Sự phát nóng của khí cụ điện
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ, VIỆN ĐIỆN
Revised by Hoang Anh
ĐỊA CHỈ: C3 - 106
Cấu trúc chương trình phần I
● KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN ● NAM CHÂM ĐIỆN ● SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN ● HỒ QUANG ĐIỆN ● LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN ● TIẾP XÚC ĐIỆN
2
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.
3
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
4
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
độ
Cấp cách điện
Y
A
E
B
F
H
C
90
105
120
130
155
180 >180
Nhiệt độ cho phép ( °C )
5
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
● Chế độ sự cố
● Dòng điện lớn ● Thời gian rất ngắn dẫn đến nhiệt độ phát nóng cho phép
thường cao hơn chế độ làm việc dài hạn
6
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
7
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)
8
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 t0 ● 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
9
2.1 Tổn hao dẫn điện (2)
● R tính bằng công thức đơn giản nếu bỏ qua ảnh
hưởng của tần số, nhiệt độ, ● R = ρL/S [Ohm]
● Khi có tính đến ảnh hưởng của tần số
● Hiệu ứng mặt ngoài ● Hiệu ứng gần ● Vị trí tương đối, hình dáng thanh dẫn
10
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
11
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
12
2.3 Tổn hao sắt từ (2)
● Vật liệu sắt từ đặt trong từ trường biến thiên với tần
số f ● Tổn hao do dòng xoáy và từ trễ ● Công thức Steinmetz
PFe= (XT B1.6 +Xx.f.B2).f.G
● XX ● XT ● f ● B ● G
– hệ số tổn hao do dòng điện xoáy – hệ số tổn hao do từ trễ – tần số – từ cảm – khối lượng vật liệu sắt từ
[Hz] [Tesla] [kg]
13
2.3 Tổn hao sắt từ (3)
● Để giảm tổn hao sắt từ
● Do dòng xoáy
● Chia nhỏ khối thành các lá sắt từ ● Giảm từ thông nhằm giảm mật độ từ thông
● Do từ trễ
● Chế tạo bằng các vật liệu phi từ tính
14
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
15
3.1 Dẫn nhiệt (conduction)
● Quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử có tiếp xúc
dx
ds
trực tiếp (chất rắn) ● Trong thời gian dt ● Qua tiết diện ds ● Gradient nhiệt độ dθ/dx ● Độ dẫn nhiệt ς
dθ/dx
● Nhiệt lượng truyền qua d²Q = λ.(- dθ/dx).dS.dt λ Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
16
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 …
Created by Hoang Anh 17
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 = 5,7.104 W/(m²K4) hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối ● Epxilon – hệ số đen của bề mặt bức xạ
18
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
19
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) ● Q2 = KT.ST.ζdt – nhiệt lượng tỏa ra môi trường ● Q3 = 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
21
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 = KT.ST.ζdt + CT.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
22
5.1 Chế độ quá độ nhiệt (3)
● ζ = ζ0e-(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
(P > 0, ζ∞ ≠ 0)
● Quá trình phát nóng ● Quá trình nguội (P = 0, ζ∞ = 0)
23
5.1 Chế độ quá độ nhiệt (4) Phát nóng
● ζ = ζ0e-(t/T)+ζ∞(1-e-(t/T))
● 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
24
5.1 Chế độ quá độ nhiệt (5) Quá trình nguội
● ζ = ζ∞e-(t/T)+ζ∞(1-e-(t/T))
● Khi bắt đầu nguội, nếu để cho thiết bị giảm nhiệt độ
dần về nhiệt độ môi trường , thì ζ0 = 0
25
5.2 Chế độ xác lập nhiệt (1)
P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ
● 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
26
5.2 Chế độ xác lập nhiệt (2)
P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ ● Khi đạt nhiệt độ xác lập : dζ = 0 ζ = P/(KT.ST)
● P = f(In, a, b, r…) --> Bài toán kích thước theo dòng điện, nhiệt độ môi trường, điều kiện tỏa nhiệt …
27
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
28
5.3 Chế độ nhiệt khi bị ngắn mạch (2)
P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ
29
