CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN - CHƯƠNG 6 SỰ PHÁT NÓNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN potx

CHƯƠNG 6
SỰ PHÁT NÓNG CỦA
THIẾT BỊ ĐIỆN


CHƯƠNG 6: SỰ PHÁT NÓNG CỦA TBỊ ĐIỆN
6.1. khái niệm chung
6.2. Các dạng tổn hao trong thiết bị điện.
6.3. Các phương pháp trao đổi nhiệt.
6.4. Qúa trình phát nóng của vật thể đồng chất khi
làm việc dài hạn.
6.5. Qúa trình phát nóng của vật thể đồng chất khi
làm việc ngắn hạn.
6.6. Qúa trình phát nóng của vật thể đồng chất khi
làm việc ngắn hạn lặp lại.
6.7. Qúa trình phát nóng khi ngắn mạch

6.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của TBĐ như: mạch
vòng dẫn điện, mạch từ, các chi tiết bằng kim loại và cách điện đều
có tổn hao năng lượng tác dụng và biến thành nhiệt năng.
Một phần của nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của TBĐ, còn
1 phần khác tỏa ra môi trường xung quanh.
Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ của thiết bị không tăng lên
nữa mà đạt trị số ổn định, còn toàn bộ nhiệt năng tỏa ra môi trường
xung quanh.
Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thì cách điện bị già hóa và độ
bền cơ của các chi tiết bị suy giảm.

6.1. KHÁI NIỆM CHUNG

Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 8
o
C so với nhiệt độ
cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của cách điện giảm 50%.
Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng nhiệt độ
từ 100
o
C đến 250
o
C thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của
chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm
hư hỏng thiết bị.
Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát
nóng của chúng.
Dựa vào mức độ chịu nhiệt của Vliệu cách điện, ta có các cấp
cách điện:
Cấp cách điện
Y A E B F H C
Nhiệt độ cho
phép (ºC)
90 105 120 130 155 180 >180

6.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Trong tính toán phát nóng TBĐ thường dùng một số khái
niệm như sau :
θ
o
: nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi
trường.
θ : nhiệt độ phát nóng

τ = θ - θ
o
: là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường , ở
vùng ôn đới cho phép τ = 35
0
C, vùng nhiệt đới τ = 50
0
C. Sự phát
nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc.
τ
ôđ
= θ
ôđ
- θ
o
: độ chênh nhiệt độ ổn định.

6.2. CÁC DẠNG TỔN HAO
Trong TBĐ có các dạng tổn hao năng lượng chính
sau :
6.2.1. Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện,
6.2.2. Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ
6.2.3. Tổn hao điện môi.

6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN
Năng lượng tổn hao trong dây dẫn do dòng điện i đi
qua trong thời gian t được tính theo công thức sau :
R ϵ vào ρ, kích thước dây dẫn, ngoài ra còn phụ thuộc
vào tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn nằm đơn độc hay
gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua.

- Nếu dây dẫn có ρ, l, S và có dòng 1 chiều chạy qua thì
điện trở của nó:
∫
=
t
RdtiW
0
2
S
l
ρR =
−
(6.1)
(6.2)

6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN
- Khi dòng xoay chiều đi qua sẽ gây hiệu ứng mặt
ngoài làm cho đtrở dây dẫn tăng:
Trong đó: là đtrở 1 chiều; là đtrở xchiều.
là hệ số tính đến hiệu ứng mặt ngoài (tra bảng)
(ϵ kthước dây, ρ và ƒ)
- Khi 2 dây dẫn đặt gần nhau có dđiện chạy qua, từ
trường của dây dẫn này tác dụng với dđiện của ddẫn kia
làm thay đổi sự phân bố của dđiện trong ddẫn nên đtrở
cũng thay đổi. Gọi htượng này hiệu ứng gần: Kg
−
= .RKR
m~1
−
R

~1
R
1
>
m
K
(6.3)

6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN
- Trong đó: là đtrở của ddẫn khi nó đặt gần ddẫn khác.
là đtrở của ddẫn khi đặt đơn độc.
Kg ϵ kthước dây, ρ, ƒ và khoảng cách giữa 2 dây.(tra bảng)
- KL: Nếu kể cả hiệu ứng mặt ngoài và hiệu ứng gần thì
gây ra tổn hao phụ và bằng:
~1
~2
g
R
R
K =
~2
R
~1
R
mg
~1
~1
~2
-
~2

ph
.KK
R
R
.
R
R
R
R
K ===
−
(6.5)
(6.4)

6.2.2. TN HAO TRONG CC PHN T ST T
Nu cỏc phn t st t nm trong vựng t trng
bin thiờn thỡ trong chỳng s cú tn hao do t tr v dũng
in xoỏy to ra v tớnh theo cthc:
Trong đó: - PFe: Tổn hao sắt từ (W).
- B
m
: Trị số biên độ của từ cảm (T).
- f: Tần số từ tr&ờng (Hz).
- KT,KX: Hệ số tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy.
KT= ( 1,9 ữ 2,6 ); KX = ( 0,4 ữ 1,2 )
- G: Khối l&ợng của mạch từ ( kg ).
KL: Nh& vậy tổn hao sắt từ phụ thuộc vào tần số, từ cảm
và điện trở xoáy của vật liệu.
GfBfKBK
mXmT

.) (P
26,1
Fe
+=
(6.6)

6.2.2. TN HAO TRONG CC PHN T ST T
- Trong tr&ờng hợp đơn giản có thể tính :
PFe = p0 . G
p0: suất tổn hao sắt từ (W/kg ).
- Để giảm tổn hao trong các chi tiết sắt từ dạng khối, ng&
ời ta sử dụng các biện pháp sau:
+ Tạo khe hở phi từ tính theo đ&ờng đi của từ thông để
tăng từ trở, giảm từ thông (giảm B
m
) - bằng cách cắt
mạch từ ra, sau hàn lại bằng đồng.
+ Đặt thêm vòng ngắn mạch để tăng từ kháng, giảm từ
thông.
+ Với các chi tiết cho thiết bị có dòng điện lớn hơn 1000
A, đ&ợc chế tạo bằng vật liệu phi từ tính nh&: gang, thép
không dẫn từ .
(6.7)

6.2.3. TN HAO TRONG VT LIU CCH IN
-
D&ới tác dụng của điện tr&ờng biến thiên, trong vật liệu
cách điện sinh ra tổn hao điện môi.
Trong đó: P là công suất tổn hao (W).
f là tần số của điện tr&ờng (Hz)

U là điện áp (V)
tg là tang của góc tổn hao điện môi, phụ thuộc vào điện
áp và đ&ợc cho ở hỡnh
- KL: Tn hao in mụi ch ỏng k khi in ỏp cao.

tg f.U2P
2
=
U
tg

Hình 6.1
(6.7)

6.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
Nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến
nơi có nhiệt độ thấp hơn theo ba cách:
6.3.1. Dẫn nhiệt
6.3.2. Đối lưu
6.3.3. Bức xạ.

6.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
6.3.1. Dẫn nhiệt
- Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử có tiếp
xúc trực tiếp, do chuyển động nhiệt của các nguyên tử và
phân tử cấu tạo vật chất tạo nên.
-
Quá trình này được biểu diễn bằng pt Fourier:
Trong đó: d
2

Q là nhệt lượng truyền qua bề mặt dS theo hướng
x bằng dẫn nhiệt, λ là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu; θ là nhiệt
độ; dt là thời gian truyền nhiệt.
-
Đại lượng là gradient nhiệt độ theo hướng truyền
nhiệt x, vuông góc với bề mặt truyền nhiệt dS.
-
Dấu “-” biểu thị nhiệt năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao
đến nơi có nhiệt độ thấp, ngược chiều với gradient nhiệt độ.
dtdS
x
Qd .
2
∂
∂
−=
θ
λ
x
∂∂
/
θ
(6.8)

6.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
6.3.2. Đối lưu
- Đối lưu là quá trình truyền nhiệt trong chất lỏng, chất khí,
gắn liền với sự chuyển động của các phần tử mang nhiệt từ
nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.
-

Có 2 dạng đối lưu: Đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức.
-
Quá trình này được biểu diễn bằng pt:
Trong đó: Фc là nhệt lượng truyền qua bề mặt Sc trong thời
gian 1 giây, (W)
-
α
c
là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu (lấy theo công thức kinh
ngiệm SGK [1]). W/m
2
.deg
-
θ
2
,

θ
1
là nđộ bề mặt tỏa nhiệt và nđộ môi trường (ºC)
-
Sc là diện tích bề mặt tỏa nhiệt (m
2
)
c12cc
)Sθ(θαΦ −=
(6.9)

6.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI NHIỆT
6.3.3. Bức xạ nhiệt

- Bức xạ nhiệt là quá trình tỏa nhiệt của vật thể nóng ra môi
trường xung quanh bằng phát xạ sóng điện từ.
-
Nhiệt năng truyền bằng bức xạ được tính theo cthức Stefan-
Boltzmann:
Trong đó: Фr là nhệt lượng truyền bằng bức xạ trong thời gian
1 giây qua bề mặt bức xạ S
r
[m
2
] , Фr (W)
-
C
0
= 5,7.10
4
W/m
2
ºK
4
là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
-
T
2
,

T
1
là nđộ của bề mặt bức xạ và của môi trường, (ºK)
-

ε là hệ số đen của bề mặt bức xạ.
r
4
1
4
2
0r
S
1000
T
1000
T
εCΦ














−







=
(6.10)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
- Chế độ làm việc dài hạn là chế độ làm việc của thiết bị
điện với thời gian dài tùy ý nhưng không ngắn hơn thời
gian để nhiệt độ phát nóng đạt tới giá trị ổn định.
- Vật thể đồng chất: là vật thể mà mọi hiện tượng về
nhiệt xảy ra tại mọi chổ trong vật thể là như nhau. (trong
vật thể không có quá trình truyền nhiệt.

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn
hao một công suất P và trong thời gian dt sẽ gây ra một
nhiệt lượng:
Q = P.dt = RI
2
dt
Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:

Đốt nóng vật dẫn Q
1
= G.C.dτ


Tỏa ra môi trường xung quanh
Q
2
= S α.τ.dt.
Hay : Q = Q
1
+ Q
2
(6.11)
(6.12)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát
nóng:
P.dt = G.C. dτ + S α.τ.dt. (6.13)
Trong đó:
G : là khối lượng vật dẫn (g)
C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g)
τ : là độ chênh nhiệt (0
0
C)
α : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm
2
)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
Từ (6.13), Ta có phương trình:
Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0

thì độ chênh nhiệt ban đầu là τ
0
, ta được:
Đặt là hằng số thời gian phát nóng :
độ chênh (tăng) nhiệt ổn định.
τ
ατ
.
.
.
. CG
S
dt
d
CG
P
+=
t
GC
S
t
GC
S
ee
S
P
αα
τ
α
τ

−−
+








−=
0
1
.
α
.
.
S
CG
T =
od
S
P
τ
α
=
.
(6.14)

6.4. QU TRèNH PHT NểNG CA VT TH NG

CHT KHI LM VIC DI HN
T (6.14), Ta cú:
õy l pt biu din s phỏt
núng ca vt dn khi lm
vic di hn: = f(t), (1)
Khi t = 0 m
0
= 0 thỡ: (2)
T
t
T
t
od
ee


+






=
0
1

=

T
t
od
e1.



ọõ

0
0.632
ọõ
(3)
t[s]
(1)
(2)
0
T
A
B
Hỗnh 6.2: Phaùt noùng daỡi
haỷn
(6.15)

QUÁ TRÌNH LÀM NGUỘI CỦA THIẾT BỊ
Khi ngắt dòng điện (I = 0), quá trình phát nóng chấm dứt
và quá trình nguội lạnh bắt đầu xảy ra, nghĩa là P.dt = 0,
ta có phương trình nguội lạnh : I
2
R.dt = 0
Và : G.C. dτ + S α τ dt = 0
nên có:
Giải ta có:
Đây là pt nguội lạnh của vật dẫn. (đường (3))
(6.16)
T
t
od
e
−
= .
ττ
(6.17)
0.
.
=+
τ
ατ
GC
S
dt
d

6.5. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC NGẮN HẠN
Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc của
thiết bị điện với thời gian đủ ngắn để nhiệt độ phát nóng
của nó chưa đạt tới giá trị ổn định, sau đó ngưng làm việc
trong thời gian đủ lớn để nhiệt độ của nó hạ xuống tới
nhiệt độ môi trường.

6.5. QU TRèNH PHT NểNG CA VT TH
NG CHT KHI LM VIC NGN HN
- Xột 1 vt dn cú tng
nhit l
o
khi lvic di hn thỡ
phỏt núng theo ng cong (1):
P
m
= S.
o

- Nu cho vt dn lm vic
ngn hn:
Sau thi gian t
lv
=
1
: ta cú
cụng sut ta nhit:

max

o

1
0
t[s]
t
lv
1
2
3
Hỗnh 6.3 : Phaùt noùng khi ngừn haỷn
M
P
1
= S.
1
v theo ng (OM). Sau ú vt dn ngh v
ngui lnh.
- Do
1
<
o
P
1
< P
m
. Ngha l vt dn ang non ti
cha tn dng ht kh nng chu nhit ca vt dn.

(6.18)

6.5. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC NGẮN HẠN
-
Cho nên ta phải nâng phụ tải đến P
ngắn hạn
(Csuất ngắn
hạn).
-
Với điều kiện sau thời gian t
lv
với công suất ngắn hạn
này độ tăng nhiệt của vật dẫn τ
ođ
. Khi đó vật dẫn sẽ phát
nóng theo đường (2).
-

Ta có: công suất ngắn hạn: P
ng
= α S. τ
max
- Theo (6.15) pt đường (2) là:

- Sau tgian t
lv
thì vật dẫn nghỉ → vật dẫn nguội lạnh theo
(6.17) ta có pt:
)1(

max
T
t
ođ
e
−
−=
ττ
T
t
ođ
e
−
=
max
ττ
(6.20)
(6.21)
(6.19)