Bài giảng môn Vận hành và điều khiển hệ thống điện - Chương 3: Tính toán nhiệt trong thiết bị điện

VẬN HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN 
 HỆ THỐNG ĐIỆN
 Chương 3
 Tính toán nhiệt trong thiết bị 
 điện 
 1. Tổng quan
- 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, 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.
 2
 2. Sự cân bằng nhiệt trong thiết bị điện 
- Phương trình nhiệt: P d t G C d q F d t
 d 
 P G C q F 
 dt
- Giải phương trình vi phân nhận được nghiệm số: (A, B là các hằng
số xác định khi biết điều kiện ban đầu)
 t
  A ekt B A e B
- k là nghiệm của phương trình đặc trưng
 qF 1
 C G k q F 0 k  
 C G k
 3
 t
 kt 
Xác định A, B:  A e B A e 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.
 ABAB 0 
 - Tại thời điểm t = vô cùng.
  B
 t
 Suy ra nhiệt độ của thiết bị: 
  1 e
 4
Suy ra: Nhiệt độ tại thời điểm bất kỳ
 t
 
  0  1 e
 5
Bảng 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
 6
Bảng tham khảo τ của máy phát
 CÔNG SUẤT
 τ – HẰNG SỐ THỜI GIAN ĐỐT NÓNG MÁY PHÁT, ph
 ĐỊNH MỨC Cuộn dây rotor làm mát trực Cuộn stato làm mát
 tiếp bằng khí hydro trực tiếp bằng nước
 MÁY PHÁT
 Cực đại Trung bình Cực đại Trung bình
 (MW)
 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
 7
 3. Tuổi thọ thiết bị điện 
- 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.
 8
- 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.
 9
 - 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:
 2
  1 k
 c p tb m tx q 
 VVVHtb d m2 d m
Trong đó: 2
  cp  tbmtxq 1 k 
 H 2 
 10
- Tuổi thọ thực tế của thiết bị được tính bởi công thức:
 t q tc p
 VV dm
 t dt
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
 11
- Thời gian quá tải cho phép của thiết bị điện:
 tq tc p t d t H
- 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.
 12
 4. Chế độ nhiệt của máy biến áp 
- 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.
 13
- 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).
 14
Sự phân bố nhiệt trong MBA
 Cuộn dây
 
 Dầu
 
 
 Vỏ 
 
 Không khí
 15
- 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:
 PPPPPM B A F e C u 0 N
- Khi vận hành khác định mức:
 2
 S 2
 PM B A P F e P C u P00 P N P P N k
 S
 MBA
 P0 22
 P00 11 k P b k 
 P
 N
 16
- Độ tăng nhiệt của dầu có công thức:
 m
 1 bk 2
  
 d d d m 
 1 b
Trong đó: m là chỉ số phụ thuộc vào điều kiện làm mát
 0
  95 C
 m = 0.8 khi làm mát bằng dầu tự nhiên cp
 0
  95 C
 m = 0.9 khi làm mát bằng dầu có thêm quạt cp
 0
 m = 1 khi làm mát cưỡng bức có thêm quạt cp 70 C
Và θdđm khi tải định mức, có thể tính như sau:
 ddm  cp  tbmtxq
 17
- Độ tăng nhiệt của cuộn dây so với dầu có công thức:
 2 m
 c d c d d m k 
- Vậy tính được độ tăng nhiệt của cuộn dây:
 cd  d  cd
Khi ấy, nhiệt độ cuộn dây:
 c d  c d  k k
 18
 S S 1
Ta khảo sát MBA vận hành
đồ thị phụ tải 2 bậc, khi bậc
 S 0
S1 có thời gian T1 lớn hơn
(4-5)τ, khoảng 10g -14g thì t
  
độ tăng nhiệt sẽ ổn định 
  cp
  0
 t
 19
- Mối quan hệ độ tăng nhiệt và
 S S 1
tổn thất:
 S
 2 k 1
  P S 1
 002 S S
 k 0 0 MBA
  PS
 d m d m d m
 S 0
 2 k 
 k 0
 00dm t
 S MBA
 2
  k 1 dm
   
  cp
  0
- Từ đó, tính được thời gian cho
phép:
 22
 kk t
 t  ln 10
 cp 2
 k 1 1
 20
- Khi bậc S1 có khoảng thời gian
 S S 1
T1 nhỏ và nhảy sang bậc S2 khác.
 S
Ví dụ bậc S2 giảm thì độ tăng 0
 S
nhiệt sẽ không tăng đến độ tăng 2
 t
nhiệt ổn định mà nó chỉ tăng tới
 
  
θ’ rồi giảm theo đường θ1 '
  cp 
  1
  0
Từ đó, tính được thời gian cho
 t
phép:
 22
 kk 
 t  ln 10
 cp 2
 k 1 1
 21
 5. Chế độ nhiệt của động cơ
- Tổn thất trong động cơ cũng tương tự như trong máy phát.
Bao gồm: tổn thất đồng, tổn thất sắt, tổn thất cơ.
 1
 PPd c d m 2
  
 PP 
 d c d m 3
 PPd c d m
 t 22
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
 23
 6. Sự đốt nóng tiếp điểm
- 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).
 
 R vl
 qd k
 F
 24
- Điện trở quá độ thay đổi theo nhiệt độ
 2
 RR 1  
 q d q d1 R 2 1 
 3
 25
 7. Đo nhiệt độ 
a. Phương tiện kiểm tra nhiệt độ
b. Kiểm tra nhiệt độ của các thiết bị
 26
 a. Phương tiện kiểm tra nhiệt độ
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
 27
 b. Kiểm tra nhiệt độ các thiết bị
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.
 28
- Nhiệt độ của các cuộn dây máy phát được kiểm tra bằng
phương pháp gián tiếp thông qua công thức:
 R 1 11
 21 
 R 
 2 RR
 29
 - 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:
 2
 I n R Q
 1 
 100F
 0
 RQ tổng nhiệt trở của vật liệu và lớp bảo vệ ( Cm/w)
 Dây dẫn A AC Thanh dẫn Dây dẫn Al+Mg và Si
 Cu Cu
ρ (Ωmm2/m.10-3) 28.5 29.26 18.2 17.5 28.92
 30
- Nhiệt độ bên trong của vật liệu cách điện có thể xác định
bằng công thức:
 A
 tr n g
 k vl
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
 31
- 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.
 32
- 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
 33
* 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
 34
 * 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
 35
 8. Ví dụ
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.
 36
Tuổi thọ của MBA:
 2
  1 k
 c p tb m tx q 
 VVtb d m 2 1 4 , 3 9
Trong đó:
 Vdm = 25 năm 
 0
 cp = 95 C
 0
 tbmtxq = 25 C
 k = 1,05
 = 9
 37
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
 38
Thời gian quá tải cho phép:
 22
 kk10 
 tg  ln 2 .1 6 ( )
 cp 2
 k 1 1 
 Trong đó:
  = 3,5
 k1 = 1,25
 k0 = 0,72
 39