Chơng III:phát nóng TRONG thiết bị điện III.1.Đại cơng về phát nóng III.1.1.Khái niệm chung Nhiệt lợng sinh ra do dòng điện chạy qua trong cuộn dây hay vật dẫn điện khi thiết bị điện làm việc sẽ gây phát nóng. Ngoài ra trong thiết bị điện xoay chiều còn có tổn hao dòng xoáy và từ trễ trong lõi sắt từ cũng sinh ra nhiệt. Nếu nhiệt độ phát nóng của thiết bị điện vợt quá trị số cho phép thì thiết bị điện sễ nhanh bị h hỏng, vật liệu cách điện nhanh bị già hoá, độ bền cơ khí của kim loại bị giảm sút. Nhiệt độ cho phép của các bộ phận của thiết bị điện tham khảo theo bảng cho sẵn. Trong tính toán phát nóng thiết bị điện thờng dùng khái niệm độ chênh lệch là hiệu số giữa nhiệt độ phát nóng và nhiệt độ môi trờng xung quanh thiết bị điện 0 . ở vùng ôn đới cho phép = 35 0 C, vùng nhiệt đới = 50 0 C. Sự phát nóng thiết bị điện còn phụ thuộc vào chế độ làm việc. Thiết bị điện có ba chế độ làm việc: Dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại. III.1.2.Các nguồn nhiệt trong thiết bị điện- Các phơng pháp truyền nhiệt Trong thiết bị điện một chiều sự phát nóng chủ yếu là do tổn hao đồng. Đối với thiết bị điện xoay chiều, sự phát nóng sinh ra chủ yếu là do tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao sắt từ trong lõi thép, ngoài ra còn tổn hao do hiệu ứng bề mặt. Song song với quá trình phát nóng có quá trình toả nhiệt gồm: Dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lu nhiệt. Quá trình dẫn nhiệt, nhiệt lợng dẫn tính theo công thức: dtdS X Q dQ = trong đó: dQ- Nhiệt lợng đợc dẫn theo phơng x; X Q - Là građien nhiệt lu theo phơng x; dS - Diện tích nhiệt lu đi qua; dt- Thời gian; - Hệ số dẫn nhiệt [W/ 0 C.cm 2 ]. Bức xạ nhiệt: Phụ thuộc bề mặt toả nhiệt. Đối lu nhiệt: Phân làm đối lu tự nhiên và đối lu cỡng bức, đối lu phụ thuộc vào vị trí phân bố của vật thể, kích thớc bề mặt, tính chất môi trờng xung quanh vật và nhiệt độ môi trờng. Nếu xét cả đồng thời ba hình thức trên thì có công thức Niutơn sau: P = .S. hay S P = trong đó: P- Nhiệt lợng toả ra; S - Diên tích toả nhiệt; - Độ chênh nhiệt của vật dẫn với môi trờng; - Hệ số toả nhiệt [N/ 0 C.cm 2 ]. Dùng công thức trên rất tiện nhng sai số cỡ (15ữ 25%). Hệ số tra trong tài liệu thiết kế: 27 + Với cuộn dây truyền nhiệt tốt trong phạm vi nhiệt độ 75 0 C ữ 120 0 C hệ số là: = 11.10 -4 ữ 12,98.10 -4 [N/ 0 C.cm 2 ]. + Với cuộn dây truyền nhiệt kém: = 9,84.10 -4 ữ 11,52.10 -4 [N/ 0 C.cm 2 ]. III.1.3.Nhiệt độ phát nóng và cấp cách điện Nhiệt độ môi trờng xung quanh quy định cho các nớc ở vùng ôn đới 0 = 35 0 C, nớc ở vùng nhiệt đới 0 = 40 0 C. Nhiệt độ phát nóng chênh lệch = - 0 quy định từng vùng ôn đới thì: = 35 0 C, vùng nhiệt đới = 50 0 C. Cấp cách điện: Căn cứ vào khả năng chịu nhiệt phát nóng lớn nhất của vật liệu cách điện mà không làm phá huỷ tính chất cơ bản của nó, ngời ta chia vật liệu cách điện ra làm các chất cách điện gồm các cấp: A: [T 0 ] = (90ữ 105) 0 C E: [T 0 ] = (105ữ 120) 0 C B: [T 0 ] = (120ữ 140) 0 C Các bộ phận thiết bị điện quy định + Vật liệu không bọc cách điện để xa vật liệu cách điện [T 0 ] =110 0 C + Dây nối tiếp xúc cố định [T 0 ] = 75 0 C + Tiếp xúc mạ bạc [T 0 ] =120 0 C + vật liệu dẫn điện có bọc cách điện thì: - Cấp O: [T 0 ] 80 0 C - Cấp A: [T 0 ] 95 0 C - Cấp B: [T 0 ] 110 0 C + Vật liệu không dẫn điện không bọc cách điện [T 0 ] 110 0 C Ngoài ra chế độ làm việc khác nhau có nhiệt độ lớn nhất cho phép khác nhau. III.2.Phát nóng trong thiết bị điện ở chế độ làm việc dài hạn Thiết bị điện làm việc dài hạn tức là thiết bị điện có thể làm việc liên tục lâu dài nhng thời gian làm việc phải không nhỏ hơn thời gian cần thiết để thiết bị phát nóng đến nhiệt độ ổn định. Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao một công suất P và trong thời gia dt sẽ gây ra một nhiệt lợng: P.dt = RI 2 dt (III-1) Nhiệt lợng hao tổn này bao gồm hai phần: - Đốt nóng vật dẫn G.C.d. - Toả ra môi trờng xung quanh S .dt Ta có phơng trình cân bằng nhiệt của quá trình phát nóng: P.dt = G.C.d + S. dt (III-2) trong đó: G- là khối lợng vật dẫn [g]; C- là tỉ lệ vật dẫn toả nhiệt [J/kg]; - là độ chênh lệch nhiệt [0 0 C]; - là hệ số toả nhiệt. Từ (III-2) ta có phơng trình: . . . . CG S dt d CG P += (III-3) 28 Giải phơng trình vi phân (III-3) với điều kiện tại t = 0 thì độ chênh lệch ban đầu là 0 , ta đợc: Khi t = 0 mà 0 = 0 thì: = T t od e1 (III-6) 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, ta có phơng trình nguội lạnh: I 2 R.dt = 0 (III-7) Và: G.C.d + S. + .dt = 0 nên có: 0 . . =+ S CG dt d (III-8) Với điều kiện khi ngắt dòng điện, độ chênh lệch nhiệt bằng độ chênh lệch nhiệt ổn định. Giải phơng trình vi phân (III-8) ta đợc biểu thức thể hiện quá trình nguội lạnh: T t od e = Hằng số thời gian phát nóng T là khoảng thời gian cần thiết để đốt nóng vật nên tới độ chênh nhiệt ổn định nếu không có sự toả nhiệt môi trờng xung quanh. Xác định hằng số T bằng giải tích, ta có: P.dt = G.C.d CG P dt d . = thì: 0 . . += t CG P Nếu 0 = 0 thì: t CG P . . = Khi 0 = od thì t = T. Từ od = T CG P . . và theo công thức Niutơn od = S P . Ta có: . . S CG T = (III-9) Dùng phơng pháp vẽ cũng có thể xác định đợc giá trị T. Từ gốc toạ độ gốc ta vẽ đờng tiếp tuyến với đờng cong 1 và đờng cong 2. Ta nhận đợc TAB = . AB BC tg Tdt d od t === = 0 29 t CG S t CG S ee S P . 0 . 1 . + = (iii-4) Đặt: . . S CG T = là hằng số thời gian phát nóng. od S P = . độ chênh nhiệt ổn định. ta có: T t o T t od ee + = 1 (III-5) [ ] st 0 0 1 2 3 dô T A B Hình III-1: Phát nóng dài hạn trong đó: BC = ôd vậy TAB = . Quá trình phát nóng có toả nhiệt ra môi trờng xung quanh thì sau thời gian T độ chênh lệch nhiệt chỉ đạt tới giá trị 0,632 ôd . III.3.Phát nóng trong thiết bị điện ở chế độ làm việc ngắn hạn ở chế độ làm việc ngắn hạn độ chênh lệch nhiệt của thiết bị điện sau thời gian làm việc cha đạt tới trị số ổn định thì thiết bị điện đã ngừng làm việc. Nhiệt độ phát nóng ở chế độ này là nhỏ nhất. Khi ngừng làm việc (I = 0) quá trình nguội lạnh lại bắt đầu. Giả sử làm việc dài hạn đờng cong phát nóng là đờng 1 trong hình III-2. Phụ tải này là P f : Đờng cong phát nóng trờng hợp này là đờng 2. Điểm M trên đờng 2 thoả mãn phơng trình độ chênh nhiệt của quá trình phát nóng: = T t f lv e1 max (III-12) Sau thời gian làm việc t lv dòng điện ngừng chạy vào vật dẫn do đó vật dẫn nguội lạnh theo quy luật nh khi làm việc dài hạn (đờng 3). Từ các biểu thức (III-10), (III-11), (III-12) và gọi f n p P P K = là hệ số qua tải công suất ta rút ra: 1 1 1 max > === T t ff n p lv e P P K (III-13) Vì công suất tỷ lệ với bình phơng dòng điện nên: T t p n I lv e K I I K ì === 1 1 (III-14) K I - Hệ số quá tải về dòng điện. Ví dụ: Một thiết bị điện có T = 180s nếu làm việc dài hạn thì dòng điện cho phép I f =100A nhng nếu làm việc ngắn hạn trong thời gian t lv = 5s thì có thể tăng dòng điện lên bao nhiêu? Lời giải: 6 1 1 1 1 180 5 = = = e e K T t I lv Vậy dòng cho phép lớn nhất là: I n = K I .I f = 6. 100 = 600[A]. 30 Hình III-2: Phát nóng khi ngắn hạn 0 lv t [ ] st M 1 f max 1 2 3 P f = .S. f (III-10) Sau thời gian t lv (thời gian làm việc ngắn hạn) độ chênh nhiệt mới đạt tới trị 1 < f nên thiết bị điện làm việc non tải và cha lợi dụng hết khả năng chịu nhiệt. Từ đó ta thấy rằng có thể nâng phụ tải lên để sau thời gian làm việc ngắn hạn t lv độ chênh nhiệt vừa đạt tới trị số cho phép f phụ tải lúc này là P n : P n = .S. max (III- 11) III.4.Phát nóng trong thiết bị điện ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại Đây là một chế độ mà thiết bị điện làm việc trong một thời gian t lv mà nhiệt độ phát nóng cha đạt tới bão hoà và sau đó nghỉ một thời gian t ng mà nhiệt độ cha giảm về nhiệt độ ban đầu và tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ. Quá trình làm việc là nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn nh vậy. Để thể hiện mức độ làm việc lặp lại, ngời ta dùng khái niệm hệ số làm việc (còn gọi là hệ số đóng điện): ĐL% = %100. nglv lv tt t + (III-15) Trong thực tế ĐL% thờng bằng 25%, 40%, 60%. Trong chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, nhiệt độ phát nóng nhỏ hơn chế độ làm việc dài hạn nhng lớn hơn chế độ ngắn hạn. Tổng thời gian làm việc t lv và thời gian nghỉ t ng gọi là thời gian chu kỳ t ck . t ck = t lv + t ng Ta giả thiết tại thời điểm ban đầu độ chênh nhiệt độ của vật dẫn là 0 sau thời gian làm việc t lv vật dẫn đợc đốt nóng đến độ chênh nhiệt là: T t T t od lvlv ee + = 01 1 (III-16) Sau thời gian nghỉ t ng vật dẫn nguội xuống nhiệt độ: T t ng e = 12 (III-17) Chu kỳ tiếp theo vật dẫn lại bị đốt nóng tới độ chênh nhiệt độ: Giải hai phơng trình này ta đợc: T tt T t od nglv lv e e + = 1 1 max (III-21) Với: ôđ - Độ chênh nhiệt ổn định bằng độ chênh nhịêt cho phép f [ 0 C] max - Độ chênh nhiệt lớn nhất khi làm việc ngắn hạn lặp lại [ 0 C] Có: max < f = ôđ nên có thể cho tăng tải thêm lên để làm việc nh ở đờng cong phát nóng 2 (ứng với nl > f ) hình III-3, để sau thời gian làm việc = f . Ta có: 31 Hình III-3: Phát nóng khi ngắn hạn lặp lại max f / max min [ ] st lv t ng t 2 1 3 4 ck t T t T t od lvlv ee + = 23 1 (III-18) Sau một số chu kỳ độ chênh nhiệt độ đạt đến độ chênh nhiệt cực đại max và độ chênh nhiệt độ cực tiểu min không thay đổi, ta gọi là thời kỳ ổn định. Tơng tự nh trên ta viết: Quá trình phát nóng: T t T t od lvlv ee + = minmax 1 (III-19) Quá trình nguội lạnh: T t ng e = maxmin (III-20) T tt T t nif nglv lv e e + = 1 1 (III-22) Hệ số quá tải công suất: T t T t cf nl P lv ck e e K = 1 1 (III-23) Hệ số quá tải dòng điện: T t T t P cf nl I lv ck e e KK === 1 1 (III-24) Hình III-3 so sánh đặc tính phát nóng khi làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại (đờng 3) với đặc tính phát nóng khi làm việc dài hạn (đờng 1) ta thấy khi làm việc ngắn hạn lặp lại lại có thể tăng thêm phụ tải (đờng 4). III.5.Sự phát nóng khi ngắn mạch Thời gian ngắn mạch xảy ra rất ngắn lên nhiệt độ cung cấp cho vật thể hoàn toàn dùng để đốt nóng vật dẫn và gần đúng ta coi không có nhiệt lợng toả ra môi trờng xung quanh. Trong thời gian dt dòng điện ngắn mạch sinh ra nhiệt lợng là: dQ = K nm .I 2 .R.dt = K nm .I 2 . dt S l . (III-25) trong đó: R R K m ' = ; R- Là điện trở một chiều của vật dẫn; R ' - Là điện trở xoay chiều của vật dẫn; S - Là tiết diện của vật thể. Toàn bộ nhiệt lợng do dòng điện ngắn mạch sinh ra để đốt nóng vật dẫn lên độ chênh nhiệt độ là d nm . Ta có phơng trình: dQ = C.G.d nm = C.S.l d nm (III-26) Với: - là khối lợng riêng của vật dẫn; C- là nhiệt dung của vật dẫn; So sánh biểu thức (III-25) và (III-26) ta có: dt F I K C d nmnm . . 2 = Lấy tích phân ta đợc: dt S I K C t nmnm . . 0 2 = (III-27) Khi I = const thì: tJt S I dt S I t 2 2 0 2 . = = . Có: tJ C K nm nm 2 . = (III-28) Nếu độ chênh lệch nhiệt lúc bắt đầu ngắn mạch là ôđ thì kết thúc ngắn mạch độ chênh lệch nhiệt sẽ là: ' nm = ôđ + nm . Trong thực tế , C thay đổi theo nhiệt độ: 32 C = C 0 [1+ b 0 ( ôđ + nm )]; = 0 [1+ 0 ( ôđ + nm )]. (III-29) trong đó: C 0 - nhiệt dung riêng khi = 0; 0 - hệ số nhiệt điên trở; b 0 - hệ số nhiệt độ tỉ nhiệt; 0 - điện trở suất khi = 0. Thay (III-29) vào (III-28) ta đợc: ( ) [ ] ( ) [ ] dt S I bC K nmod nmodnm nm 1 1 . 2 00 00 ++ ++ = . (III- 30) Câu hỏi ôn tập Chơng III 1- Thế nào là chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại trong thiết bị điện? Các chế độ này có liên quan gì đến quá trình đốt nóng và làm nguội thiết bị điện? 2- Các nguồn nhiệt trong thiết bị điện là gì? Các phơng thức truyền nhiệt trong thiết bị điện nh thế nào? Nó thể hiện ở phơng trình nào? 3- Hãy xây dựng biểu thức quá trình nung nóng và làm nguội của vật thể đồng nhất ở chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại và chế độ ngắn mạch? 4- Mục đích của việc khảo sát quá trình nung nóng và làm nguội thiết bị điện ở các chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại và chế độ ngắn mạch để làm gì? 33 . III :phát nóng TRONG thiết bị điện III.1.Đại cơng về phát nóng III.1.1.Khái niệm chung Nhiệt lợng sinh ra do dòng điện chạy qua trong cuộn dây hay vật dẫn điện khi thiết bị điện làm việc sẽ gây phát. lại trong thiết bị điện? Các chế độ này có liên quan gì đến quá trình đốt nóng và làm nguội thiết bị điện? 2- Các nguồn nhiệt trong thiết bị điện là gì? Các phơng thức truyền nhiệt trong thiết bị. nhiệt Trong thiết bị điện một chiều sự phát nóng chủ yếu là do tổn hao đồng. Đối với thiết bị điện xoay chiều, sự phát nóng sinh ra chủ yếu là do tổn hao đồng trong dây quấn và tổn hao sắt từ trong