CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN

Sự tăng nhiệt độ của các thiết bị càng làm tăng tổn thất điện năng do điện trở của các phần dẫn điện tăng, do đó làm giảm khả năng mang tải của chúng.. Độ bền cơ học của các chi tiết tro

CHƯƠNG 2

CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA THIẾT BỊ ĐIỆN

§2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Trong quá trình hoạt động dòng điện làm việc của các thiết bị điện gây ra một

sự tổn thất điện năng Lượng điện năng tổn thất được thể hiện dưới dạng nhiệt làm tăng nhiệt độ của các thiết bị Sự tăng nhiệt độ của các thiết bị càng làm tăng tổn thất điện năng do điện trở của các phần dẫn điện tăng, do đó làm giảm khả năng mang tải của chúng Độ bền cơ học của các chi tiết trong các thiết bị điện giảm khi nhiệt độ tăng, điều đó làm giảm độ tin cậy của chúng Khi nhiệt độ tăng tổn thất trong chất điện môi sẽ tăng, làm cho độ bền điện của chúng giảm, dẫn đến giới hạn đốt nóng cho phép của các thiết bị bị giảm Đó chính là những nguyên nhân cơ bản làm tăng nhanh quá trình già hoá cách điện và làm giảm tuổi thọ của thiết bị điện Nghiên cứu chế độ nhiệt của các thiết bị điện là nhiệm vụ quan trọng, vì từ đó

có thể xác định được các điều kiện làm việc an toàn của các thiết bị, đặc biệt là khả năng mang tải của chúng Việc nghiên cứu chế độ nhiệt của các thiết bị điện là bài toán khá phức tạp vì sự tăng của nhiệt độ, sự truyền nhiệt và ngay cả sự phát sinh nhiệt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như các tham số chế độ (dòng điện, điện áp, tần số,tổn thất vv), đặc điểm cấu trúc (vật liệu, kết cấu lõi thép, cuộn dây, môi chất làm mát vv), tham số của môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất không khí vv) và các tham số vật lý khác như quán tính, độ nhớt vv Tuỳ theo mục đích cụ thể

để có thể lựa chọn phương pháp tính toán chế độ nhiệt phù hợp với sai số nằm trong giới hạn cho phép

§2.2 SỰ CÂN BẰNG NHIỆT VÀ TUỔI THỌ THIẾT BỊ ĐIỆN 2.2.1 Cân bằng nhiệt

Khi các thiết bị điện làm việc sự hao tổn công suất trong máy sinh ra một lượng

nhiệt, lượng nhiệt này một phần làm tăng nhiệt độ của máy, phần còn lại được toả ra môi trường xung quanh Sự truyền nhiệt trong các thiết bị được diễn ra theo các phương thức: dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và đối lưu Theo định luật bảo toàn năng lượng, nhiệt năng sinh ra trong thiết bị điện bằng tổng nhiệt năng làm nóng thiết bị

và nhiệt năng toả ra môi trương xung quanh Phương trình cân bằng nhiệt trong thiết

bị điện có thể biểu thị dưới dạng

P.dt = cG.d+ qF.dt (2.1)

trong đó:

P - hao tổn công suất trong thiết bị điện; (W)

t - thời gian tác động của phụ tải;

c - nhiệt dung, W.s/;(kg.0C)

G - khối lượng của vật thể; (kg)

q - nhiệt lượng toả ra trên một đơn vị diện tích bề mặt, W/mm C

F - diện tích bề mặt tiếp xúc, mm2

 - độ tăng nhiệt độ của thiết bị so với môi trường thời điểm t, =νth.bị- νxq;

νth.bị - nhiệt độ của thiết bị điện;

νxq - nhiệt độ của môi trường xung quanh;

Trong tính toán coi νxq không đổi nên d = dν

A, B - các hằng số, xác định theo các điều kiện ban đầu;

k - nghiệm của phương trình đăc trưng: cGk + qF = 0

cG

qF

k   Tức là  = A cG t

Để xác định các hệ số A, B ta xét một số tình huống cụ thể như sau:

Thứ nhất, thiết bị từ trạng thái không tải sang trạng thái tải công suất S (hình 2.1a):

- Ở thời điểm ban đầu khi t = 0 thì nhiệt độ của thiết bị và môi trường xung quanh băng nhau, tức là độ chênh lệch nhiệt độ giữa thiết bị và môi trường xung quanh bằng không  = 0, lúc đó (2.1) có dạng :

∆P.dt = cG.d t

cGP







 (2.3)

Từ (2.3) thấy rằng độ tăng nhiệt độ tăng tuyến tính với thời gian, có nghĩa là lúc

đầu nhiệt độ dồn vào để làm nóng thiết bị nhưng sẽ chỉ đạt tới mức nhất định thì

nhiệt lượng bị tỏa ra môi trường xung quanh

Tại thời điểm t=0, thay các giá trị vào (2.2) được 0AB,suy ra A = -B

- Ở thời điểm thì  đạt đến giá trị xác lập  = , do vậy d = 0, cho nên (2.1) có

dạng ∆P.dt = q. dt, ta được:

F.qP





 (2.4) Tại thời điểm t = , thay các giá trị vào (2.2) được  A.e T B0

Trên hình 2.1b thể hiện đường cong  theo công thức (2.5)

Thứ hai, thiết bị từ trạng thái mang tải từ S 0 sang S (hình 2.2a):

Khi thiết bị mang tải S1 thì tổn thất công suất trong nó là ∆P1, độ tăng nhiệt độ

là 1, còn với tải S2 thì tổn thất công suất trong nó là ∆P2, độ tăng nhiệt độ là 2 Các

độ tăng nhiệt độ được xác định theo công thức (2.4), cụ thể là:

F.q

P

;F.q

2 1 1

Có thể suy luận dễ dàng, sự thay đổi (quá trình quá độ) tử độ tăng nhiệt 1 sang

2 bằng biểu thức như sau:

Hình 2.1 Sự thay đổi độ tăng nhiệt độ khi thiết bị từ không

tải sang mang tải S, a) công suất, b) độ tăng nhiệt độ

    



T t 2

1 1 e (2.7)

Trên hình 2.2b thể hiện đường cong  theo công thức (2.7)

Thứ ba,thiết bị từ trạng thái mang tải S về không tải ( hình 2.3a)

Khi thiết bị mang tải S thì tổn thất công suất trong nó là ∆P, độ tăng nhiệt độ là

s được xác định theo công thức (2.4), cụ thể là:

F.q

Hình 2.2 Sự thay đổi độ tăng nhiệt độ khi thiết bị từ mang

tải S1 sang S2, a) công suất, b) độ tăng nhiệt độ

Hình 2.3 Sự thay đổi độ tăng nhiệt độ khi thiết bị từ mang

tải S về không tải, a) công suất, b) độ tăng nhiệt độ

s

t

Các tình huống xem xét trên cho phép phân tích động học biến đổi của nhiệt độ trong thiết bị điện Hằng số thời gian đốt nóng T của các thiết bị điện hoàn toàn có thể xác định phụ thuộc vào công suất định mức và phương thức làm mát của chúng Đối với các loại máy biến áp, thường giá trị hằng số thời gian đốt nóng T này dao động trong khoảng (2,53,5) giờ (xem bảng 2.1) Hằng số thời gian đốt nóng của các cuộn dây, theo sự tương quan về khối lượng, có thể nằm trong khoảng 47 phút,

vì nhiệt dung của các cuộn dây khá cao và bản thân chúng nằm trong môi trường làm mát tốt là dầu Giá trị hằng số thời gian đốt nóng máy phát có thể lấy gần bằng các trị số cho trong bảng 2.2

Bảng 2.1 Hằng số thời gian đốt nóng của một số loại máy biến áp

5 100125 Cưỡng bức dầu và không khí (TMAE) 2,5

6 > 125 Cưỡng bức dầu và không khí (TMAE) 3,5

Bảng 2.2 Hằng số thời gian đốt nóng máy phát

-Tuổi thọ vật lý là thời gian tính từ khi công trình bắt đầu sử dụng đến khi thiết

bị không thể đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

-Tuổi thọ công nghệ là thời gian tính từ khi công trình bắt đầu được sử dụng

đến khi công nghệ bị lạc hậu so với các công nghệ mới

-Tuổi thọ sản phẩm là thời gian tính từ khi bắt đầu dự án đến khi sản phẩm làm

ra không còn được chấp nhận nữa

-Tuổi thọ kinh tế là giá trị nhỏ nhất trong ba loại tuổi thọ trên

Tuổi thọ định mức là thời hạn làm việc của thiết bị được ấn định bởi nhà chế tạo với điều kiện là thiết bị làm việc ở chế độ định mức trong các điều kiện tiêu chuẩn Tuổi thọ của các thiết bị phụ thuộc chủ yếu vào chế độ nhiệt của chúng Trong quá trình làm việc các vật liệu cách điện bị già hoá do tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tác dụng hoá học vv Quá trình già hoá của thiết bị thực chất là quá trình suy giảm đặc tính cách điện do sự biến đổi hoá chất xẩy ra trong cách điện dưới sự tác động của các yếu tố khác nhau trong quá trình vận hành, đặc biệt là sự tác động của nhiệt

độ Các dao động lớn về nhiệt có thể làm lỏng các kẹp, chêm cuộn dây máy biến áp, làm tăng nguy cơ sự cố nội bộ của cuộn dây Một khi cuộn dây không được giữ chặt thì sẽ có nguy cơ bị rung ở tần số làm việc hoặc bị dịch chuyển do đó có thể sẽ gây phương hại đến cách điện, làm tăng hao mòn vật liệu cách điện, giảm chất lượng điện môi, kết quả là làm giảm tuổi thọ của thiết bị Các dao động nhiệt vượt quá mức của nhiệt độ vận hành theo chu kỳ sẽ gây ra hiện tượng giảm tuổi thọ tích luỹ lặp lại, do đó làm giảm tuổi thọ chung của thiết bị

2) Sự lão hoá của cách điện

Các loại cách điện dùng trong máy biến áp, ngoài dầu còn có các các loại cách điện ở thể rắn như giấy được làm từ glucose Sự lão hoá cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ, hàm lượng hơi nước, hàm lượng oxy và hàm lượng axit Thước đo của sự lão hoá cách điện có chứa các phân tử cellulose là độ khử trùng hợp (depolimeiation) hay còn gọi là độ khử polime hoá (DP) Nó được biểu thị bởi số vòng glucose kết hợp bên trong cellulose Ở trạng thái chưa bị bảo hoà, trị số DP của cellulose có giá trị trong khoảng 1200, dưới sự tác động của các tác nhân như nhiệt

độ, ôxy hoá, thuỷ phân giá trị này bị giảm dần theo thời gian

a) Sự lão hoá vì nhiệt

Nhiệt là tác nhân lớn làm thúc đẩy các phản ứng hoá học, làm tăng cường quá trình khử polyme hoá, phá vỡ sự liên kết của các phân tử cellulose, quá trình này bắt đầu ở nhiệt độ làm việc của thiết bị Sự tác động nhiệt đối với sự liên kết của phân

tử cellulose được thể hiện trên hình 2.1 Các sản phẩm già hoá điển hình là glucose

tự do, nước, cacbônmonoxide và cacbondioxide

Quá trình oxy hoá dẫn đến sự tách các vòng glucose và hình thành acid, ketone

và phenol Quá trình này diễn ra một cách từ từ, khi nhiệt độ càng cao thì quá trình phân tách các vòng gllucose diễn ra càng nhanh

b) Sự lão hoá thuỷ phân

Nước cũng là mối đe doạ đáng sợ đối với độ bền của cách điện, sự có mặt của nước sẽ đẩy nhanh quá trình khử trùng hợp Quá trình khử trùng hợp mà có sự tham gia của nước được gọi là quá trình khử polime hoá thuỷ phân Các phân tử H2O luôn hướng tới sự lôi kéo các phân tử Oxy tham gia vào phản ứng Oxy hoá, làm phá

vỡ các cầu Oxy nối giữa các phân tử glucose (hình 2.2), do đó làm cho các liên kết giữa các phân tử cellulose bị phá huỷ, làm cho số lượng DP bị giảm Quá trình lão hoá cách điện tỷ lệ thuận với hàm lượng nước Nước có thể tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau trong máy biến áp, trong đó có 3 dạng cơ bản là:

- Nước không phân huỷ, đó là dạng hydro gắn với các cellulose hydro carbon mà

Hình 2.2.Tác động của nước đối với

sự liên kếtcủa các phân tử celulose

Hình 2.1 Tác động của nhiệt đối

với sự liên kết của phân tử

3) Độ bền cơ học và giới hạn đào thải cách điện

Độ bền cơ học được xác định bởi độ dài của các phân tử cellulose Khi giá trị DP

của cách điện giảm thì độ bền cơ học của chúng cũng sẽ bị giảm Ví dụ giấy cách điện Kraft trong tình trạng mới có độ khử trùng hợp DP là 10001200 ứng với độ bền cơ học khoảng  =100115 Nm/g Độ bền này sẽ giảm khi độ DP giảm, đặc biệt

 giảm rất nhanh khi DP<500 Sự phụ thuộc giữa độ bền cơ học vào độ DP của cách điện được thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Sự phụ thuộc của độ bền cơ học vào độ Dp của cách điện

Trong quá trình làm việc dưới sự tác động của các yếu tố trên cho đến một thời điểm giới hạn mà hệ thống không còn có thể chấp nhận được và cách điện không còn có thể đảm bảo được tính năng cần thiết, tức là khi cách điện không còn tác dụng thì sẽ dẫn đến sự đào thải thiết bị

Hình 2.4 thể hiện sự phụ thuộc của độ bền cơ học vào độ Dp của cách điện

4)Tuổi thọ và nhiệt độ

Cách điện bị hao mòn dần do nhiệt độ tác động, dẫn đến làm ảnh hưởng tuổi thọ của thiết bị Theo định luật Arrhenius thì tuổi thọ và nhiệt độ được biểu diễn bởi công thức sau:

N = Ae-p

(2.10)

ở đây : N - tuổi thọ của thiết bị, năm;

A, p - hằng số đặc trưng cho hao mòn cách điện;

 - nhiệt độ, 0C

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của độ bền cơ học vào độ Dp của cách điện

Khi thiết bị có nhiệt độ định mức dm ( ví dụ đối với máy biến áp theo CEI dm =

ln p

dm p

( Công thức toán :

693,0

12ln

eln

;22e

logelogx

e ln x log x 2

693

,

0



 đặc trưng cho hao mòn cách điện, theo CEI lấy 60C

Ý nghĩa 60C như sau :

Từ đó dễ nhận thấy rằng nếu nhiệt tăng thêm 120C so với định mức thì tuổi thọ giảm chỉ còn

4

1

so với định mức, và lẽ đương nhiên ngược lại, nếu nhiệt độ giảm

đi 6OC so với định mức thì tuổi thọ của thiết bị tăng lên gấp đôi, nhiệt độ giảm đi

12OC so với định mức thì tuổi thọ của thiết bị tăng lên gấp bốn,

5) Ảnh hưởng của chế độ mang tải đối với tuổi thọ của thiết bị

Ngoài yếu tố nhiệt độ làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của thiết bị thể hiện theo công thức (2.11) thì chế độ mang tải cũng ảnh hưởng đến tuổi của thiết bị Giả sử kmt là

hệ số mang tải của thiết bị (

dm mt

.N

k 1

dm

2 mt dm

d m 1 k

2

L được gọi là hệ số nhiệt-mang tải

Từ công thức (2.12) thấy rằng nếu thiết bị làm việc non tải thì tuổi thọ có thể được kéo dài, còn nếu làm việc quá tải thì tuổi thọ sẽ bị giảm, có nghĩa là tuổi thọ của thiết bị điện là một đại lượng biến thiên phụ thuộc vào chế độ làm việc và điều kiện làm mát Khả năng làm việc quá tải của thiết bị không chỉ phụ thuộc vào hệ số quá tải, mà còn phụ thuộc vào chế độ mang tải trước đó

Thời gian phục vụ ở chế độ thứ i ứng với hệ số mang tải kmt.i khi quy đổi về chế

độ làm việc định mức sẽ có giá trị

i

i qdiL

t

ti – thời gian làm việc thực tế (giờ) ở chế độ thứ i trong ngày;

Thời gian dự trữ tdt (giờ) do thiết bị làm việc non tải được xác định theo biểu thức

tdt = 24 - 



m

i qdi

t

1

(2.14)

m – số lần thay đổi chế độ làm việc trong ngày;

Thời gian làm việc quá tải cho phép của thiết bị tqt được xác định theo biểu thức

qt dt

qt t L

t  (2.15)

Như vậy, nếu trong quá trình vận hành thiết bị làm việc với phụ tải thấp hơn giá trị định mức, thì chúng có thể làm việc quá tải trong một khoảng thời gian nhất định

mà không làm ảnh hưởng đến tuổi thọ định mức ấn định bởi các nhà chế tạo

§2.3 CHẾ ĐỘ NHIỆT CỦA CÁC THIẾT BỊ CHÍNH 2.3.1 Chế độ nhiệt của máy biến áp

1) Chế độ nhiệt xác lập của máy biến áp

Ở chế độ xác lập, khi máy biến áp làm việc bình thường, nhiệt độ của máy đạt đến một giá trị ổn định Lúc này toàn bộ lượng nhiệt do máy sinh ra sẽ được toả ra môi trường xung quanh nhờ quá trình trao đổi nhiệt với sự trợ giúp của hệ thống làm mát Với các tham số định mức máy biến áp có thể làm việc bình thường trong khoảng thời gian 2530 năm, nếu điều kiện làm mát của môi trường đảm bảo đúng trong giới hạn giá trị cho phép, tức là nếu nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cực đại của môi trường nằm trong giới hạn xác định

Độ đốt nóng của máy biến áp đang vận hành được kiểm tra theo nhiệt độ lớp dầu trên bằng nhiệt kế Nhiệt độ lớn nhất của lớp dầu trên cùng không được vượt quá giá trị cho phép cp (xem bảng 2.4) Thêm vào đó, điện áp phía sơ cấp không được vượt quá 5% so với giá trị định mức Trong quá trình làm việc, nếu nhiệt độ của các cuộn dây tăng, thì tuổi thọ của máy sẽ bị giảm Thực nghiệm cho thấy nếu nhiệt độ của máy biến áp không vượt quá giá trị cho phép khi máy làm việc liên tục

24 tiếng mỗi ngày thì tuổi thọ của máy sẽ đạt giá trị định mức Nếu nhiệt độ của máy tăng lên thì tuổi thọ sẽ bị giảm xuống và nếu nhiệt độ giảm thì tuổi thọ sẽ tăng

Sự phân bố nhiệt độ trong máy biến áp có thể biểu thị trên hình 2.4 Điểm nóng nhất của máy biến áp là cuộn dây và sẽ giảm dần đến bề mặt tiếp xúc với môi trường xung quanh Kết quả phân tích biểu đồ phân bố nhiệt độ máy biến áp cho thấy sự giảm nhiệt độ trong cuộn dây chỉ khoảng vài ba độ, trong khi đó sự giảm nhiệt ở điểm tiếp xúc với môi trường xung quanh chiếm tới 60 % tổng nhiệt giáng của máy biến áp Sự phân bố nhiệt độ cũng thay đổi theo chiều cao máy biến áp, nhiệt độ ở lớp dầu trên cùng có giá trị cao nhất Để thuận tiện cho việc theo dõi chế

độ làm việc của máy biến áp trong quá trình vận hành, nhiệt độ kiểm tra không phải

là nhiệt độ của cuộn dây mà là nhiệt độ dầu lớp trên cùng

Sự thay đổi của nhiệt độ máy biến áp phụ thuộc vào sự thay đổi của phụ tải Như

đã biết, hao tổn công suất trong máy biến áp gồm 2 thành phần: hao tổn không tải (tổn hao trong lõi từ) và hao tổn đồng (tổn hao trong cuộn dây) Thành phần thứ nhất có giá trị cố định không phụ thuộc vào sự mang tải của máy biến áp, còn thành phần thứ 2 tỷ lệ với bình phương hệ số mang tải, khi mang tải định mức thì tổn hao đồng đạt giá trị tổn hao ngắn mạch Vậy ta có tổn hao trong máy biến áp như sau: P = P0 + Pkkmt2; (2.16)

trong đó: kmt=

dm S

S

- hệ số mang tải của máy biến áp;

S - phụ tải của máy biến áp;

Sdm - công suất định mức của máy biến áp;

P0, Pk - hao tổn không tải và hao ngắn mạch của máy biến áp Nếu ký hiệu b =

1-2: trong cuộn dây;

2-3: ở bề mặt tiếp xúc giữa dầu và