Tính toán nhiệt thiết bị điện pot

1
VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG ĐIỆN
TS. Huỳnh Châu Duy
Bộ môn Hệ thống điện
Trường ĐạihọcBáchKhoaTP. HCM
Chương 3
Tính toán nhiệtthiếtbịđiện
2
I. Tổng quan
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
III. Tuổithọ củathiếtbịđiện
IV. Chếđộnhiệtcủamáybiếnáp
V. Chếđộnhiệtcủa máy phát điện
VI. Chếđộnhiệtcủa động cơđiện
VII. Sựđốt nóng tiếp điểm
VIII. Đo nhiệt độ củathiếtbịđiện
IX. Bài tập
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
2
3
• Trong quá trình hoạt động, dòng điệnlàmviệccủacácthiếtbị
điệngâyramộtsự tổnthất điệnnăng.
Lượng điệnnăng tổnthất đượcthể hiệndướidạng nhiệtlàm
tăng nhiệt độ củacácthiếtbị, ảnh hưởng đến cách điện.
• Đólànhững nguyên nhân cơ bảnlàmtăng nhanh quá trình già
hóa cách điệnvàlàmgiảmtuổithọ củathiếtbịđiện.
I. Tổng quan
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện

4
•Phương trình nhiệt:
•Giảiphương trình vi phân nhận được nghiệmsố: (A, B là các hằng
số xác định khi biết điềukiệnban đầu)
•k là nghiệmcủaphương trình đặctrưng
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
Pdt GCd qF dt
d
PGC qF
dt
θ
θ
θ
θ
Δ
=+
⇔Δ = +
t
kt
A
eB Ae B
τ
θθ
−
=
+⇔= +
1
0
qF
CGk qF k

CG k
τ
+=⇔=− ⇔=−
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
3
5
•Xác định A, B:
–Tạithời điểmban đầu t = 0 thì nhiệt độ củathiếtbị và môi
trường xung quanh bằng nhau, tứclàđộ chênh lệch nhiệt độ giữa
thiếtbị và môi trường xung quanh bằng không, tức θ = 0.
–Tạithời điểmt = vôcùng.
Suy ra nhiệt độ củathiếtbị:
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
0
A
BAB+=⇔=−
t
kt
A
eB Ae B
τ
θθ
−
=
+⇔= +
B
θ
∞
=

1
t
e
τ
θθ
−
∞
⎛⎞
=−
⎜⎟
⎝⎠
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
6
•Ta suy ra được nhiệt độ tạithời điểmbấtkỳ
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
0
1
t
e
τ
θθ θ
−
∞
⎛⎞
=+ −
⎜⎟
⎝⎠
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện

4
7
•Bảng tham khảo τ MBA
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
Công suất MBA (MVA) Làm mát
τ (giờ)
S
MBA
< 1 Tự nhiên 2.5
1< S
MBA
< 6.3 Tự nhiên 3.5
6.3< S
MBA
< 32 Có thêm quạt 2.5
32< S
MBA
< 63 Có thêm quạt 3.5
63< S
MBA
< 125 Tuần hoàn cưỡng bức 2.5
S
MBA
> 125 Tuần hoàn cưỡng bứccóquạt 2.5
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
8
•Bảng tham khảo τ MF
II. Sự cân bằng nhiệt trong thiếtbịđiện
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy

Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
5
9
-Tuổithọ củacácthiếtbị phụ thuộcchủ yếuvàochếđộnhiệt của
chúng. Trong quá trình làm việc, các vậtliệu cách điệnbị già hóa do
tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tác dụng hóa học…
-Nếuthiếtbị làm việcvới
tải định mức thì nhiệt độ đượcgiữ trong
giớihạn cho phép ứng vớicácloại cách điện, thiếtbị sẽ làm việc
bình thường vớituổithọđịnh mức, V
đm
-Nếuthiếtbị làm việc quá tải thì nhiệt độ sẽ có thể vượt quá giớihạn
cho phép, khi đóthiếtbị sẽ
bị giảmtuổithọ và phụ thuộcvàomức
vượt quá nhiềuhay ít.
III. Tuổithọ thiếtbịđiện
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
10
•Khi nhiệt độ tăng độtngột thì ảnh hưởng sẽ lớnhơnso vớitrường
hợp
tăng từ từ.
•Tuổithọ trung bình củathiếtbịđiệnN phụ thuộcvào
nhiệt độ của
môi trường xung quanh và hệ số mang tải có thể biểuthị dưới
dạng biểuthứcsau:
III. Tuổithọ thiếtbịđiện
(
)
(

)
2
1
2
cp t bmtxq
k
tb dm dm
VV VH
θθ
α
−−
==
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
6
11
•Tuổithọ thựctế củathiếtbịđượctínhbởi công thức:
t
qtcp
là thờigianlàmviệc quá tải cho phép củathiếtbị
t
dt
là thờigiandự trữ do trước đó đãlàmviệc non tải
III. Tuổithọ thiếtbịđiện
qtcp
dm
dt
t
VV
t

=
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
12
•Thờigianquátảichophépcủathiếtbịđiện:
•Như vậy, ta có thể nhậnbiết là trong quá trình vận hành, thiếtbị làm
việc non tảithìnócóthể làm việcquátải trong một khoảng thờigian
cho phép mà không ảnh hưởng đếntuổithọđịnh mứctheoấn định
nhà chế tạo.
III. Tuổithọ thiếtbịđiện
qtcp dt
ttH=
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
7
13
•Ở chếđộxác lập, khi MBA làm việcbìnhthường, nhiệt độ đạt đến
một giá trịổn định. Lúc này toàn bộ lượng nhiệtdo máysinhrasẽ
đượctỏaramôitrường xung quanh nhờ quá trình trao đổinhiệtvới
sự trợ giúp củahệ thống làm mát.
Với các tham sốđịnh mứcMBA cóthể làm việcbìnhthường trong
khoảng thời gian 25 ÷ 30 năm.
•Độ đốt nóng củaMBA đang vậnhànhđượckiểm tra theo nhiệt độ
lớpdầu trên cùng bằng nhiệtk
ế. Nhiệt độ lớnnhấtcủalớpdầutrên
cùng không đượcvượt quá giá trị cho phép (khoảng 70, 75, 95 độ C).
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
14

•Sự phân bố nhiệttrongMBA
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
Cuộndây
Dầu
Võ
Không khí
X
Y
Z
[
\
]
^
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
8
15
•TổnhaotrongMBA gồm tổn hao sắt và tổnhaođồng. Tổnthất
trong MBA làm phát nóng MBA. Mộtphần đốt nóng MBA, một
phầntảnramôitrường xung quanh.
•
Khi vận hành ởđịnh mức:
•
Khi vậnhànhkhácđịnh mức:
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
0
M
BA Fe Cu N
P
PP PPΔ=Δ+Δ=Δ+Δ

()
2
2
00
22
0
00
11
MBA Fe Cu N N
MBA
N
S
PPPPP PPk
S
P
PkPbk
P
⎛⎞
Δ=Δ+Δ=Δ+Δ =Δ+Δ
⎜⎟
⎝⎠
⎛⎞
Δ
=Δ + =Δ +
⎜⎟
Δ
⎝⎠
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
16

•Độ tăng nhiệtcủadầucócôngthức:
• m là chỉ số phụ thuộcvàođiềukiệnlàmmát
m=0.8 khi làm mát bằng dầutự nhiên
m=0.9 khi làm mát bằng dầucóthêmquạt
m=1 khi làm mát cưỡng bứccóthêmquạt
•θ
dđm
khi tải định mức, có thể tính như sau:
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
2
1
1
m
d ddm
bk
b
θθ
⎛⎞
+
=
⎜⎟
+
⎝⎠
ddm cp tbmtxq
θ
ϑϑ
=−
0
95
cp

C
ϑ
=
0
95
cp
C
ϑ
=
0
70
cp
C
ϑ
=
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
9
17
•Độ tăng nhiệtcủacuộndâyso vớidầucócôngthức:
•Vậy tính được độ tăng nhiệtcủacuộndây:
•Nhiệt độ cuộndây:
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
()
2m
cd cddm
k
θθ
Δ=Δ
cd d cd

θ
θθ
=+Δ
cd cd k k
ϑ
θϑ
=+
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
18
a. Ta khảosátMBA vậnhành
đồ thị phụ tải2 bậc, khi bậc
S
1
có thờigianT
1
lớnhơn
(4-5)τ, khoảng 10g -14g thì
độ tăng nhiệtsẽổn định
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
0
S
1
S
0
θ
θ
∞
S
t

θ
t
cp
θ
θ
∞
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
10
19
•Mối quan hệđộtăng nhiệtvà
tổnthất:
•Từđó tính đượcthờigiancho
phép:
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
0
0
M
BA
S
k
S
=
1
1
M
BA
S
k
S

=
0
S
1
S
0
θ
θ
∞
S
t
θ
t
cp
θ
2
2
00
0
dm dm dm
S
P
k
PS
θ
θ
⎛⎞
Δ
=
==

⎜⎟
Δ
⎝⎠
2
00dm
k
θ
θ
⇔=
2
1 dm
k
θ
θ
∞
⇔=
22
10
2
1
ln
1
cp
kk
t
k
τ
−
=
−

Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
20
•Khi bậcS
1
có khoảng thờigian
T
1
nhỏ và nhảy sang bậcS
3
khác.
Ví dụ bậcS
3
giảmthìđộ tăng
nhiệtsẽ không tăng đến độ tăng
nhiệt ổn định mà nó chỉ tăng tới
θ’rồigiảmtheođường θ
1
•Từđó tính đượcthờigiancho
phép:
IV. Chếđộnhiệtcủa MBA
22
10
2
1
ln
1
cp
kk
t

k
τ
−
=
−
0
S
1
S
0
θ
θ
∞
S
t
θ
t
cp
θ
2
S
1
θ
'
θ
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
11
21
•Tổnthất trong ĐC cũng tương tự MF. Bao gồm: tổnthất đồng, tổn

thấtsắt, tổnthấtcơ.
VI. Chếđộnhiệtcủa ĐC
dc dm
dc dm
dc dm
P
P
P
P
P
P
>
=
<
1
2
3
θ
∞
22
•Ta khảosátđường đặctínhnhiệtcủa động cơ làm việclâudài
đường 1 và ngắnhạnlặplại đường 2
VI. Chếđộnhiệtcủa ĐC
1
2
θ
∞
θ
12
23

•Các điểmtiếp xúc trong mạch điệnlànhững nơi có nhiệt độ cao, vì
điệntrở quá độ khá cao.
•Điệntrở quá độ: phụ thuộcvàohệ số biểuthịđặc tính vậtliệu,
phương pháp xử lý bề mặttiếp điểmvàlựcép. k chỉ số phụ thuộc
vào loạitiếp điểm
•Điệntrở quá độ thay đổitheonhiệ
t độ
VII. Sựđốtnóngtiếp điểm
vl
qd
k
R
F
ε
=
()
121
2
1
3
qd qd R
RR
α
θθ
⎛⎞
=+ −
⎜⎟
⎝⎠
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện

24
1. Khí cụ và phương tiệnkiểm tra nhiệt độ
2. Kiểmtranhiệt độ củacácthiếtbị
VIII. Đo nhiệt độ
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
13
25
•Một trong những nhiệmvụ quan trọng trong quá trình vậnhànhthiết
bịđiệnlàkiểmtranhiệtcủa chúng. Ngườitatrangbị các phương tiện
đo nhiệt độ ngay trên thiếtbị.
a. Nhiệtkế thủy ngân
b. Nhiệtkế áp suất
c. Nhiệtkế trương nở
d. Cặp nhiệt độ
e. Nhiệt điệntrở
1. Khí cụ và phương tiệnkiểmtra
26
•Việc đo nhiệt độ trong các thiếtbịđiện đượcthựchiệntheophương
thứctựđộng hoặcbằng tay bởi các nhân viên.
–Nhiệt độ thựctế củaMBA đượckiểm tra thông qua nhiệt độ của
lớpdầutrêncùng
–Nhiệt độ của các cuộndâyMF đượckiểmtrabằng phương pháp
gián tiếp thông qua công thức:
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
1
21
2
11
RR

R
R
θθ
α
α
⎛⎞
=+−
⎜⎟
⎝⎠
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
14
27
–Nhiệt độ thựctế củaruột cáp đượcxácđịnh trên cơ sở nhiệt độ
đo được ở vỏ và hiệuchỉnh theo biểuthức
R
Q
tổng nhiệttrở củavậtliệuvàlớpbảovệ
0
Cm/w
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
2
1
100
Q
I
nR
F
ρ
θθ

∞
=+
Dây dẫn A AC Cu cứng Cu mềm Al+Mg và Si
ρ (Ωmm
2
/m.10
-3
) 28.5 29.26 18.2 17.5 28.92
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
28
•Nhiệt độ bên trong củavậtliệu cách điệncóthể xác định bằng công
thức:
A là hằng số bằng 1.888
kvl hằng số phụ thuộcvàovậtliệu cách điện
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
tr ng
vl
A
k
θθ
=+
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
15
29
•Nhiệt độ các tiếp điểmthường đượckiểmtrabằng cầu đogắntrên
sào cách điện. Khi đo, đầu đo đượcgívàotiếp điểm trong 30s đến
50s. Ngoài ra có thể dùng bộ chỉ thị tín hiệu nhiệt độ dạng băng
nhiệt.

•Khi cầnmức độ chính xác cao cầnápdụng phương pháp đogián
tiếp. Tứclàđo nhiệtqua đạilượng trung gian. Có hai các thông dụng
a.
Đo nhiệt độ qua độ rơi điệnáp
b. Đo điệntrở quá độ
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
30
a. Đo nhiệt độ qua độ rơi điệnáp:
Phương pháp này dựavàoviệc so sánh điệnáprơitrêncủa
đoạn dây có chứa điểmnốivàđiệnáprơicủa đoạn dây nguyên
khi có cùng dòng điện đi qua.
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
mV
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
16
31
b. Pương pháp đo điệntrở quá độ:
Phương pháp này dựavàoviệc so sánh điệnáprơitrêncủa
đoạn dây có chứa điểmnốivàđiệnáprơicủa đoạn dây nguyên
khi có cùng dòng điện đi qua.
2. Kiểm tra nhiệt độ các thiếtbị
mV
A
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
32
•Ví dụ 1:

•MBA loạiTM . Tuổithọ MBA như thế nào nếuMBA làmviệc quá
tảivớihệ số mang tải trung bình là 1.05. Biếttuổithọđịnh mức ứng
với nhiệt độ môi trường xung quanh 25
0
C là 25 năm.
•Từ mã hiệu MBA ta có nhiệt độ giớihạn95
0
C ; α = 9.
VIII. Bài tập
(
)
(
)
2
1
214,39
cp tbmtxq
k
tb dm
VV
θθ
α
−−
==
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
17
33
•Ví dụ 2:
•MBA loại TM2500/35, làm việcvới đtpt 2 bậc, bậc đầu có k0 = 0.72

hỏiMBA cóthể làm việc trong thời gian cho phép bao lâu nếuhệ số
mang tảibậc sau là k1 = 1.25 ?
•Từ mã hiệuMBA tacóhằng số thời gian phát nóng τ = 3.5
•Thờigianquátảichophép
VIII. Bài tập
()
()
22
10
2
1
ln 2.16( )
1
cp
kk
tg
k
τ
−
==
−
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
34
Vậnhànhvàđiềukhiểnhệ thống điện–TS. Huỳnh Châu Duy
Chương2 –Tínhtoánnhiệtthiếtbịđiện
Kết thúc
Chương 2
Tính toán nhiệtthiếtbịđiện