Xem mẫu

  1. CHƯƠNG 6 SỰ PHÁT NÓNG CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN    
  2. 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    
  3. 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.    
  4. 6.1. KHÁI NIỆM CHUNG Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 8oC 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 100oC đến 250oC thì độ bền cơ giảm 40%, khi độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường hợp ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị. Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng của chúng. Dựa vào mức độ chịu nhiệt của Vliệu cách điện, ta có các cấp cách điện: Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ cho 90 105 120 130 155 180 >180   phép (ºC)  
  5. 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 = 350C, vùng nhiệt đới τ = 500C. Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc. τ ôđ = θôđ - θo : độ chênh nhiệt độ ổn định.    
  6. 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.    
  7. 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 : t W = ∫ i 2 Rdt (6.1) 0 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: l R− = ρ S    
  8. 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: R 1~ = K m .R − Trong đó: R− là đtrở 1 chiều; R1~ là đtrở xchiều. Km > 1 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    
  9. 6.2.1. TỔN HAO TRONG CÁC CHI TIẾT DẪN ĐIỆN R 2~ Kg = R 1~ - Trong đó: R2~ là đtrở của ddẫn khi nó đặt gần ddẫn khác. R1~ 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: R 2~ R 2~ R 1~ K ph = = . = K g .K m (6.2) R- R 1~ R −    
  10. 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: PFe = ( K T Bm, 6 + K X f .Bm ). f .G 1 2 (6.3) Trong  ã:­P Fe:Tæ n  ®      hao  tt ( ) s¾  õ W .            m :Tr sè  ª ® é          ­B   Þ  bin  cña õ  t c¶m  T) ( .           :TÇ n  t t­         ­f  sè õ rêng H z) ( .            T, X :H Ö   t n          ­K K   sè æ hao  t tÔ   dßng  i n  y. do õ r vµ  ® Ö xo¸               K (1, ÷ 2, )    (0, ÷ 1, )                 T=   9    6 ;K X  =   4    2          ­G    ­ ng             :Khèilî cña  ¹ t (kg . m ch õ   )  KL:N h­    vËy æ n  t hao  tt phô huéc  s¾  õ  t vµo Ç n   õ  t sè,t c¶m   ® i n r xo¸ cña   i u. vµ  Ö të  y  vËtlÖ      
  11. 6.2.2. TỔN HAO TRONG CÁC PHẦN TỬ SẮT TỪ ­Tr t­   ong rêng  p  ¬n  ¶n  t  Ýnh  hî ® gi cã hÓ t :             Fe  p0             P =  .G             0:suÊtt n            p    æ hao  tt ( / ) s¾  õ W kg . ­§Ó   ¶m  æ n    gi t hao r tong  c   i ts¾ tt d¹ khèi  c¸ chitÕ    õ  ng  , ng­êit sö   a  dông  c  Ö n  p  c¸ bi ph¸ sau:  +  o  hë   õ Ýnh heo  ­êng  icña õ h«ng    T¹ khe  phit t t ® ®  t t ® Ó  ¨ t të,gi  õ h«ng gi   )­  tng õ r   ¶m t t ( ¶m Bm   b»ng  ch  c¸ c¾ tm ¹ t r     ch õ a,sau  hµn ¹  lib»ng  ång. ®  +  tt m     §Æ  hª vßng  ng¾ n  ¹   Ó  ¨ t kh¸   m ch ® tng õ  ng, gi  õ h«ng. ¶m t t  +  ic¸ chitÕ tcho hi tbÞ  dßng  i n í h¬n    Ví  c   i   t Õ   cã  ® Ö ln  1000    ­î chÕ  ¹ b»ng   i u   õ Ýnh  ­: A,® c  to  vËtlÖ phit t nh   gang,t p   hÐ kh«ng dÉn õ… . t    
  12. 6.2.3. TỔN HAO TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN   ­í  ¸ dông  ­ D itc  ® Ö t­ cña  i n  rêng  Õ n  hin, tong    bi t ª   r vËt lÖ u  ch  i n  nh a æ n  i c¸ ® Ö si r t hao  i n  «i  ®Ö m . tδ g P = 2π.f.U 2 .tgδ (6.4) Trong  ã:P µ  ®   l c«ng  suÊtt n   æ hao W )( .         fl t sè  ® Ö t­           µ Ç n  cña  i n rêng H z) ( U         U  µ  i n p V)          l ® Ö ¸ ( H ×nh  1 6.         t lµ ang          gδ t cña  gãc æ n  t hao  i n  «i  ® Ö m ,phô huéc t vµo  i n p  ® ­î cho  hình ® Ö ¸ vµ  c  ë  ­KL:Tổn hao điện môi chỉ đáng kể khi điện áp cao.        
  13. 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.    
  14. 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: ∂θ d Q = −λ 2 dS .dt (6.5) ∂x Trong đó: d2Q 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 ∂θ / ∂x 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 đ ến nơi có nhiệt độ thấp, ngược chiều với gradient nhiệt   độ.
  15. 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: Φ c = α c (θ 2 − θ1 )Sc (6.6) Trong đó: Фc là nhệt lượng truyền qua bề mặt Sc trong thời gian 1 giây, (W) - αc là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu (lấy theo công thức kinh ngiệm SGK [1]). W/m2.deg - θ 2 , θ1 là nđộ bề mặt tỏa nhiệt và nđộ môi trường (ºC)  
  16. 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:  T2  4  T1  4  Φ r = C 0 ε   −  S r (6.7)   1000   1000    Trong đó: Фr là nhệt lượng truyền bằng bức xạ trong thời gian 1 giây qua bề mặt bức xạ Sr [m2] , Фr (W) - C0 = 5,7.104 W/m2ºK4 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.    
  17. 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.    
  18. 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 = RI2dt (6.8) Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:  Đốt nóng vật dẫn Q1= G.C.dτ  Tỏa ra môi trường xung quanh Q2= S α.τ .dt. Hay : Q = Q1 + Q2 (6.9)    
  19. 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: P.dt = G.C. dτ + S α.τ .dt. (6.10) Trong đó: G : là khối lượng vật dẫn (g) C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g) τ : là độ chênh nhiệt (00C) α : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm2)    
  20. 6.4. QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG CỦA VẬT THỂ ĐỒNG CHẤT KHI LÀM VIỆC DÀI HẠN P dτ S .α Từ (6.10), Ta có phương trình: = + .τ G.C dt G.C Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh nhiệt ban đầu là τ 0, ta được: αS αS P  − t − t τ= 1 − e GC  + τ 0 e GC (6.11) S .α     G.C Đặt T= hằng số thời gian phát nóng : S .α là P = τ od độ chênh (tăng) nhiệt ổn định. S .α