CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN
1.2. Sự phát nóng trong khí cụ điện
Khi làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện (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 một phần khác toả 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 tổn hao cân bằng với nhiệt năng toả ra môi trường xung quanh.
Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thì cách điện bị già hoá nhanh và độ bền cơ của các chi tiết bị suy giảm. Độ tin cậy của TBĐ phụ thuộc vào nhiệt độ phát nóng của chúng, nhất là của các chi tiết được chế tạo bằng vật liệu cách điện. Dựa vào mức độ chịu nhiệt của vật liệu cách điện, người ta chia chúng thành các cấp cách điện với nhiệt độ cho phép tương ứng ở chế độ làm việc dài hạn của một số vật liệu.
Cấp cách điện Y A E B F H C
Nhiệt độ cho phép (0C) 90 105 120 130 155 180 >180 Ở chế độ làm việc dài hạn, nhiệt độ của TBĐ đạt trị số xác lập, dòng điện đi qua TBĐ là dòng điện định mức nên nhiệt độ phát nóng của nó không vượt quá nhiệt độ phát nóng cho phép của cấp điện tương ứng.
Ở chế độ sự cố như ngắn mạch, dòng điện rất lớn nhưng thời gian sự cố bé (do thiết bị bảo vệ tác động) nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường cao hơn chế độ dài hạn ví dụ với đồng nhiệt độ này cho phép lên tới 2500C.
Độ tăng nhiệt của thiết bị được tính bằng:
= - 0 (1.21)
Trong đó: : là độ tăng nhiệt (còn gọi là nhiệt áp hay nhiệt chênh) : là nhiệt độ của thiết bị điện;
0: là nhiệt độ của môi trường. Với Việt Nam thì 0 = 400C
Nếu thiết bị được đặt ở môi trường có nhiệt độ cao thì độ tăng nhiệt của nó không được lớn. Nếu nhiệt độ của môi trường thấp thì cho phép độ tăng nhiệt độ cao hơn.
Cần lưu ý rằng nếu thiết bị điện được lắp đặt ở những nơi có nhiệt độ cao hơn 1000 mét so với mực nước biển thì phải giảm bớt công suất làm việc, vì ở độ cao lớn, khả năng toả nhiệt của các thiết bị kém hơn.
12 1.2.2. Các dạng tổn hao năng lượng
Trong các TBĐ có ba dạng tổn hao năng lượng chính là: tổn hao trong các chi tiết dẫn điện, tổn hao trong các phần tử sắt từ và tổn hao điện môi.
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:
W=ti Rdt
0
2. (1.22)
Điện trở dây dẫn R phụ thuộc vào điện trở suất vật liệu, kích thước dây dẫn, ngoài ra còn phụ thuộc vào tần số của dòng điện, vị trí của dây dẫn nằm đơn độc hay gần dây dẫn khác có dòng điện đi qua.
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 được tính theo công thức:
PFe = (T.Bm1,6+X. f.Bm2).fG (1.23) Trong đó: PFe là tổn hao sắt từ [W]; Bm là trị biên độ của từ cảm [T]; f là tần số của từ trường [Hz]; T, Xlà hệ số tổn hao do từ trễ và dòng xoáy, với thép mác
41 43 và tương đương thì T = (1,92,6); X = (0,41,2).
Từ (1.23) nhận thấy rằng tổn hao sắt từ phụ thuộc vào từ cảm, tấn số, điện trở xoáy của vật liệu. Để thuận tiện cho việc tính toán, người ta xác định suất tổn hao sắt từ p0 cho một đơn vị khối lượng vật liệu ở tần số f và từ cảm Bm cho trước. Như vậy tổn hao ở (1.23) sẽ được tính toán đơn giản hơn:
PFe = p0.G (1.24)
Để giảm tổn hao trong các chi tiết sắt từ dạng khối, người ta thường sử dụng các biện pháp sau:
+ Tạo khe hở phi từ tính theo đường đi của từ thông để tăng từ trở, giảm từ thông, tức là giảm Bm.
+ Đặt thêm vòng ngắn mạch để tăng từ kháng, giảm từ thông.
+ Với các chi tiết cho thiết bị có dòng điện lớn hơn 1000A, được chế tạo bằng vật liệu phi từ tính như: đuyra, gang không dẫn từ…
3) Tổn hao trong vật liệu cách điện
Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi:
P = 2.f.U2.tg (1.25)
13 Trong đó: P là công suất tổn hao (W); f là tần số điện trường (Hz); U là điện áp (V);
tg là tang của góc tổn hao điện môi, phụ thuộc vào điện áp.
Từ (1.25) ta nhận thấy rằng tổn hao trong chất điện môi tỉ lệ với bình phương điện áp. Vì vậy tổn hao điện môi chỉ đáng kể khi điện áp cao, tần số lớn.
1.2.3. Các phương pháp trao đổi nhiệt
Nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao hơn đến nơi có nhiệt độ thấp hơn theo ba cách: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
1) 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 phương trình Fourier:
d2Q = - dS.dt (1.26)
Trong đó: d2Q là nhiệt lượng truyền qua bề mặt dS theo hướng x bằng dẫn nhiệt;
là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu; là nhiệt độ; dt là thời gian truyền nhiệt.
Thứ nguyên của các đại lượng trên như sau: d2Q [W.s=Jun]; [W/m.deg]; dS [m2]; [deg; 0C], dt [s].
Đại lượng là gradient nhiệt độ theo hướng truyền nhiệt x, vuông góc với bề mặt truyền nhiệt dS từ (1.26) suy ra :
= (1.27)
Như vậy hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích dS trong thời gian một giây với gradient nhiệt độ 10C/m. Hệ số này phụ thuộc vào cấu tạo tinh thể của vật liệu, nhiệt độ, độ ẩm…Trong lĩnh vực TBĐ, nhiệt độ thay đổi trong phạm vi không lớn lắm (cỡ 1000C ) nên hệ số này cũng ít thay đổi.
Dấu “–“ biểu thị nhiệt năng truyền từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, ngược chiều với gradient nhiệt độ.
2) 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 hai dạng đối lưu: đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức. Ở đối lưu tự nhiên, chuyển động của các phần tử chất khí hay chất lỏng do chênh lệch mật độ các phần tử có nhiệt độ
x
x
d2
. . Q dS dt x
14 cao trong môi trường tạo nên. Ở đối lưu cưỡng bức, chuyển động này là nhờ các tác nhân như quạt gió, bơm tạo nên.
Quá trình này được biểu diễn bằng phương trình:
c = c(2 - 1)Sc (1.28)
Trong đó: c là nhiệt lượng truyền qua bề mặt đối lưu trong thời gian 1s; c là hệ số toả nhiệt bằng đối lưu (W); 2 là nhiệt độ bề mặt toả nhiệt (0C); 1 là nhiệt độ môi trường (0C); Sc là diện tích bề mặt toả nhiệt (m2).
Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu c phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, mật độ, độ nhớt, vận tốc của môi trường, hình dạng bề mặt toả nhiệt, vị trí bề mặt so với hướng chuyển động của các phần tử trong môi trường.
3) Bức xạ nhiệt
Là quá trình toả nhiệt của vật thể nóng ra môi trường xung quanh bằng phát xạ sóng điện từ.
Quá trình này được biểu diễn công thức Stefan - Boltzman:
r = T T Sr
c ) ]
(1000 1000)
[(
. 2 4 1 4
0 (1.29)
Trong đó: r (W) là nhiệt lượng truyền qua bề mặt bức xạ trong thời gian 1s qua bề mặt bức xạ Sr (m2); T1, T2 là nhiệt độ của môi trường và bề mặt bức xạ;
c0 = 5,7.104 W/m2.0K4 là hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối; là hệ số đen của bề mặt bức xạ.
Thông thường, các quá trình toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ cùng song song tồn tại qua bề mặt vật thể nên có thể sử dụng một hệ số toả nhiệt chung cho cả 2 quá trình này là KT:
KT =
T T
r c
S
S .
)
( 1
(1.30)
Trong đó: = c + r là nhiệt lượng truyền bằng đối lưu và bức xạ;
ST = Sc = Sr là diện tích bề mặt toả nhiệt.