Bài giảng kỹ thuật điện - Chương 4 ppsx

Quá trình nhiệt của thiết bị điệnVật liệu của thiết bị điện vật liệu dẫn điệnvật liệu dẫn từ vật liệu cách điện điện trườngtừ trường tổn haocông suấtlàm phát nóng các chi tiết và lan tru

Quá trình nhiệt của thiết bị điện

Vật liệu của thiết bị điện vật liệu dẫn điệnvật liệu dẫn từ

vật liệu cách điện

điện trườngtừ trường tổn haocông suấtlàm phát nóng các chi tiết

và lan truyền trong thiết bị điện thiết bị điện phát nóng

t (thời gian)

θ0 : nhiệt độ môi trường.

θ ođ : nhiệt độ ổn định.

Tổn hao công suất làm tăng nhiệt độ của một

vật thể theo thời gian gồm hai giai đoạn:

nhiệt độ của vật thể còn một phần khác tỏa ra môi trường

chung quanh

Sự tỏa nhiệt này tỷ lệ vớiđộ chênh nhiệt (τ)giữa

nhiệt độ của vật thể θ và nhiệt độ môi trường chung

quanh (θ0)

τ = θ - θ0

2/ quá trình xác lập: nhiệt độ của vật thể tăng đến một nhiệt độ nào đó, gọi

lànhiệt độ ổn định (θođ), khi đó toàn bộ nhiệt năng phát ra trong vật thể

đều tỏa hết ra môi trường chung quanh Nhiệt độ của vật thể không tăng

lên được nữa mà ổn định ở nhiệt độ này-chế độ xác lập nhiệt

Quá trình nhiệt của thiết bị điện

Trong các vật liệu dẫn điện, dẫn từ và vật liệu cách điện của thiết bị điện:

vật liệu cách điện chịu nhiệt kém nhất

Ỉnhiệt độ cho phép của thiết bị điện thường được quy định bởi

>180 180 155 130 120 105 90 Nhiệt độ cho phép ( 0 C)

C H F B E A Y Cấp cách điện

Quá trình nhiệt của thiết bị điện

Yêu cầu: thiết bị điện phải có nhiệt độ phát nóng thấp hơn so với nhiệt độ cho phép

Hậu quả: nếu nhiệt độ của cách điện tăng cao thì nó bị già hóa nhanh và tuổithọ giảm đồng thời độ bền cơ cũng bị suy giảm

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Các dạng tổn hao công suất trong các thiết bị điện

Năng lượng tổn hao trong các vật liệu kỹ thuật điện trong một đơn vị thời gianđược gọi là công suất tổn hao

Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn từ

Công suất tổn hao trong các chi tiết cách điện

Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

dòng điện Ỉ dây dẫn điện Ỉ tổn hao công suất bên trong dây dẫn

=∫ 2ρ

V

j - mật độ dòng điện, A/m2

ρ- điện trở suất, Ωm; V - thể tích dây dẫn, m3

Nếu dây dẫn có tiết diện đều dọc theo toàn bộ

chiều dài, véc tơ mật độ dòng điện vuông góc và

phân bố đều trên bề mặt tiết diện:

ρ: điện trở suất của vật dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ θ của dây dẫn

ρθ1: điện trở suất ở nhiệt độ θ1

α [1/oC]: hệ số nhiệt điện trở, αAl= 0,0042 (1/oC); αCu=0,0043 (1/oC)

Thường cho sẵn ρθ1 ở θ1= 00C nên ρ = ρ0(1+ α θ)

Công suất tổn hao trong các chi tiết dẫn điện

Dòng điện 1 chiều:

Dòng điện xoay chiều:

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Hiệu ứng bề mặt

Hiệu ứng bề mặt sinh ra do hiện tượng

phân bố dòng điện không đều trên bề

mặt tiết diệnq của dây dẫn điện:

càng gần bề mặt ngoài của dây dẫn

mật độ dòng điện càng lớn hơn so với

mật độ dòng điện ở khu vực gần tâm

của dây dẫn

Hiệu ứng bề mặt

hệ số tổn hao phụ kbmdo hiệu ứng bề mặt

phụ thuộc vào:

- tần số của dòng điện

- thông số hình học của tiết diện dây dẫn

phụ thuộc vào tần số của dòng điện

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Hiệu ứng bề mặt

phụ thuộc vào thông số hình học của tiết

diện dây dẫn

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ

Các chi tiết sắt từ (các loại mạch từ, các chi tiết bằng sắt thép, vỏ máy

làm từ các hợp kim sắt v.v ) nằm trong vùng có từ trường biến thiên

Ỉtổn hao do từ trễ và dòng xoáy

Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ

ptr, px[W/kg] : công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trên 1

đơn vị khối lượng ở tần số f0và từ cảm B0Mạch từ ghép từ tôle kỹ thuật điện

Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ

Có thể xác định tổn hao trong mạch từ ghép từ tôle kỹ thuật điện

từ các đường cong thực nghiệm P Fe=f B( )m

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Công suất tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong các chi tiết dẫn từ

Thực nghiệm Neumann Ỉ quan hệ giữa tổn

hao công suất trong mạch từ thép khối và các

thông số khác như sau:

Mạch từ thép khối

dòng điện xoáy trong mạch từ tương đối lớn vì ta có thể xem mạch từ là

cuộn dây thứ cấp có điện trở không lớn

S- diện tích xung quanh của mạch từ, cm2

f - tần số dòng điện xoay chiều, Hz

IN- s.t.đ cuộn dây, A.vòng

l - chiều dài đường sức từ, cm

đường cong 1 và 2 do sai số đo của các thí nghiệm khác nhau

Công suất tổn hao trong vật liệu cách điện

Tổn hao nhiệt Joule trong vật liệu cách điện

P, W : công suất tổn hao

f, Hz: tần số điện trường

U, V: điện áptgδ: hệ số tổn hao điện môi

C, F: điện dung của hệ thốngπ

2 φ: góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Quá trình phát nóng

Xét một vật thể đồng nhất, đẳng nhiệt có nguồn nhiệt nội tại:

- Công suất nhiệt P =const

- Nhiệt độ bằng nhau ở mọi điểm bên trong vật thể

- Hệ số tỏa nhiệt KT[W/m2 0C] và nhiệt dung C[W.s/0C] của vật thểkhông phụ thuộc vào nhiệt độ

Phương trình cân bằng năng lượng

Năng lượng sản sinh từ bên trong vật thể trong thời gian dt (Pdt) sẽ biến thànhnhiệt năng, một phần làm tăng nhiệt độ của nó (Cdτ) và phần khác tỏa

ra môi trường xung quanh (KTSτdt)

Quá trình phát nóng

τ = θ − θo độ tăng nhiệt so với nhiệt độ của môi trường,oC

S- diện tích tỏa nhiệt, m2

C - nhiệt dung, W s/oC

: độ tăng nhiệt ổn định [s]

: hằng số thời gian phát nóng [s]

Với điều kiện biên: t=0, τ = τ0= 0

Với điều kiện biên: t=0, τ = τo≠ 0

Quá trình phát nóng

τ= τoe-t/T+ τođ(1 – e-t/T)

Các nhận xét:

od T

P t

Đây là chế độ xác lập nhiệt: công suất tổn hao gây phát nóng vật thể

cân bằng với công suất tỏa nhiệt ra môi trường chung quanh

phương trình cân bằng nhiệt Newton ở chế độ xác lập

0

Các nhận xét (tt):

Nếu toàn bộ năng lượng tổn hao không tỏa ra môi trường xung quanh

mà chỉ dùng để đốt nóng vật thể (chế độ đoạn nhiệt):

Ỉkhi t=T thì τ = τođ

Ỉhằng số thời gian phát nóng là thời gian làm việc cần thiết để nhiệt độ của vậtthể đạt đến nhiệt độ ổn định khi không có sự tỏa nhiệt từ vật thể ra môi trườngchung quanh (chế độ đoạn nhiệt)

Ỉhằng số thời gianTcàng lớn thì quá trình phát nóng của vật thể càng kéo dài

Sk

CT

Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập

Sự truyền nhiệt hay còn gọi là sự trao đổi nhiệt xảy ra giữa các vật thể cónhiệt độ khác nhau

Các dạng truyền nhiệt cơ bản là dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao

đổi nhiệt bức xạ

1/ Dẫn nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt giữa các phần của vật thể hay giữacác vật thể có nhiệt độ khác nhau khi chúng tiếp xúc với nhau

2/ Trao đổi nhiệt đối lưu là quá trình trao đổi nhiệt nhờ sự chuyển động củachất lỏng hoặc chất khí giữa các vùng có nhiệt khác nhau

Sự tỏa nhiệt đối lưu

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập

3/ Trao đổi nhiệt bức xạ là quá trình trao đổi nhiệt dưới dạng các tia nhiệt do vật thể phát nóng bức xạ ra môi trường xung quanh : tia sáng, tia hồng ngoại

Trong thực tế cả ba dạng trao đổi nhiệt xảy ra đồng thời và có ảnh hưởng lẫnnhau gọi là sự trao đổi nhiệt hỗn hợp

Ta cần xét xem dạng trao đổi nhiệt nào là cơ bản, ảnh hưởng của các dạng cònlại được tính đến bằng cách dựa vào các hệ số hiệu chỉnh

Ví dụ: Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt chất rắn với chất khí ở nhiệtđộ không quá lớn được thực hiện chủ yếu bằng đối lưu, ảnh hưởng của bức xạđược tính đến thông qua một hệ số hiệu chỉnh :

Hệ số tỏa nhiệt kT= hệ số tỏa nhiệt đối lưu + hệ số tỏa nhiệt bức xạ

Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập

T

dQ dt

φ = nhiệt thông, nghĩa là công suất truyền nhiệt

Xét vật dẫn điện có nhiệt lượng Q truyền qua vách cách điện có tiết diện Skhông có nguồn nhiệt nội tại

Nếu gọi P là công suất tổn hao trong vật thể, ở chế độ xác lập nhiệt ta có

Vật thể dẫn điện Vật thểcách điện

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập

Phương trình truyền nhiệt Fourrier:

λ [W/m0C]: hệ số dẫn nhiệt của vách cách điện

Xét vi phân nhiệt lượng dQ của vật thể

dẫn điện truyền qua vi phân dS của tiết

diện vật thể cách điện theo phương x

x

dQ

dS

Vật thể dẫn điện

Vật thể cách điện

Sự truyền nhiệt của vật thể phát nóng ở chế độ xác lập

Phương trình truyền nhiệt Fourrier:

S x

θ

∂ λ

−

= φ

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Sự truyền nhiệt qua vách phẳng

Xét sự truyền nhiệt của một vật thể dẫn điện dài vô cùng qua 1 vách

phẳng có tiết diện S, bề dày δ, được giới hạn bởi 2 mặt phẳng song

Do vật thể dẫn điện dài vô cùng, nhiệt

lượng chỉ truyền theo phương x

Sdx

d

T

θλ

=

φ

S dx

= [0C/W]: nhiệt trở do dẫn nhiệt qua vách cách điện có

bề dầy δ, tiết diện S và hệ số dẫn nhiệt λ

Δθ = θ1- θ2: độ chênh nhiệt

Điện lượng, A.s Dòng điện, A Mật độ dòng điện, A/m 2 Điện dẫn suất, 1/Ωm Điện áp, V Điện trở, Ω Điện dung, F

Nhiệt lượng, W.s

Nhiệt thông, W

Mật độ nhiệt thông, W/m 2

Hệ số dẫn nhiệt, W/m 0 C

Độ chênh nhiệt, 0 C

Nhiệt trở, 0 C/W

Nhiệt dung, W.s/ 0 C

Đại lượng điện, đơn vị Đại lượng nhiệt, đơn vị

Sự truyền nhiệt qua vách phẳng

Nếu nhiệt lượng truyền qua nhiều vách phẳng sát nhau cùng tiết diện S có bềdầy δivà hệ số dẫn nhiệt λithì nhiệt trở tổng bằng tổng các nhiệt trở

∑ λ δ

=

i i

i T

S 1 R

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Sự truyền nhiệt qua vách trụ

A A

l

Xét dây dẫn tròn, chiều dài l, bán kính dây dẫn R1, bán kính kể cả cách điện

R2; hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện λ; nhiệt độ phần dẫn điện θ1, nhiệt độcủa bề mặt ngoài lớp cách điện θ2

Xét l >> R1, R2 do đó nhiệt chỉ truyền theo hướng ngang trục (hướng kính)

l

Xét nhiệt lượng truyền qua mặt trụ bán kính r,

ta có phương trình truyền nhiệt Fourrier :

R T

T R

R dr

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Sự truyền nhiệt qua vách trụ

A A

R

Rln

nhiệt thông trên một đơn vị chiều dài ống

nhiệt trở trên một đơn vị chiều dài ống

Sự truyền nhiệt qua vách trụ

A A

T

R R R

λπ

1ln21

1

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Quá trình tỏa nhiệt từ bề mặt vật thể phát nóng ra

môi trường xung quanh

Nhiệt lượng truyền tới mặt ngoài lớp cách điện sẽ tỏa nhiệt ra môi trườngxung quanh bằng tỏa nhiệt đối lưu và bức xạ theo phương trình cân bằng

nhiệt Newton ở chế độ xác lập :

T T

R = là nhiệt trở ứng với sự tỏa nhiệt từ bề mặt vật thể

ra môi trường chung quanh

φT: nhiệt thông trên bề mặt tỏa nhiệt, bằng với tổn hao công suất

trong vật dẫn điện nếu bỏ qua tổn hao công suất trong vách cách điện

kT : hệ số tỏa nhiệt (do đối lưu và bức xạ)

Chế độ làm việc dài hạn

Độ chênh nhiệt τ của vật thể phát nóng:

τ= τoe-t/T+ τođ(1 – e-t/T)

Chế độ làm việc dài hạn: thời gian làm việc của thiết bị điện đủ lớn

để τ = τođ và thời gian nghỉ đủ dài để τ = 0

Về lý thuyết, chế độ làm việc dài hạn ↔ thời gian làm việc và thời

gian nghỉ là vô cùng

Độ chênh nhiệt ổn định của TBĐ được xác định bằng phương trình cân

bằng nhiệt Newton:

od T

Nhiệt độ cho phép này thường được quy định bởi nhiệt độ cho phép của vật liệucách điện sử dụng trong thiết bị điện

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Chế độ làm việc ngắn hạn

Ở chế độ làm việc này, thời gian làm việc tlvchưa đủ lớn (tlv< 4T) nên nhiệtđộ vật thể chưa đạt đến nhiệt độ ổn định còn thời gian nghỉ tngthì đủ dài

(tng>4T) để nhiệt độ của thiết bị điện bằng với nhiệt độ môi trường

khi t = tlvthì τ = τ1< τdh Ỉthiết bị điện làm việc non tải

Chế độ làm việc ngắn hạn

Đường cong 1 là đường cong phát nóng khi thiết bị

điện làm việc với dòng điện dài hạn Idhứng với

công suất tổn hao dài hạn Pdh

Đường cong 2 là là đường cong phát nóng khi thiết bị điện làm

việc với dòng điện ngắn hạn Inhứng với công suất tổn hao ngắn

hạn Pnh

τ1

tlv

Để sử dụng hết khả năng làm việc của thiết

bị điện, ta có thể tăng dòng điện làm việc

tới Inhsao cho:

2 nh dh

nh dh

nh

I

I P

I

−

Chế độ làm việc ngắn hạn

Hệ số quá tải dòng điện cho phép nh 1 1 lv T/

dh

I K

−Khi tlv<< T

nh I

Hệ số quá tải càng lớn khi thời gian làm việc càng nhỏ

và hằng số thời phát nóng càng lớn

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

Thiết bị điện làm việc theo chu kỳ với dòng điện ngắn hạn lặp lại Inl

InlI

t lv t ng

t ck

t

Trong mỗi chu kỳ:

- Thời gian làm việc chưa đủ lớn (tlv< 4T) nên nhiệt độ của thiết bị chưađạt đến giá trị xác lập

- Thời gian nghỉ chưa đủ dài (tng<4T) nên nhiệt độ chưa giảm xuống nhiệtđộ môi trường

Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

Khi số chu kỳ đủ lớn thì độ chênh nhiệt sẽ dao động giữa hai giá trị τmax và τminxác lập, đây là chế độ tựa xác lập

Đường cong 1 là đường cong phát nóng khi

thiết bị điện làm việc với dòng điện định

mức dài hạn Idhứng với công suất tổn hao dài

Ở chế độ tựa xác lập, ta có

phương trình phát nóng khi t = tlv

Phương trình nguội khi t = tng

Điều kiện: τmax = τdh

ck lv

t T nl

t T dh

e e

1 1

ck lv

t T nl

1 1

ck lv

t T nl

=100

%

I

K TL

=

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Chế độ làm việc ngắn mạch

Dòng điện ngắn mạch Inm= (10 – 100) Iđmxảy ra trong khoảng thời gian vàigiây (do các thiết bị bảo vệ tác động ngắt mạch điện)

thời gian xảy ra ngắn mạch thường nhỏ hơn rất nhiều so với

hằng số thời gian phát nóng:

tnm< 0,05 T

Chế độ làm việc ngắn mạch

od

t T

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Chế độ làm việc ngắn mạch

ỈỞ chế độ ngắn mạch, nếu tnm< 0,05 T : nhiệt lượng do dòng điện ngắn

mạch gây ra chỉ đốt nóng thiết bị điện và chưa kịp tỏa ra môi trường chungquanh: quá trình đoạn nhiệt

Nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ ngắn mạch lớn hơn rất nhiều so với ởchế độ làm việc dài hạn vì trong khoảng thời gian ngắn tính chất vật lý củavật liệu chưa kịp thay đổi

Ví dụ như đối với dây đồng có bọc cách điện cấpA, nhiệt độ cho phép trongthời gian ngắn mạch là 250oC

Chế độ làm việc ngắn mạch

dC C dV :vi phân nhiệt dung của vật dẫn

j, A/m2: mật độ dòng điện

γ, kg/m3: trọng lượng riêng

Cs, Ws/kgoC, nhiệt dung suất

ρ, Ωm - điện trở suất

ρo: điện trở suất ở nhiệt độ 00C

Cso: nhiệt dung suất ở nhiệt độ 0oC

α[1/oC]: hệ số nhiệt điện trở

β[1/oC]:hệ số nhiệt nhiệt dung

Nhiệt dung suất và điện trở suất phụ thuộc vào nhiệt độ do θ lớn

Chế độ làm việc ngắn mạch

1

tnm- thời gian xảy ra ngắn mạch

θbđnhiệt độ trước khi xảy ra ngắn mạch

° thường lấy θbđ= θođ: nhiệt độ ổn định ở chế độ làm việc dài hạn

θnm: nhiệt độ vật dẫn khi ngắn mạch

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

Chế độ làm việc ngắn mạch

Nếu mật độ dòng điệnj= const

θ θ

phân, chỉ phụ thuộc vào vật liệu, tra

sổ tay từ các đường cong đối với các

Nếu cho trước vật liệu, θbđ, θnmcf

Nếu thay đổi thời gian xảy ra ngắn mạch từ tnm1Ỉtnm2sao cho vẩn bảo đảmchế độ đoạn nhiệt (tnm< 5%T, thường tnm< 5s)

Khi biết vật liệu, θbđ, θnmcf

Inmcf

ỈAθbđ, Aθnm Ỉj2tnm

tnm, q

Ỉ

BMTBD-LT KCĐ-nxcuong-V2-11-05

trưng bằng giá trị dòng điện ngắn mạch cho phép chảy qua nó trong mộtkhoảng thời gian xác định mà không gây ra hư hỏng mạch vòng dẫn điện Sau sự cố ngắn mạch, thiết bị kỹ thuật điện trở lại làm việc bình thường

Ứng suất nhiệt cho phép (thermal stress withstand capacity)

Giá trị dòng điện bền nhiệt thường được tính theo các thời gian tiêu chuẩnlà 0,5; 1; 2; 3; 4 và 5 giây

Nếu cần phải tính giá trị dòng điện ở thời gian khác tiêu chuẩn, ta có

thể xác định theo:

Chế độ làm việc ngắn mạch

Điều kiện thỏa độ bền nhiệt của cáp:

K: hệ số đặc trưng của cáp phụ thuộc vào vật liệu dẫn

điện và cách điện, phụ thuộc vào nhiệt độ ban đầu khi xảy

ra ngắn mạch, K được cho bởi nhà sản xuất cáp

S: tiết diện cáp

tnm: thời gian ngắt bảo vệ

K

- conductor

- sleeves and seals pvc

60°C rubber 85°C rubber 90°C thermosetting (XLPE) impregnated paper

nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch °C

nhiệt độ ban đầu °C

* khi nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch có hai giá trị thì giá trị nhỏ hơn ứng với cáp có tiết diện lớn hơn 300mm 2

70 60 85 90 80 70 105 70 60 85 90 80

160/140 200 220 250 160 160 250 160/140 200 220 250 160

115/103 141 134 143 108 115 135 76/68 93 89 94 71

K vật liệu cách điện

copper

Aluminium

Ứng suất nhiệt cho phép (thermal stress withstand capacity)