Bài giảng Khí cụ điện: Chương 3 - Sự phát nóng của khí cụ điện

Bài giảng Khí cụ điện: Chương 3 - Sự phát nóng của khí cụ điện được biên soạn với các nội dung chính sau: Khái niệm chung; Các dạng tổn hao trong thiết bị điện; Tổn hao sắt từ; Các phương pháp trao đổi nhiệt; Các chế độ nhiệt của thiết bị điện. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Cấu trúc chương trình phần I

● SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN

1 Khái niệm chung

● Tổn hao luôn tồn tại trong thiết bị điện

● Tổn hao chủ yếu là dưới dạng nhiệt năng

● Làm tăng nhiệt độ của thiết bị

● Tỏa ra môi trường

● Khi nhiệt năng sinh ra do tổn hao đúng bằng với nhiệt tỏa ra môi trường → xác lập nhiệt

Ảnh hưởng của nhiệt độ

● Làm già hóa cách điện → giảm tuổi thọ thiết bị

● Nếu vượt quá 8°C so với nhiệt độ cho phép, làm việc lâu dài → tuổi thọ giảm 50%

● Làm giảm độ bền cơ

● Vật liệu dẫn điện rất nhạy cảm với nhiệt độ

● Khi xảy ra ngắn mạch, nhiệt độ tăng cao → độ bền cơ giảm → lực điện động có khả năng phá hỏng thiết bị

Nhiệt độ cho phép – Cấp cách điện

● Độ tin cậy của TBĐ phụ

thuộc vào nhiệt độ phát

nóng

● Phát nóng cho phép càng lớn > càng tin cậy

● Cấp cách điện theo nhiệt

Yêu cầu nhiệt độ trong các chế độ làm việc

● Chế độ làm việc dài hạn

● Nhiệt độ đạt giá trị xác lập

● Dòng điện đạt giá trị định mức (danh định) dấn đến nhiệt

độ phát nóng cho phép của cấp cách điện tương ứng

Độ tăng nhiệt của thiết bị ΔT

● ΔT = θ – θ0

Nhiệt độ của môi trường lúc ban đầu

● Nhiệt độ của thiết bị

● Trong môi trường nhiệt độ cao thì độ tăng nhiệt của thiết bị không lớn → không cho phép thiết bị được quá tải nhiều

● Trong môi trường có độ cao hơn 1000m so với mực nước biển, ΔT bị khống chế do mật độ không khí loãng làm khả năng tỏa nhiệt của thiết bị bị giảm đi

2 Các dạng tổn hao trong thiết bị điện

● Ba dạng tổn hao cơ bản

● Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

● Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ

● Tổn hao điện môi

● Đơn vị tổn hao (J, kJ)

2.1 Tổn hao dẫn điện (1)

● Đặc trưng cho tổn hao do dòng điện chạy qua vật dẫn

Khi cho dòng điện tức thời i(t) chạy qua dây dẫn

trong thời gian t 0

● Tổn hao theo thời gian

W = ∫ R.i²(t)dt

● R phụ thuộc vào nhiều yếu tố

● Điện trở suất của vật liệu

● Kích thước

● Tần số làm việc

● Vị trí

2.1 Tổn hao dẫn điện (2)

● R tính bằng công thức đơn giản nếu bỏ qua ảnh

hưởng của tần số, nhiệt độ,

2.2 Tổn hao điện môi

● Vật liệu cách điện (điện môi) được đặt trong điện

trường biến thiên E(t)

● Điện cực phân ly biến thiên theo phương điện trường

● Tổn hao trong vật liệu do sự lệch pha

P = 2π.f U².tgδ

δ – Góc tổn hao điện môi

2.3 Tổn hao sắt từ (1)

● Vật liệu sắt từ đặt trong từ trường biến thiên với tần

số f

● Cấu trúc miền con

● Năng lượng cần thiết để dịch chuyển biên các miền con, năng lượng này là công vô ích > tổn hao

3 Các phương pháp trao đổi nhiệt

● Nhiệt truyền từ nơi T cao về nơi T thấp

● Có ba cơ chế truyền nhiệt

● Dẫn nhiệt

● Đối lưu

● Bức xạ

3.1 Dẫn nhiệt (conduction)

● Quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử có tiếp xúc

trực tiếp (chất rắn)

● Trong thời gian dt

● Qua tiết diện ds

dθ/dx

Created by Hoang Anh 17

3.2 Đối lưu (circulation)

● Là quá trình truyền nhiệt phổ biến trong chất lỏng và chất khí

● Diện tích bề mặt S

● Hệ số tỏa nhiệt đối lưu α [W/m².°C]

Фc = αc(θ2 – θ1).S

● Phụ thuộc nhiều yếu tố

● Nhiệt độ, độ đậm đặc, độ nhớt, hình dáng bề mặt tỏa nhiệt

● Vận tốc chuyển động của các phần tử môi trường …

3.3 Bức xạ (Radiation)

● Phát xạ sóng điện từ mang năng lượng

● Công thức Stefan – Boltzmann

Фr = C1.ε.[ (T2/1000)4

-(T1/1000)4].Sr

● T2,T1 nhiệt độ bề mặt bức xạ và môi trường [Kelvin]

● C1 = 5,7.10 4 W/(m²K 4 ) hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

● Epxilon – hệ số đen của bề mặt bức xạ

3.4 Quá trình tổng hợp

● Thông thường thì đối lưu và bức xạ tồn tại cùng nhau

● Cơ chế truyền nhiệt chủ yếu trong các thiết bị điện

● Dùng một hệ số duy nhất cho cả hai cơ chế

● KT = (ФC + Фr)/( θ2 – θ1).ST

● KT thường được xác định theo kinh nghiệm

Các chế độ nhiệt của thiết bị điện

● Chế độ quá độ nhiệt

● Quá trình bắt đầu / ngừng làm việc của thiết bị

● Quá trình kết thúc khi nhiệt độ của thiết bị xác lập

● Chế độ xác lập nhiệt

● Nhiệt lượng tỏa ra của thiết bị bằng với nhiệt lượng tỏa ra môi trường ngoài

● Chế độ nhiệt khi thiết bị điện bị ngắn mạch

● Xảy ra trong thời gian rất ngắn

● Nhiệt lượng không kịp tỏa ra môi trường

20

5.1 Chế độ quá độ nhiệt (1)

● Phương trình cân bằng nhiệt Q1 = Q2 + Q3

● Q1 – Nhiệt năng do thiết bị tỏa ra (chủ yếu là do tổn hao)

● Q 2 = K T .S T .ζdt – nhiệt lượng tỏa ra môi trường

● Q 3 = c.G.dζ – năng lượng làm tăng nhiệt độ của thiết bị.

● KT – hệ số tỏa nhiệt do đối lưu và bức xạ

● ST – diện tích bề mặt tỏa nhiệt

● ζ - độ tăng nhiệt (chênh lệch nhiệt độ)

● dt – vi phân thời gian

5.1 Chế độ quá độ nhiệt (2)

● Đóng điện cho thiết bị → nhiệt độ thiết bị tăng dần

● Sau một thời gian, nhiệt độ sẽ không tăng

● Phương trình mô tả

● P.dt = K T S T .ζdt + C T .dζ

● P tổn hao công suất (nguồn nhiệt)

● CT = c.G nhiệt dung riêng của thiết bị

● c suất nhiệt dung riêng cho một đơn vị khối lượng

● KT hệ số đối lưu + bức xạ

● ST diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

5.1 Chế độ quá độ nhiệt (3)

● ζ = ζ 0 e -(t/T) +ζ ∞ (1-e -(t/T) )

● ζ - độ tăng nhiệt (chênh lệch nhiệt độ)

● ζ0 - độ tăng nhiệt ban đầu (thời điểm t = 0)

● ζ∞= P/(KT.ST) - độ tăng nhiệt xác lập (thời điểm t → ∞)

● T= CT/(KT.ST) hằng số thời gian phát nóng

● Quá trình phát nóng (P > 0, ζ∞ ≠ 0)

● Quá trình nguội (P = 0, ζ∞ = 0)

5.1 Chế độ quá độ nhiệt (4) Phát nóng

● Khi bắt đầu làm việc, nếu nhiệt độ thiết bị bằng nhiệt

độ môi trường , thì độ tăng nhiệt ban đầu bằng zero,

ζ0 = 0

5.2 Chế độ xác lập nhiệt (1)

● Nhiệt độ phụ thuộc vào công suất nhiệt của thiết bị

● Diện tích tỏa nhiệt càng lớn > nhiệt độ càng bé

● Hệ số tỏa nhiệt càng lớn > nhiệt độ càng thấp

> Bài toán kích thước theo dòng điện, nhiệt độ môi

trường, điều kiện tỏa nhiệt …

5.3 Chế độ nhiệt khi bị ngắn mạch (1)

● Ngắn mạch (chập mạch, đoản mạch)

● Dòng điện tăng rất lớn trong một thời gian ngắn

● Thời gian loại trừ sự cố của thiết bị bảo vệ tương đối nhỏ (~ ms)

> nhiệt độ cho phép có thể cao hơn chế độ dài hạn

● Là quá trình đoạn nhiệt

● Không tỏa ra môi trường ngoài

● Chỉ làm tăng nhiệt độ của thiết bị

5.3 Chế độ nhiệt khi bị ngắn mạch (2)