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

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 thà

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

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

6.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Trong tính toán phát nóng TBĐ thường dùng một số khái niệm như sau :

θo : nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt độ môi trường.

θ : nhiệt độ phát nóng

τ = θ - θo : 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

τôđ = θôđ - θo : 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 i Rdt

W

0 2

S

l ρ

R− =

(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

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

~ 2

R

~ 1

R

m g

~ 1

~ 1

~ 2 -

R R

R

−

(6.5) (6.4)

6.2.2 TỔN HAO TRONG CÁC PHẦN TỬ SẮT TỪ

Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường

biến thiên thì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra và tính theo cthức:

KL: Nh­ vËy tæn hao s¾t tõ phô thuéc vµo tÇn sè, tõ c¶m

vµ ®iÖn trë xo¸y cña vËt liÖu

G f B

f K B

K T m X . m) (

6.2.2 TỔN HAO TRONG CÁC PHẦN TỬ SẮT TỪ

- Trong trường 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, ngư

ời ta sử dụng các biện pháp sau:

+ Tạo khe hở phi từ tính theo đường 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, được chế tạo bằng vật liệu phi từ tính như: gang, thép không dẫn từ …

(6.7)

6.2.3 TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

- Dưới tác dụng của điện trường 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 trường (Hz)

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: d2 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.

dt

dS x

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 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)

c 1 2

c

c α (θ θ )S

6.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI NHIỆT

- 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

0

1000

T 1000

T ε

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 = RI2dtNhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:

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:

τ .

.

. G C

S dt

d C

G

t GC

S t

GC

S

e

e S

τ α

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,

.

= + α τ

τ

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 QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ

ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC NGẮN HẠN

- Xét 1 vật dẫn có độ tăng

nhiệt là τođ khi lviệc dài hạn thì

phát nóng theo đường cong (1):

Pđm= α S.τođ

- Nếu cho vật dẫn làm việc

ngắn hạn:

Sau thời gian tlv → τ = τ1 : ta có

công suất tỏa nhiệt:

- Do τ1< τođ → P1< Pđm Nghĩa là vật dẫn đang non tải

chưa tận dụng hết khả năng chịu nhiệt của vật dẫn

(6.18)

- Ta có: công suất ngắn hạn: Png = α S τmax

- Theo (6.15) pt đường (2) là:

- Sau tgian tlv thì vật dẫn nghỉ → vật dẫn nguội lạnh theo

(6.17) ta có pt:

) 1

max đm

ng

e 1

1 τ

τ P

P K

e 1

1 K

6.6 QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT

THỂ ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC

NGẮN HẠN LẶP LẠI

a) KHÁI NIỆM

Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm việc của thiết bị điện trong một thời gian tlv mà nhiệt độ phát nóng chưa đạt tới bão hòa và sau đó nghỉ một thời gian tng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu rồi tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ

Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn như vậy theo chu kỳ với thời gian tck = tlv + tng Sau thời gian đủ lớn, thiết bị đạt được chế độ tựa xác lập, ở đó trong thời gian làm việc nhiệt độ đạt tới giá trị θmax = const và trong thời gian nghỉ, nhiệt độ hạ xuống giá trị

θmin = const

1•

•

τ’ 2

'

t ngll

lv

e−

−

= τ τ

T

t T

t ngll

lv lv

T

t T

t ngll

lv lv

I

T t T

t -

ođ

ngll đm

ngll

ck

e 1

e -

1 τ

τ P

P K

6.7 QÚA TRÌNH PHÁT NÓNG

KHI NGẮN MẠCH

KHÁI NIỆM

- Do thời gian ngắn mạch rất nhỏ, dòng ngắn mạch lớn cho nên có thể coi quá trình truyền nhiệt trong giai đoạn này là quá trình đoạn nhiệt, nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng do thiết

bị hấp thụ chứ không toả ra môi trường xung quanh.

- Do đó pt cân bằng nhiệt có dạng: (như 6.13)

(1 q

l ρ K

R = ph 0 + T θ

(6.29)

KHÁI NIỆM

Ta có:

Trong đó:

- c0 : là nhiệt dung riêng của v liệu ở 0ºC

- β: hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng.

ρ

θ β

K

c dt

T ph

) 1

.(

.

) 1

.(

.

q

i

0

0 2

( c

C = 0 + β θ

KHÁI NIỆM

Ta có:

Trong đó: là mật độ dòng điện khi NM

và Aθnm , Aθ0 là trị số của tích phân vế phải (6.31) Và để đơn giản hoá việc tính toán thì Aθnm , Aθ0 được cho đồ thị hay bảng tra.

KL: Vậy nếu biết trước nhiệt độ ngắn mạch cho phép và nhiệt

độ ban đầu của thiết bị, ta tìm được dòng điện ngắn mạch cho phép ứng với thời gian ngắn mạch tnm

- Độ bền nhiệt của thiết bị là khả năng chịu đựng dđiện ngắn mạch trong tgian ngắn mạch cho trước mà nhiệt độ phát nóng của thiết bị không vượt quá nhiệt độ phát nóng cho phép khi ngắn mạch

- Thông thường t : 1, 3, 5 và 10 giây.

(6.32)

0

2 2

2

nm q

I

θ

θ A A

t j

t nm = nm nm = nm − q

Inm

=

nm

j

H T Ế