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!
Sự phát nóng khí cụ điện BỘ MƠN 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 NĨNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN HỒ QUANG ĐIỆN LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN TIẾP XÚC ĐIỆN Khái niệm chung ● ● Tổn hao tồn thiết bị điện Tổn hao chủ yếu dạng nhiệt ● ● ● Làm tăng nhiệt độ thiết bị Tỏa môi trường Khi nhiệt sinh tổn hao với nhiệt tỏa môi trường → xác lập nhiệt Ảnh hưởng nhiệt độ ● Làm già hóa cách điện → giảm tuổi thọ thiết bị ● ● Nếu vượt 8°C so với nhiệt độ cho phép, làm việc lâu dài → tuổi thọ giảm 50% Làm giảm độ bền ● ● Vật liệu dẫn điện nhạy cảm với nhiệt độ Khi xảy ngắn mạch, nhiệt độ tăng cao → độ bền giảm → lực điện động có khả phá hỏng thiết bị Nhiệt độ cho phép – Cấp cách điện ● Độ tin cậy TBĐ phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng ● ● Phát nóng cho phép lớn > tin cậy Cấp cách điện theo nhiệt độ Cấp cách điện Y A E B F Nhiệt độ cho phép ( °C ) 90 105 120 130 155 H C 180 >180 Yêu cầu nhiệt độ 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 cấp cách điện tương ứng Chế độ cố ● ● Dòng điện lớn Thời gian ngắn dẫn đến nhiệt độ phát nóng cho phép thường cao chế độ làm việc dài hạn Độ tăng nhiệt thiết bị ΔT ● ΔT = θ – θ0 Nhiệt độ môi trường lúc ban đầu ● ● ● Nhiệt độ thiết bị Trong môi trường nhiệt độ cao độ tăng nhiệt thiết bị khơng lớn → không cho phép thiết bị tải nhiều Trong mơi trường có độ cao 1000m so với mực nước biển, ΔT bị khống chế mật độ không khí lỗng làm khả tỏa nhiệt thiết bị bị giảm Các dạng tổn hao thiết bị điện ● Ba dạng tổn hao Tổn hao chi tiết dẫn điện ● Tổn hao chi tiết 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 dòng điện chạy qua vật dẫn Khi cho dòng điện tức thời i(t) chạy qua dây dẫn thời gian t0 ● Tổn hao theo thời gian W = ∫R.i²(t)dt ● R phụ thuộc vào nhiều yếu tố ● ● ● ● Điện trở suất vật liệu Kích thước Tần số làm việc Vị trí 2.1 Tổn hao dẫn điện (2) ● R tính cơng thức đơn giản bỏ qua ảnh hưởng tần số, nhiệt độ, ● ● R = ρL/S [Ohm] Khi có tính đến ảnh hưởng tần số ● ● ● Hiệu ứng mặt Hiệu ứng gần Vị trí tương đối, hình dáng dẫn 10 Các phương pháp trao đổi nhiệt ● ● Nhiệt truyền từ nơi T cao nơi T thấp Có ba chế truyền nhiệt Dẫn nhiệt ● Đối lưu ● Bức xạ ● 15 3.1 Dẫn nhiệt (conduction) ● Quá trình truyền nhiệt phần tử có tiếp xúc trực tiếp (chất rắn) Trong thời gian dt ● Qua tiết diện ds ● Gradient nhiệt độ dθ/dx ● Độ dẫn nhiệt ς ● ● Nhiệt lượng truyền qua dx ds dθ/dx d²Q = λ.(- dθ/dx).dS.dt λ Hệ số dẫn nhiệt vật liệu 16 3.2 Đối lưu (circulation) ● Là trình truyền nhiệt phổ biến chất lỏng 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 phần tử môi trường … Created by Hoang Anh 17 3.3 Bức xạ (Radiation) ● ● Phát xạ sóng điện từ mang lượng Cơng thức Stefan – Boltzmann Фr = C1.ε.[ (T2/1000)4 (T1/1000)4].Sr ● ● ● T2,T1 nhiệt độ bề mặt xạ môi trường [Kelvin] C1 = 5,7.104 W/(m²K4) hệ số xạ vật đen tuyệt đối Epxilon – hệ số đen bề mặt xạ 18 3.4 Quá trình tổng hợp ● ● ● Thơng thường đối lưu xạ tồn Cơ chế truyền nhiệt chủ yếu thiết bị điện Dùng hệ số cho hai chế ● ● KT = (ФC + Фr)/(θ2 – θ1).ST KT thường xác định theo kinh nghiệm 19 Các chế độ nhiệt thiết bị điện ● Chế độ độ nhiệt ● ● ● Chế độ xác lập nhiệt ● ● Quá trình bắt đầu / ngừng làm việc thiết bị Quá trình kết thúc nhiệt độ thiết bị xác lập Nhiệt lượng tỏa thiết bị với nhiệt lượng tỏa mơi trường ngồi Chế độ nhiệt thiết bị điện bị ngắn mạch ● ● Xảy thời gian ngắn Nhiệt lượng không kịp tỏa môi trường 20 5.1 Chế độ độ nhiệt (1) ● Phương trình cân nhiệt Q1 = Q2 + Q3 Q1 – Nhiệt thiết bị tỏa (chủ yếu tổn hao) ● Q2 = KT.ST.ζdt – nhiệt lượng tỏa môi trường ● Q3 = c.G.dζ – lượng làm tăng nhiệt độ thiết bị ● KT – hệ số tỏa nhiệt đối lưu 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 độ nhiệt (2) ● ● ● Đóng điện cho thiết bị → nhiệt độ thiết bị tăng dần Sau thời gian, nhiệt độ khơng tăng Phương trình mơ tả ● P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ ● ● ● ● ● P tổn hao công suất (nguồn nhiệt) CT = c.G nhiệt dung riêng thiết bị c suất nhiệt dung riêng cho đơn vị khối lượng KT hệ số đối lưu + xạ ST diện tích bề mặt trao đổi nhiệt 22 5.1 Chế độ độ nhiệt (3) ● ζ= ● ● ● ● ● ● -(t/T) -(t/T) ζ0e +ζ∞(1-e ) 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) số thời gian phát nóng Q trình phát nóng (P > 0, ζ∞ ≠ 0) Q trình nguội (P = 0, ζ∞ = 0) 23 5.1 Chế độ độ nhiệt (4) Phát nóng ● ● ζ= -(t/T) -(t/T) ζ0e +ζ∞(1-e ) Khi bắt đầu làm việc, nhiệt độ thiết bị nhiệt độ môi trường , độ tăng nhiệt ban đầu zero, ζ0 = 24 5.1 Chế độ độ nhiệt (5) Quá trình nguội ● ● ζ= -(t/T) -(t/T) ζ∞e +ζ∞(1-e ) Khi bắt đầu nguội, thiết bị giảm nhiệt độ dần nhiệt độ mơi trường , ζ0 = 25 5.2 Chế độ xác lập nhiệt (1) P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ ● ● ● Nhiệt độ phụ thuộc vào công suất nhiệt thiết bị Diện tích tỏa nhiệt lớn > nhiệt độ bé Hệ số tỏa nhiệt lớn > nhiệt độ thấp 26 5.2 Chế độ xác lập nhiệt (2) P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ Khi đạt nhiệt độ xác lập : dζ = ζ = P/(KT.ST) ● P = f(In, a, b, r…) > Bài tốn kích thước theo dịng điện, nhiệt độ mơi trường, điều kiện tỏa nhiệt … ● 27 5.3 Chế độ nhiệt bị ngắn mạch (1) ● Ngắn mạch (chập mạch, đoản mạch) ● ● Dòng điện tăng lớn thời gian ngắn Thời gian loại trừ cố thiết bị bảo vệ tương đối nhỏ (~ ms) > nhiệt độ cho phép cao chế độ dài hạn ● Là trình đoạn nhiệt ● ● Khơng tỏa mơi trường ngồi Chỉ làm tăng nhiệt độ thiết bị 28 5.3 Chế độ nhiệt bị ngắn mạch (2) P.dt = KT.ST.ζdt + CT.dζ 29 ...Cấu trúc chương trình phần I ● ● ● ● ● ● KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN NAM CHÂM ĐIỆN SỰ PHÁT NĨNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN HỒ QUANG ĐIỆN LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN TIẾP XÚC ĐIỆN Khái niệm... T= CT/(KT.ST) số thời gian phát nóng Q trình phát nóng (P > 0, ζ∞ ≠ 0) Q trình nguội (P = 0, ζ∞ = 0) 23 5.1 Chế độ độ nhiệt (4) Phát nóng ● ● ζ= -( t/T) -( t/T) ζ0e +ζ∞(1-e ) Khi bắt đầu làm việc,... trị xác lập Dòng điện đạt giá trị định mức (danh định) dấn đến nhiệt độ phát nóng cho phép cấp cách điện tương ứng Chế độ cố ● ● Dòng điện lớn Thời gian ngắn dẫn đến nhiệt độ phát nóng cho phép