Bài giảng môn 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: 
 
äâ 
0 0.632äâ 
3 
t[s] 
1 
2 
0 
T 
A 
B 
Hçnh : Phaït noïng daìi haûn 
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 
Hçnh : Phaït noïng khi ngàõn haûn 
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 :