Bài giảng môn học Khí cụ điện - Chương 3: Sự phát nóng của thiết bị điện

CHƯƠNG 3
SỰ PHÁT NÓNG CỦA
THIẾT BỊ ĐIỆN 
KHÁI NIỆM CHUNG 
Ở trạng thái làm việc, trong các bộ pận của 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 đọ
của TBĐ, còn 1 phần khác tỏa 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 tỏa ra môi trường xung quanh.
KHÁI NIỆM CHUNG 
Nếu nhiệt độ của TBĐ tăng cao thì cách điện bị già
hóa và độ bền cơ của các ch tiết bị suy giảm.
Khi tăng nhiệt độ của vật liệu cách điện lên 8oC so
với nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn thì tuổi thọ của
cách điện giảm 50%.
Với vật liệu dẫn điện thông dụng nhất là Cu, nếu tăng
nhiệt độ từ 100oC đến 250oC thì độ bền cơ giảm 40%, khi
độ bền cơ của chúng giảm nên lực điện động trong trường
hợp ngắn mạch sẽ làm hư hỏng thiết bị.
Do vậy độ tin cậy của thiết bị phụ thuộc vào nhiệt độ
phát nòng của chúng.
KHÁI NIỆM CHUNG 
Trong tính toán phát nóng TBĐ thường dùng một số
khái niệm như sau :
o : nhiệt độ phát nóng ban đầu, thường lấy bằng nhiệt
độ môi trường.
 : nhiệt độ phát nóng
 =  - o : là độ chênh nhiệt so với nhiệt độ môi trường ,
ở vùng ôn đới cho phép  = 350C, vùng nhiệt đới  = 500C.
Sự phát nóng thiết bị điện còn tùy thuộc vào chế độ làm việc.
ôđ = ôđ - o : độ chênh nhiệt độ ổn định.
CÁC DẠNG TỔN HAO
Trong TBĐ có các dạng tổn hao năng lượng chính sau :
 Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện,
 Tổn hao trong các chi tiết bằng vật liệu sắt từ
 Tổn hao điện môi.
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 sau :
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 dòng
điện, vị trí của dây dẫn : nằm đơn độc hay gần dây dẫn khác
có dòng điện đi qua.
TỔN HAO TRONG 
PHẦN TỬ SẮT TỪ VÀ ĐIỆN MÔI
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
Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu
cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi.
CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC DÀI HẠN 
CỦA VẬT THỂ ĐỒNG NHẤT
KHÁI NIỆM 
Chế độ làm việc dài hạn là chế độ làm việc của thiết bị
điện với thời gian dài tùy ý nhưng không ngắn hơn thời gian
để nhiệt độ phát nóng đạt tới giá trị ổn định.
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
CỦA THIẾT BỊ 
Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra tổn hao
một công suất P và trong thời gian dt sẽ gây ra một nhiệt
lượng:
Q = P.dt = RI2dt
Nhiệt lượng hao tổn này bao gồm hai phần:
 Đốt nóng vật dẫn Q1= G.C.d
 Tỏa ra môi trường xung quanh Q2= S
..dt.
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
CỦA THIẾT BỊ 
Ta có phương trình cân bằng nhiệt của quá trình phát
nóng:
P.dt = G.C. d + S ..dt.
Trong đó:
G : là khối lượng vật dẫn (g)
C : là tỉ nhiệt vật dẫn tỏa nhiệt ( J/g)
 : là độ chênh nhiệt (00C)
 : là hệ số tỏa nhiệt (W/cm2)
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
CỦA THIẾT BỊ 
Ta có phương trình:
Giải phương trình vi phân trên với điều kiện tại t = 0 thì
độ chênh nhiệt ban đầu là 0, ta được:
Đặt là hằng số thời gian phát nóng :
độ chênh nhiệt ổn định.
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
CỦA THIẾT BỊ 
Ta có:
Khi t = 0 mà 0 = 0 thì:

ôđ
0 0.632äâ
3
t[s]
1
2
0
T
A
B
Hình : Phát nóng dài hạn
QUÁ TRÌNH LÀM NGUỘI 
CỦA THIẾT BỊ 
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
phương trình nguội lạnh : I2R.dt = 0
Và : G.C. d + S  + dt = 0
nên có:
Với điều kiện khi ngắt dòng điện chênh lệch nhiệt bằng
độ chênh lệch nhiệt ổn định
QUÁ TRÌNH LÀM NGUỘI 
CỦA THIẾT BỊ 
Giải phương trình vi phân ta được biểu thức thể hiện
quá trình nguội lạnh:
CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC NGẮN HẠN 
CỦA VẬT THỂ ĐỒNG NHẤT
KHÁI NIỆM 
Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc của thiết
bị điện với thời gian đủ ngắn để nhiệt độ phát nóng của nó
chưa đạt tới giá trị ổn định, sau đó ngưng làm việc trong thời
gian đủ lớn để nhiệt độ của nó hạ xuống tới nhiệt độ môi
trường.
TÍNH TOÁN PHÁT NÓNG 
Giả sử làm việc dài hạn đường
cong phát nóng là đường
Phụ tải lúc này là Pf :
Pf= S.f
Sau thời gian tlv (thời gian làm 
việc ngắn hạn) độ chênh nhiệt mới 
đạt tới trị 1 < f, nên thiết bị điện làm 
việc non tải và chưa lợi dụng hết khả 
năng chịu nhiệt 

max
f
1
0 t[s]
tlv
1
2
3
Hình : Phát nóng khi ngắn hạn
M
TÍNH TOÁN PHÁT NÓNG 
Từ đó ta thấy rằng có thể nâng phụ tải lên để sau thời
gian làm việc ngắn hạn tlv độ chênh nhiệt vừa đạt tới trị số
cho phép f, phụ tải lúc này là Pn: Pn = S. max
Đường cong phát nóng trường hợp này là đường 2. Điểm
M trên đường 2 thỏa mãn phương trình độ chênh nhiệt của
quá trình phát nóng.
TÍNH TOÁN PHÁT NÓNG 
Từ các biểu thức trên và gọi Kp=Pn/Pf là hệ số quá tải
công suất ta có :
Vì công suất tỉ lệ với bình phương dòng điện nên :
KI : hệ số quá tải về dòng điện.
CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 
NGẮN HẠN LẶP LẠI 
CỦA VẬT THỂ ĐỒNG NHẤT
KHÁI NIỆM 
Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại là chế độ làm
việc của thiết bị điện trong một thời gian tlv mà nhiệt độ
phát nóng chưa đạt tới bão hòa và sau đó nghỉ một thời
gian tng mà nhiệt độ chưa giảm về nhiệt độ ban đầu rồi
tiếp tục làm việc và nghỉ xen kẽ.
Quá trình làm việc và nghỉ cứ lặp lại tuần hoàn
như vậy theo chu kỳ với thời gian tck = tlv + tng . Sau thời
gian đủ lớn, thiết bị đạt được chế độ tựa xác lập, ở đó
trong thời gian làm việc nhiệt độ đạt tới giá trị max =
const và trong thời gian nghỉ, nhiệt độ hạ xuống giá trị
min = const.
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
t[s]
tlv tng
tcK
3
4
1
2

max
f
’max
min
Hình :Phát nóng khi ngắn hạn lặp lại
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
Ta giả thiết tại thời điểm ban đầu độ chênh nhiệt
độ của vật dẫn là 0 sau thời gian làm việc tlv vật dẫn
được đốt nóng đến độ chênh nhiệt là:
Sau thời gian nghỉ tng vật dẫn nguội xuống nhiệt
max độ:
Chu kì tiếp theo vật dẫn lại bị đốt nóng tới chênh
nhiệt độ:
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
Sau một số chu kì nhiệt độ chênh lệch nhiệt độ đạt
đến độ chênh nhiệt cực đại max và độ chênh lệch nhiệt
độ cực tiểu min không thay đổi, ta gọi là thời kì ổn định.
Tương tự như trên, ta viết:
Quá trình phát nóng :
Quá trình nguội lạnh :
Giải hai phương trình này ta được:
QUÁ TRÌNH PHÁT NÓNG 
Hệ số công suất:
Hệ số quá tải dòng điện:
SỰ PHÁT NÓNG 
KHI NGẮN MẠCH
KHÁI NIỆM 
Thời gian xảy ra ngắn mạch rất ngắn nên nhiệt độ
cung cấp cho vật thể hoàn toàn dùng để đốt nóng vật
dânc và gần đúng ta coi nhiệt lượng tỏa ra môi trường
xung quanh. Trong thời gian dt dòng điện ngắn mạch
sinh ra nhiệt lượng là:
Trong đó: , với R là điện trở một chiều của vật
dẫn; R’ là điện trở xoay chiều của vật dẫn; S là tiết diện
vật thể
Toàn bộ nhiệt lượng do dòng điện ngắn mạch sinh ra
dùng để đốt nóng vật dẫn lên độ chênh nhiệt độ là nm.
KHÁI NIỆM 
Ta có phương trình:
dQ = C.G.dnm = C.S.l..dnm
Với  là khối lượng riêng của vật dẫn. C là nhiệt dung
riêng của vật dẫn .
So sánh các biểu thức ta có:
Độ chênh nhiệt ngắn mạch :