CHƯƠNG 6: SỰ PHÁT NÓNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN pps

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
tr ng thái l m vi c, trong các b ph n c a TB nh : m ch vòng d n i n, m ch t , các chi ti t b ng kim Ở ạ à ệ ộ ậ ủ Đ ư ạ ẫ đệ ạ ừ ế ằ
lo i v cách i n u có t n hao n ng l ng tác d ng v bi n th nh nhi t n ng. ạ à đệ đề ổ ă ượ ụ à ế à ệ ă
M t ph n c a nhi t n ng n y l m t ng nhi t c a TB , còn 1 ph n khác t a ra môi tr ng xung quanh.ộ ầ ủ ệ ă à à ă ệ độ ủ Đ ầ ỏ ườ
ch xác l p nhi t, nhi t c a thi t b không t ng lên n a m t tr s n nh, còn to n b nhi t n ng t a Ở ếđộ ậ ệ ệ độ ủ ế ị ă ữ àđạ ị ốổ đị à ộ ệ ă ỏ
ra môi tr ng xung quanh.ườ
N u nhi t c a TB t ng cao thì cách i n b gi hóa v b n c c a các chi ti t b suy gi m.ế ệ độ ủ Đ ă đệ ị à àđộ ề ơ ủ ế ị ả

6.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Khi t ng nhi t c a v t li u cách i n lên 8ă ệ độ ủ ậ ệ đ ệ
o
C so v i nhi t cho phép ch d i h n thì tu i th c a ớ ệ độ ở ếđộ à ạ ổ ọ ủ
cách i n gi m 50%.đ ệ ả
V i v t li u d n i n thông d ng nh t l Cu, n u t ng nhi t t 100ớ ậ ệ ẫ đệ ụ ấ à ế ă ệ độ ừ
o
C n 250đế
o

C thì b n c gi m độ ề ơ ả
40%, khi b n c c a chúng gi m nên l c i n ng trong tr ng h p ng n m ch s l m h h ng thi t b .độ ề ơ ủ ả ự đệ độ ườ ợ ắ ạ ẽ à ư ỏ ế ị
Do v y tin c y c a thi t b ph thu c v o nhi t phát nóng c a chúng.ậ độ ậ ủ ế ị ụ ộ à ệ độ ủ
D a v o m c ch u nhi t c a Vli u cách i n, ta có các c p cách i n:ự à ứ độ ị ệ ủ ệ đệ ấ đệ
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 TB th ng dùng m t s khái ni m nh sau :Đ ườ ộ ố ệ ư
θo : nhi t phát nóng ban u, th ng l y b ng nhi t môi tr ng.ệ độ đầ ườ ấ ằ ệ độ ườ
θ : nhi t phát nóng ệ độ
τ = θ - θo : l chênh nhi t so v i nhi t môi tr ng , vùng ôn i cho phép à độ ệ ớ ệ độ ườ ở đớ τ = 35
0
C, vùng nhi t ệ
i đớ τ = 50
0
C. S phát nóng thi t b i n còn tùy thu c v o ch l m vi c. ự ế ị đệ ộ à ếđộ à ệ
τôđ = θôđ - θo : chênh nhi t n nh.độ ệ độổ đị

6.2. CÁC DẠNG TỔN HAO
Trong TB có các d ng t n hao n ng l ng chính sau : Đ ạ ổ ă ượ
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
N ng l ng t n hao trong dây d n do dòng i n i i qua trong th i gian t c tính theo ă ượ ổ ẫ đệ đ ờ đượ

công th c sau :ứ
R ϵ v o à ρ, kích th c dây d n, ngo i ra còn ph thu c v o t n s dòng i n, v trí c a dây d n ướ ẫ à ụ ộ à ầ ố đệ ị ủ ẫ
n m n c hay g n dây d n khác có dòng i n i qua.ằ đơ độ ầ ẫ đệ đ
- N u dây d n có ế ẫ ρ, l, S v có dòng 1 chi u ch y qua thì i n tr c a nó: à ề ạ đệ ở ủ
∫
=
t
RdtiW
0
2
S
l
ρR =
−
(6.1)

6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN
- Khi dòng xoay chi u i qua s gây hi u ng m t ngo i l m cho tr dây d n t ng:ề đ ẽ ệ ứ ặ à à đ ở ẫ ă
Trong ó: l tr 1 chi u; l tr xchi u.đ àđ ở ề àđ ở ề
l h s tính n hi u ng m t ngo i (tra b ng)à ệ ố đế ệ ứ ặ à ả
(ϵ kth c dây, ướ ρ v )à ƒ
- Khi 2 dây d n t g n nhau có d i n ch y qua, t tr ng c a dây d n n y tác d ng v i d i n c a ẫ đặ ầ đệ ạ ừ ườ ủ ẫ à ụ ớ đệ ủ
dd n kia l m thay i s phân b c a d i n trong dd n nên tr c ng thay i. G i ht ng n y ẫ à đổ ự ố ủ đệ ẫ đ ở ũ đổ ọ ượ à
hi u ng g n: Kgệ ứ ầ
−
= .RKR
m~1
−
R
~1

R
1>
m
K

6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN
-
Trong ó: l tr c a dd n khi nó t g n dd n khác. đ àđ ở ủ ẫ đặ ầ ẫ
l tr c a dd n khi t n c.àđ ở ủ ẫ đặ đơ độ
Kg ϵ kth c dây, ướ ρ, v kho ng cách gi a 2 dây.(tra b ng)ƒ à ả ữ ả
- KL: N u k c hi u ng m t ngo i v hi u ng g n thì gây ra t n hao ph v b ng: ế ể ả ệ ứ ặ à à ệ ứ ầ ổ ụ à ằ
~1
~2
g
R
R
K =
~2
R
~1
R
mg
~1
~1
~2
-
~2
ph
.KK
R

R
.
R
R
R
R
K ===
−
(6.2)

6.2.2. TN HAO TRONG CC PHN T ST T
N u cỏc ph n t s t t n m trong vựng t tr ng bi n thiờn thỡ trong chỳng s cú t n hao
do t tr v dũng i n xoỏy t o ra v tớnh theo cth c:

Trong đó: - P
Fe
: Tổn hao sắt từ (W).
- Bm: Trị số biên độ của từ cảm (T).
- f: Tần số từ tr ờng (Hz).
- K
T
,K
X
: Hệ số tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy.
K
T
= ( 1,9 ữ 2,6 ); K
X
= ( 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
+=
(6.3)

6.2.2. TN HAO TRONG CC PHN T ST T
-
Trong tr ờng hợp đơn giản có thể tính :
P
Fe
= p
0
. G
p
0
: 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 Bm) - 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.

6.2.3. 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: T n hao i n mụi ch ỏng k khi i n ỏp cao.

tg f.U2P
2
=
U
tg

Hình 6.1
(6.4)

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
(6.5)

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: Ф
c
là nhệt lượng truyền qua bề mặt S
c
trong thời gian 1 giây, (W)
-
αc là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu (lấy theo công thức kinh ngiệm SGK [1]). W/m
2
.deg
-
θ2 , θ1 là nđộ bề mặt tỏa nhiệt và nđộ môi trường (ºC)
-
S
c
là diện tích bề mặt tỏa nhiệt (m
2
)
c12cc
)Sθ(θαΦ −=
(6.6)

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: Ф
r
là nhệt lượng truyền bằng bức xạ trong thời gian 1 giây qua bề mặt bức xạ Sr [m
2
] , Ф
r
(W)
-
C0 = 5,7.10
4
W/m
2
ºK
4
là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
-
T2 , T1 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














−






=
(6.7)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
- Ch l m vi c d i h n l ch l m vi c c a thi t b i n v i th i gian d i tùy ý nh ng không ếđộ à ệ à ạ à ếđộ à ệ ủ ế ị đệ ớ ờ à ư
ng n h n th i gian nhi t phát nóng t t i giá tr n nh.ắ ơ ờ để ệ độ đạ ớ ị ổ đị
- V t th ng ch t: l v t th m m i hi n t ng v nhi t x y ra t i m i ch trong v t th l nh ậ ể đồ ấ à ậ ể à ọ ệ ượ ề ệ ả ạ ọ ổ ậ ể à ư

nhau. (trong v t th không có quá trình truy n nhi t.ậ ể ề ệ

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
Khi có dòng i n I ch y trong v t d n s gây ra t n hao m t công su t P v trong th i gian đệ ạ ậ ẫ ẽ ổ ộ ấ à ờ
dt s gây ra m t nhi t l ng:ẽ ộ ệ ượ
Q = P.dt = RI
2
dt Nhi t ệ
l ng hao t n n y bao g m hai ph n:ượ ổ à ồ ầ

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
(6.8)
(6.9)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
Ta có ph ng trình cân b ng nhi t c a quá trình phát nóng:ươ ằ ệ ủ
P.dt = G.C. dτ + S α.τ.dt.

(6.10)
Trong ó:đ
G : l kh i l ng v t d n (g)à ố ượ ậ ẫ
C : l t nhi t v t d n t a nhi t ( J/g)à ỉ ệ ậ ẫ ỏ ệ
τ : l chênh nhi t (0à độ ệ
0
C)
α : l h s t a nhi t (W/cmà ệ ố ỏ ệ
2
)

6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG
CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN
T ừ
(6.10),
Ta có ph ng trình:ươ
Gi i ph ng trình vi phân trên v i i u ki n t i t = 0 thì chênh nhi t ban u l ả ươ ớ đề ệ ạ độ ệ đầ à τ0, ta
c: đượ
t l h ng s th i gian phát nóng : Đặ à ằ ố ờ
chênh (t ng) nhi t n nh. độ ă ệ ổ đị
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
=
.
(6.11)

6.4. QU TRèNH PHT NểNG CA VT TH NG
CHT KHI LM VIC DI HN
T (6.11), Ta cú:
õy l pt bi u di n s phỏt núng c a v t d n khi
l m vi c d i h n: = 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
(6.12)

QUÁ TRÌNH LÀM NGUỘI CỦA THIẾT BỊ
Khi ng t dòng i n (I = 0), quá trình phát nóng ch m d t v quá trình ngu i l nh b t u x y ra, ắ đệ ấ ứ à ộ ạ ắ đầ ả
ngh a l P.dt = 0, ta có ph ng trình ngu i l nh : Iĩ à ươ ộ ạ
2
R.dt = 0
V : G.C. dà τ + S α τ dt = 0
nên có:
Gi i ta có: ả
ây l pt ngu i l nh c a v t d n. ( ng (3)) Đ à ộ ạ ủ ậ ẫ đườ
(6.13)
T
t
od
e
−
= .
ττ

(6.14)
0.
.
=+
τ
ατ
GC
S
dt
d

6.5. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC NGẮN HẠN
Ch l m vi c ng n h n l ch l m vi c c a thi t b i n v i th i gian ng n ếđộ à ệ ắ ạ à ế độ à ệ ủ ế ị đệ ớ ờ đủ ắ để
nhi t phát nóng c a nó ch a t t i giá tr n nh, sau ó ng ng l m vi c trong th i gian l n ệ độ ủ ư đạ ớ ị ổ đị đ ư à ệ ờ đủ ớ
nhi t c a nó h xu ng t i nhi t môi tr ng.để ệ độ ủ ạ ố ớ ệ độ ườ

6.5. QU TRèNH PHT NểNG CA VT TH
NG CHT KHI LM VIC NGN HN
- Xột 1 v t d n cú t ng nhi t l o khi lvi c
d i h n thỡ phỏt núng theo ng cong
(1)
:
P m = S.o
- N u cho v t d n l m vi c ng n h n:
Sau th i gian t lv = 1 : ta cú cụng su t t a nhi t:


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.
(6.15)

6.5. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ
ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC NGẮN HẠN
-
Cho nên ta ph i nâng ph t i n Pả ụ ả đế ng n h n ắ ạ (Csu t ng n h n). ấ ắ ạ
-
V i i u ki n sau th i gian tớ đề ệ ờ lv v i công su t ng n h n n y t ng nhi t c a v t d n ớ ấ ắ ạ à độ ă ệ ủ ậ ẫ τo đ . Khi ó đ
v t d n s phát nóng theo ng ậ ẫ ẽ đườ
(2).

-
Ta có: công su t ng n h n: Pấ ắ ạ ng = α S. τmax
- Theo
(6.12)
pt ng (2) l : đườ à

- Sau tgian tlv thì v t d n ngh ậ ẫ ỉ v t d n ngu i l nh theo → ậ ẫ ộ ạ
(6.14)
ta có pt:
)1(
max
T
t
ođ
e
−
−=
ττ
T
t
ođ

e
−
=
max
ττ
(6.17)
(6.18)
(6.16)