Bài giảng Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương III: Tính toán nhiệt trong thiết bị điện

VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 
HỆ THỐNG ĐIỆN
Chương 3
Tính toán nhiệt trong thiết bị 
điện 
2- Trong quá trình hoạt động, dòng điện làm việc của các thiết bị
điện gây ra tổn thất điện năng.
- Lượng điện năng tổn thất được thể hiện dưới dạng nhiệt làm
tăng nhiệt độ của các thiết bị, ảnh hưởng đến cách điện.
- Đó là những nguyên nhân cơ bản làm tăng nhanh quá trình
già hóa cách điện và làm giảm tuổi thọ của thiết bị điện.
1. Tổng quan
3- Phương trình nhiệt:
- Giải phương trình vi phân nhận được nghiệm số: (A, B là các hằng
số xác định khi biết điều kiện ban đầu)
- k là nghiệm của phương trình đặc trưng
2. Sự cân bằng nhiệt trong thiết bị điện 
Pdt GCd qF dt
d
P GC qF
dt
 


  
   
t
ktAe B Ae B 

    
1
0
qF
CGk qF k
CG k
       
4Xác định A, B:
- Tại thời điểm ban đầu t = 0 thì nhiệt độ của thiết bị và môi
trường xung quanh bằng nhau, tức là độ chênh lệch nhiệt độ
giữa thiết bị và môi trường xung quanh bằng không, tức θ = 0.
- Tại thời điểm t = vô cùng.
 Suy ra nhiệt độ của thiết bị:
0A B A B    
t
ktAe B Ae B 

    
B 
1
t
e  


 
  
 
5Suy ra: Nhiệt độ tại thời điểm bất kỳ
0 1
t
e   


 
   
 
6Bảng tham khảo hằng số thời gian đốt nóng, τ, của máy biến áp
Công suất MBA (MVA) Làm mát τ (giờ)
SMBA < 1 Tự nhiên 2,5
1 < SMBA < 6,3 Tự nhiên 3,5
6,3 < SMBA < 32 Có thêm quạt 2,5
32 < SMBA < 63 Có thêm quạt 3,5
63 < SMBA < 125 Tuần hoàn cưỡng bức 2,5
SMBA > 125 Tuần hoàn cưỡng bức có quạt 2,5
7Bảng tham khảo τ của máy phát
CÔNG SUẤT
ĐỊNH MỨC
MÁY PHÁT
(MW)
τ – HẰNG SỐ THỜI GIAN ĐỐT NÓNG MÁY PHÁT, ph
Cuộn dây rotor làm mát trực
tiếp bằng khí hydro
Cuộn stato làm mát
trực tiếp bằng nước
Cực đại Trung bình Cực đại Trung bình
30 5,9 4,4 0,6 0,3
150 3,2 2,5 1,5 0,8
200 2,6 2,0 1,7 0,9
300 2,4 1,9 1,9 1
500 2,9 2,3 2,9 1,5
8- 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 hóa do tác động của nhiệt độ, độ ẩm, tác dụng hóa học 
- Nếu thiết bị làm việc với tải định mức thì nhiệt độ được giữ
trong giới hạn cho phép ứng với các loại cách điện, thiết bị sẽ
làm việc bình thường với tuổi thọ định mức, Vđm.
3. Tuổi thọ thiết bị điện 
9- Nếu thiết bị làm việc quá tải thì nhiệt độ sẽ có thể vượt quá
giới hạn cho phép, khi đó thiết bị sẽ bị giảm tuổi thọ và phụ
thuộc vào mức vượt quá nhiều hay ít.
10
- Khi nhiệt độ tăng đột ngột thì ảnh hưởng sẽ lớn hơn so với
trường hợp tăng từ từ.
- Tuổi thọ trung bình của thiết bị điện N phụ thuộc vào nhiệt
độ của môi trường xung quanh và hệ số mang tải có thể
biểu thị dưới dạng biểu thức sau:
  21
2
cp tbmtxq k
tb dm dmV V V H
 

 
 
Trong đó:   

 21
2
ktbmtxqcp
H


11
- Tuổi thọ thực tế của thiết bị được tính bởi công thức:
tqtcp là thời gian làm việc quá tải cho phép của thiết bị
tdt là thời gian dự trữ do trước đó đã làm việc non tải
qtcp
dm
dt
t
V V
t

12
- Thời gian quá tải cho phép của thiết bị điện:
- Như vậy, ta có thể nhận biết là trong quá trình vận hành,
thiết bị làm việc non tải thì nó có thể làm việc quá tải trong
một khoảng thời gian cho phép mà không ảnh hưởng đến tuổi
thọ định mức theo ấn định nhà chế tạo.
qtcp dtt t H
13
- Ở chế độ xác lập, khi MBA làm việc bình thường, nhiệt độ
đạt đến một giá trị ổn định. Lúc này toàn bộ lượng nhiệt do
máy sinh ra sẽ được tỏa 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 MBA có thể làm việc bình
thường trong khoảng thời gian 25 ÷ 30 năm.
4. Chế độ nhiệt của máy biến áp 
14
- Độ đốt nóng của MBA đang vận hành được kiểm tra theo
nhiệt độ lớp dầu trên cùng bằng nhiệt kế.
- Nhiệt độ lớn nhất của lớp dầu trên cùng không được vượt
quá giá trị cho phép (khoảng 700C, 750C, 950C).
15
Sự phân bố nhiệt trong MBA
Cuộn dây
Dầu
Vỏ
Không khí
 





16
- Tổn hao trong MBA gồm tổn hao sắt và tổn hao đồng. Tổn
thất trong MBA làm phát nóng MBA. Một phần đốt nóng MBA,
một phần tản ra môi trường xung quanh.
- Khi vận hành ở định mức:
- Khi vận hành khác định mức:
0MBA Fe Cu NP P P P P        
 
2
2
0 0
2 20
0 01 1
MBA Fe Cu N N
MBA
N
S
P P P P P P P k
S
P
P k P bk
P
 
             
 
 
      
 
17
- Độ tăng nhiệt của dầu có công thức:
Trong đó: m là chỉ số phụ thuộc vào điều kiện làm mát
m = 0.8 khi làm mát bằng dầu tự nhiên
m = 0.9 khi làm mát bằng dầu có thêm quạt
m = 1 khi làm mát cưỡng bức có thêm quạt
Và θdđm khi tải định mức, có thể tính như sau:
21
1
m
d ddm
bk
b
 
 
  
 
ddm cp tbmtxq   
095cp C 
095cp C 
070cp C 
18
- Độ tăng nhiệt của cuộn dây so với dầu có công thức:
- Vậy tính được độ tăng nhiệt của cuộn dây:
Khi ấy, nhiệt độ cuộn dây:
 
2m
cd cddm k  
cd d cd   
cd cd kk   
19
Ta khảo sát MBA vận hành
đồ thị phụ tải 2 bậc, khi bậc
S1 có thời gian T1 lớn hơn
(4-5)τ, khoảng 10g -14g thì
độ tăng nhiệt sẽ ổn định
0S
1S
0

S
t

t
cp

20
- Mối quan hệ độ tăng nhiệt và
tổn thất:
- Từ đó, tính được thời gian cho
phép:
0
0
MBA
S
k
S

1
1
MBA
S
k
S

0S
1S
0

S
t

t
cp
2
20 0
0
dm dm dm
SP
k
P S


 
   
  
2
0 0 dmk  
2
1 dmk  
2 2
1 0
2
1
ln
1
cp
k k
t
k




21
- Khi bậc S1 có khoảng thời gian
T1 nhỏ và nhảy sang bậc S2 khác.
Ví dụ bậc S2 giảm thì độ tăng
nhiệt sẽ không tăng đến độ tăng
nhiệt ổn định mà nó chỉ tăng tới
θ’ rồi giảm theo đường θ1
Từ đó, tính được thời gian cho
phép:
2 2
1 0
2
1
ln
1
cp
k k
t
k




0S
1S
0

S
t

t
cp
2S
1
'
22
- Tổn thất trong động cơ cũng tương tự như trong máy phát.
Bao gồm: tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn thất cơ.
5. Chế độ nhiệt của động cơ
dc dm
dc dm
dc dm
P P
P P
P P



1
2
3

t
23
Ta khảo sát đường đặc tính nhiệt của động cơ làm việc lâu
dài đường 1 và ngắn hạn lặp lại đường 2.
1
2


t
24
- Các điểm tiếp xúc trong mạch điện là những nơi có nhiệt độ
cao, vì điện trở quá độ khá cao.
- Điện trở quá độ: phụ thuộc vào hệ số biểu thị đặc tính vật liệu
(vl), phương pháp xử lý bề mặt tiếp điểm và lực ép (F) và chỉ
số phụ thuộc vào loại tiếp điểm (k).
6. Sự đốt nóng tiếp điểm
vl
qd k
R
F


25
- Điện trở quá độ thay đổi theo nhiệt độ
 1 2 1
2
1
3
qd qd RR R   
 
   
 
26
a. Phương tiện kiểm tra nhiệt độ
b. Kiểm tra nhiệt độ của các thiết bị
7. Đo nhiệt độ 
27
Một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quá trình vận hành
thiết bị điện là kiểm tra nhiệt của chúng. Người ta trang bị các
phương tiện đo nhiệt độ ngay trên thiết bị.
- Nhiệt kế thủy ngân
- Nhiệt kế áp suất
- Nhiệt kế trương nở
- Cặp nhiệt độ
- Nhiệt điện trở
a. Phương tiện kiểm tra nhiệt độ
28
Việc đo nhiệt độ trong các thiết bị điện được thực hiện theo
phương thức tự động hoặc bằng tay bởi các nhân viên.
- Nhiệt độ thực tế của MBA được kiểm tra thông qua nhiệt
độ của lớp dầu trên cùng.
b. Kiểm tra nhiệt độ các thiết bị
29
- Nhiệt độ của các cuộn dây máy phát được kiểm tra bằng
phương pháp gián tiếp thông qua công thức:
1
2 1
2
1 1
R R
R
R
 
 
 
   
 
30
- Nhiệt độ thực tế của ruột cáp được xác định trên cơ sở
nhiệt độ đo được ở vỏ và hiệu chỉnh theo biểu thức:
RQ tổng nhiệt trở của vật liệu và lớp bảo vệ (
0Cm/w)
2
1
100
QI n R
F

  
Dây dẫn A AC Thanh dẫn
Cu
Dây dẫn
Cu
Al+Mg và Si
ρ (Ωmm2/m.10-3) 28.5 29.26 18.2 17.5 28.92
31
- Nhiệt độ bên trong của vật liệu cách điện có thể xác định
bằng công thức:
ng: nhiệt độ bên ngoài của vật liệu cách điện
A: hằng số bằng 1,888
kvl: hằng số phụ thuộc vào vật liệu cách điện
tr ng
vl
A
k
  
32
- Nhiệt độ các tiếp điểm thường được kiểm tra bằng cầu đo
gắn trên sào cách điện. Khi đo, đầu đo được gí vào tiếp điểm
trong 30s đến 50s. Ngoài ra có thể dùng bộ chỉ thị tín hiệu
nhiệt độ dạng băng nhiệt.
33
- Khi cần mức độ chính xác cao cần áp dụng phương pháp
đo gián tiếp. Tức là đo nhiệt qua đại lượng trung gian.
Có hai dạng thông dụng:
+ Đo nhiệt độ qua độ rơi điện áp
+ Đo điện trở quá độ
34
* Đo nhiệt độ qua độ rơi điện áp:
Phương pháp này dựa vào việc so sánh điện áp rơi trên
của đoạn dây có chứa điểm nối và điện áp rơi của đoạn
dây nguyên khi có cùng dòng điện đi qua.
mV
35
* Phương pháp đo điện trở quá độ:
Phương pháp này dựa vào việc so sánh điện áp rơi trên của
đoạn dây có chứa điểm nối và điện áp rơi của đoạn dây
nguyên khi có cùng dòng điện đi qua.
mV
A
36
Ví dụ 1: Cho một máy biến áp (MBA) loại TM. Tuổi thọ của
MBA sẽ như thế nào nếu MBA làm việc quá tải với hệ số
mang tải trung bình là 1,05. Biết tuổi thọ định mức ứng với
nhiệt độ môi trường xung quanh 250C là 25 năm.
Lưu ý:
Từ mã hiệu MBA là TM, nhiệt độ giới hạn 950C ; α = 9.
8. Ví dụ
37
Tuổi thọ của MBA:
  21
2 14,39
cp tbmtxq k
tb dmV V
 

 
 
Trong đó:
Vdm = 25 năm 
cp = 95
0C
tbmtxq = 25
0C
k = 1,05
 = 9
38
Ví dụ 2: MBA loại TM2500/35, làm việc với đồ thị phụ tải 2
bậc, bậc đầu có k0 = 0,72. Hỏi MBA có thể làm việc trong
thời gian cho phép bao lâu nếu hệ số mang tải bậc sau là k1 =
1,25 ?
Lưu ý:
Từ mã hiệu MBA ta có hằng số thời gian phát nóng 
τ = 3,5
39
Thời gian quá tải cho phép:
 
 
2 2
1 0
2
1
ln 2.16( )
1
cp
k k
t g
k


 

Trong đó:
 = 3,5
k1 = 1,25
k0 = 0,72