
母线向外壳的对流散热量
外壳的散热量计算
中间相（B相）外 壳的辐射散热量 外边相（A、C相）外 壳的辐射散热量
3.2.2短时发热计算
学习长期发热计算后应了解和掌握的内容
1.导体正常工作时的温升过程分析与计算 2.长期发热温升的特点 3.导体载流量的计算 4.大电流附近的钢构发热
5.大电流封闭母线运行温度的计算
学习短时发热计算后应了解和掌握的内容
1.计算短时发热的目的
2.导体短路时的发热分析过程 3.短路电流热效应的计算方法
（采用工程算法——利用外壳总散热曲线、母线85 0C时的总散热
曲线、母线散热差值与母线实际温度的关系曲线）
（1）大电流封闭母线的发热和散热
1）封闭母线的发热
◆母线导体的发热损耗计算
◆母线外壳的发热损耗计算
2）封闭母线的散热 ◆母线的散热量计算（母线向外壳的辐射散热和对流散