Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp

Giáo trình thiết kế khí cụ điện hạ áp 
.., tháng  năm . 
 1
LỜI NÓI ĐẦU 
 Giáo trình “thiết kế khí cụ điện hạ áp” đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về 
tính toán, thiết kế các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện hạ áp. Chúng gồm các phần sau : 
 -Những vấn đề chung về thiết kế 
 -Mạch vòng dẫn điện 
 -Cơ cấu trong khí cụ điện 
 -Nam châm điện 
 -Tính toán nhiệt 
 Đây là giáo trình dùng cho sinh viên ngành thiết bị điện - hệ taị chức và dài hạn, 
nhưng nó cũng có thể bổ ích cho sinh viên các ngành khác và các cán bộ kĩ thuật, quan 
tâm đến công tác thiết kế, tính toán, chế tạo sửa chữa các khí cụ điện hạ áp. 
 Tham gia biên soạn chương trình này gồm các đồng chí : 
 -Phạm Tố Nguyên : chương 2, một phần chương 5 và chịu trách nhiệm chính. 
 -Lưu Mỹ Thuận : chương 3 và chương 4. 
 -Phạm Văn Chới: chương 1và một phần chương 5. 
 -Bùi Tín Hữu : chương 6. 
 Vì trình độ và thời gian có hạn nên cuốn sách này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. 
Rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc, thư xin gửi tới bộ môn Thiết Bị Điện, trưòng 
Đại học Bách Khoa Hà Nội. 
 Tháng 7 năm 1986 
 Các tác giả. 
 2
CHƯƠNG I : NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN 
 §1-1. KHÁI NIỆM CHUNG 
 A- CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN 
 Khí cụ điện là những thiết bị điện, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trình 
sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng lưọng khác. 
 Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh bằng tay tự động, 
kiểm tra và bảo vệ. 
 Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm 
lại có rất nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là : 
 1-Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm: Dao cách ly, máy 
ngắt dầu (nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân 
không cầu chuỷ (cầu chì) , dao ngắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp  
 2-Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp, gồm: Máy ngắt tự động, 
máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì  
 3-Nhóm khí cụ điện điều khiển: Công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và 
điều khiển, nút ấn, công tắc hành trình, các bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, các bộ 
khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp 
 4-Nhóm các rơle bảo vệ: Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng 
trở, rơle thời gian. 
 5-Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích 
cắm, bàn là, bếp điện 
 B- CÁC BỘ PHẬN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 
 Các khí cụ điện có nhiều chủng loại khác nhau về kết cấu, kích thước, nguyên lý 
làm việc. Tuy vậy trong công tác thiết kế vẫn có thể phân loại các bộ phận của chúng. 
Các phần tử hợp thành khí cụ điện bao gồm: 
 - Chi tiết: là phần sơ đẳng của khí cụ điện, được chế tạo từ một chất đồng nhất và 
chưa phải dùng đến nguyên công lắp ráp. 
 - Cụm (đơn vị lắp ráp) là tổ hợp lắp ráp cả hai hay nhiều chi tiết. Trong một cụm 
cũng có thể gồm hai hay nhiều cụm nhỏ (cụm bậc hai và các bậc cao). Cụm cơ sở là cụm 
mà bắt đầu từ đó lắp ráp thành khí cụ điện. 
 3
 - Nhóm: là thành phần chủ yếu của khí cụ điện, gồm tổ hợp của các cụm và các 
chi tiết có chức năng chung cá biệt, nhóm có thể chỉ có chi tiết mà không có cụm. 
 Các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện thường gặp là: 
 - Mạch vòng dẫn điện gồm đầu nối, thanh dẫn và các tiếp điểm. 
 - Hệ thống dập hồ quang 
 - Các cơ cấu trung gian 
 - Nam châm điện 
 - Các chi tiết và các cụm cách điện 
 - Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng 
 C-YÊU CẦU CHUNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN 
 Các khí cụ điện được thiết kế phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản 
phẩm công nghiệp hiện đại: đó là các yêu cầu về kỹ thuật, về vận hành, về kinh tế, về 
công nghệ và về xã hội chúng được biểu hiện qua các quy chuẩn, định mức, tiêu chuẩn 
chất lượng của nhà nước hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật. 
 1-Các yêu cầu về kỹ thuật: 
 -Độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi làm việc ở chế độ định 
mức và chế độ sự cố. 
 -Độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện 
khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong điều kiện của môi trường xung 
quanh(như mưa, ẩm, bụi, tuyết,) cũng như khi có quá điện áp nội bộ hoặc quá điện áp 
do khí quyển gây ra. 
 -Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số lần 
thao tác đã thiết kế, thời hạn làm viêc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. 
 -Khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông của 
các chi tiết, bộ phận. 
 -Các yêu cầu kỹ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điện. 
 -Kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước bé. 
 2- Các yêu cầu về vận hành: 
 - Lưu ý đến ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao, 
 - Độ tin cậy cao. 
 - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài 
 - Đơn giản,dễ thao tác,sữa chữa, thay thế. 
 4
 - Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng. 
 3- Các yêu cầu về kinh tế, xã hội : 
 -Giá thành hạ 
 -Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh lý, về cơ 
thể,) 
 -Tính an toàn trong lắp ráp ,vận hành 
 -Tính thẩm mỹ của kết cấu 
 -Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp và vận hành ít 
 4- Các yêu cầu về công nghệ chế tạo : 
 -Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp lẫn 
 -Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả 
năng của thiết bị. 
 -Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các tổ hợp khác, chế tạo 
dây,.. 
 D-ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN KẾT CẤU CỦA 
KHÍ CỤ ĐIỆN 
 1-Vùng khí hậu : Trong quá trình thiết kế, phải lưu ý đến điều 
kiện khí hậu nơi sử dụng. Vì vậy cần phải nghiên cứu các dạng, loại phù hợp với từng 
vùng khí hậu. Nhìn chung các loại khí cụ điện chỉ khác nhau ở một số loại vật liệu và các 
lớp sơn phủ bề mặt các chi tiết. 
 Có các loại khí cụ điện cho các vùng khí hậu sau : 
 - Loaị dùng cho các vùng khí hậu ôn đới. 
 - Loại dùng cho các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm . 
 - Loại dùng cho các vùng nhi khô, sa mạc. 
 - Loại dùng cho các vùng khí hậu hàn đới. 
 - Loại dùng cho các vùng khí hậu biển, ôn đới. 
 - Loại dùng cho các vùng khí hậu biển. nhiệt đới. 
 2-Vị trí lắp đặt : Ngoài điều kiện khí hậu, khi thiết kế khí cụ điện còn phải lưu ý 
đến vị trí lắp đặt của chúng như : 
 - Kiểu đặt trong phòng kín, có thông gió. 
 - Kiểu đặt trong các hầm lò, có độ ẩm cao. 
 5
 - Kiểu đặt bên ngoài, không có che chắn, bị tác động của mưa bụi , bẩn  
 - Các kiểu chuyên dùng, có che chắn, chống bụi, nước, chống nổ. 
 Tuỳ theo mức độ chống được ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, các khí cụ 
điện được phân theo các cấp bảo vệ (có tiêu chuẩn). 
 3-Tác động cơ học: 
 Trong quá trình vận chuyển, bảo quản vận hành, các khí cụ điện 
chịu tác động cơ học từ mọi phía, thể hiện qua độ rung và va đập.Tác động này có dạng 
và độ lớn khác nhau cho từng lĩnh vực sử dụng, ví dụ như trong công nghiệp , tàu điện, 
máy bay 
 4-Sự thay đổi các thông số định mức của khí cụ điện : 
 Khi nhiệt độ môi trường tăng thì dòng điện định mức của các khí cụ điện giảm 
xuống . Khi chiều cao nơi làm việc lớn hơn 1000m, nên thay đổi dòng điện và điện áp 
định mức của các khí cụ điện như sau : 
 Độ cao, m KI= I/Iđm Ku=U/Uđm 
 1000 1.00 1.00 
 2000 0.98 0.90 
 3000 0.96 0.80 
 6000 0.90 0.56 
 Tất cả các nhân tố trên đều ảnh hưởng đến kết cấu của khí cụ điện. Vì vậy, các 
nhân tố này nằm trong phần nhiệm vụ thiết kế. 
 A- CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN 
 Thiết kế là việc giải bài toán nhiều ẩn. Bài toán này thường thiếu các số liệu cần 
thiết nên phải cho trước một số thông số, đưa vào các điều kiện giới hạn phải đơn giản 
hoá nhiều vấn đề, các phương pháp chủ yếu dùng trong quá trình thiết kế và tính toán kết 
cấu thường gặp là: Phương pháp đồng dạng, phương pháp tương tự, phương pháp gần 
đúng liên tiếp. 
 Tính toán thiết kế phải bám sát vào nhiệm vụ được giao. Đôi khi phải huỷ bỏ kết 
quả tính toán về kích thước và các thông số, mặc dù kết này đúng về mặt toán học nhưng 
không thể chấp nhận được về mặt kết cấu, chế tạo, vận hành, kinh tế  
 6
 Trong việc tính toán, cần dựa vào các vấn đề lý thuyết và thực tế, trong đó gồm 
các luật vật lý, các số liệu thực nghiệm của các khí cụ điện tương tự. Vai trò của tính toán 
là quan trọng , nhưng trong nhiều trường hợp lại chọn trước dạng và các kích thước, mà 
không cần đến tính toán. Nên lưu ý rằng, khi sử dụng các công thức tính toán kinh 
nghiệm, cần biết rõ mối quan hệ vật lý giữa các đại lượng, bản chất vật lý của hiện tượng 
và giới hạn của các đại lượng trong công thức này. 
 Trong công tác thiết kế, thường sử dụng các phơng tiện tính toán: tính bằng tay và 
bằng máy tính. Việc tính toán bằng taycó nhiều nhược điểm, sai sót lớn. Việc sử dụng 
máy tính điện tử cho phép giải các bài toán tuyến tính và phi tuyến với kết quả tương đối 
chính xác. Để giải các bài toán trong khí cụ điện nên dùng máy tính tương tự, với ưu 
điểm là chọn sơ đồ nhanh, dễ hiệu chỉnh các biến số, các trị số ban đầu. Máy tính số cho 
kết quả chính xác cao nhưng việc lập phương trình cũng phức tạp. 
 B- GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ THIẾT KẾ 
 Đây là giai đoạn khá quan trọng trong công tác thiết kế. Ở giai đoạn này, yêu cầu 
phải nắm vững được nhiệm vụ thiết kế, tóm tắt được ưu nhược điểm của các kết cấu 
tương tự sẵn có làm quen cới cơ sở kinh tế-kỹ thuật của bản thiết kế và hiệu chỉnh nhiệm 
cụ thiết kế kỹ thuật. 
 a-Nhiệm vụ thiết kế: 
 Trong nhiệm vụ thiết kế một khí cụ điện hoặc một dãy khí cụ điện, phải có đủ các 
số liệu về các thông số kỹ thuật, về yêu cầu vận hành chế tạo, công nghệ. Những số liệu, 
tin tức cơ bản: 
 1-Tên khí cụ điện và mục đích sử dụng 
 2-Dạng điện (một chiều hay xoay chiều) điện áp định mức, tần số 
 3-Trị số về dòng định mức 
 4-Dạng điện và điện áp định mức của mạch điều khiển hay các mạch phụ khác 
 5-Số lượng và các tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ thường đóng, thường mở,.. 
 6-Đặc tính của phụ tải và các thông số vận hành cơ bản loại phụ tải, số lần đóng 
ngắt trong một giờ, chế độ làm việc: ngắn hạn, dài hạn,khả năng đóng ngắt giới hạn độ 
bền nhiệt và độ bền điện động, tuổi thọ điện và loại cơ cấu đóng ngắt, khả năng và điều 
kiện lắp đặt, điều kiện vận hành, các yêu cầu và thông tin về công nghệ chế tạo, các yêu 
cầu về kinh tế và các yêu cầu khác. 
 7
 Với các khí cụ tổ hợp- tổ hợp của một vài khí cụ điện còn cần các yêu cầu khác 
như: sơ đồ điện của chúng, quan hệ tương hỗ, vị trí lắp đặt. 
 b-Tóm tắt các kết cấu sẵn có 
 Các khí cụ điện mới phải dựa vào thành tựu khoa học công nghệ trong lĩnh vực 
chuyên môn. Vì vậy cần nghiên cứu các kết cấu sẵn có trong và ngoài nước với các chức 
năng tương tự, với các thông số kỹ thuật gần giống loại định thiết kế. 
 Trong trường hợp khí cụ điện sẽ được thiết kế là loại mới, không giống các loại 
đã có thì bảng tóm tắt các loại sẵn có được xem như là tài liệu tham khảo. 
 Khi lập bảng tóm tắt các khí cụ điện sẵn có, ngoài việc mô tả ngắn gọn các ưu 
nhược điểm cần phải đánh giá chất lượng của các kết cấu đó. Bảng tóm tắt nên làm theo 
thứ tự sau: 
 1- Mô tả ngắn gọn các ưu, nhược điểm chủ yếu: 
 - Nguyên lý và đạc điểm cơ bản của khí cụ điện 
 - Đặc điểm của các bộ phận chính như hệ thống tiếp điểm, hệ dập hồ quang,cơ 
cấu đóng, ngắt, các cụm về chi tiết vỏ 
 2 - Các thông số chính: 
 -Các thông số định mức và các thông số kỹ thuật cơ bản nhất 
 -Khối lượng, các kích thứơc lắp ráp và thể tích, diện tích lắp đặt. 
 -Các chỉ tiêu công nghệ kết cấu: số lượng các chi tiết chính và các chi tiết cố định. 
Thành phần các chi tiết theo công nghệ chế tạo(đúc, dập nguội, ép gia công trên máy cắt 
gọt,..) 
 -Giá thành 
 3 - Các chỉ tiêu riêng(suất chỉ tiêu) 
 -Về khối lượng trên một đơn vị thể tích, trên một đơn vị thôngsố cơ bản (dong 
điện, công suất) 
 -Về kích thước: thể tích lắp đặt trên một đơn vị khối lượng, diện tích lắp đặt trên 
một đơn vị thông số cơ bản 
 -Về giá thành trên một đơn vị khối lượng, trên một đơn vị thể tích,trên một đơn vị 
thông số cơ bản 
 c- Cơ sở kinh tế -kỹ thuật: 
 8
 Cơ sở kinh tế kỹ thuật của các kết cấu mới phải đem lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật 
cho nền kinh tế quốc dân, được biểu diễn qua các chỉ tiêu định lượng. 
 Khí cụ điện được thiết kế phải đạt kết quả vận hành lớn nhất với chi phí lao động 
chế tạo lắp ráp và vận hành bé nhất. Mặt khác cũng có thể bỏ vốn đầu tư lớn hơn so với 
thiết kế cũ, giá thành thiết bị mới cao hơn song nó phải làm tăng hiệu quả kinh tế khi vận 
hành hoặc tăng yêu cầu kỹ thuật. 
 Cần lưu ý rằng vấn đề kinh tế- kỹ thuật phải được người thiết kế quán triệt trong 
suốt quá trình làm việc, từ khi bắt đầu cho đến khi chuyển bản thiết kế vào sản xuất và 
tận đến giai đoạn vận hành. Ở các giai đoạn khác nhau, yêu cầu mức chính xác của việc 
tính toán kinh tế có khác nhau.Trong giai đoạn đầu, các số liệu xuất phát mang tính chất 
giả thiết sơ bộ, còn ở các giai đoạn sau, chúng được tính toán chinh xác hơn, 
 d- Hiệu chỉnh nhiệm vụ thiết kế- kỹ thuật: 
 Sau khi lập bảng tóm tắt tổng hợp các kết cấu sẵn có và nghiên cứu cơ sở kinh tế 
kỹ thuật của khí cụ điện được thiết kế, thường xuất hiện những yêu cầu cần thiết hoặc số 
liệu sai. Vì vậy ở giai đoạn chuẩn bị thiết kế cần bổ sung, hiệu chỉnh, chính xác hoá một 
số điểm của nhiệm vụ thiết kế. 
 C- CÁC LOẠI THIẾT KẾ : 
 Có các loại thiết kế sau: thiết kế trong công nghiệp và thiết kế giáo học. Thiết kế 
giáo học là hình thức thiết kế dùng trong nhà trường cho quá trình đào tạo, loại thiết kế 
này có hai hình thức: thiết kế môn học và thiết kế tốt nghiệp. Mục đích của thiết kế môn 
học là làm cho sinh viên nắm vững được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết 
cấu của một khí cụ điện, còn ở thiết kế tốt nghiệp yêu cầu sinh viên phải nắm vững và 
rộng hơn những vấn đề về chọn phương án, tính toán kết cấu và cả công nghệ nữa. Ở giai 
đoạn này cần tính tự lập sáng toạ của sinh viên. 
 Trong sản xuất sau khi có nhiệm vụ thiết kế nhà thiết kế phải tiến hành các giai 
đoạn sau: 
 -Thiết kế sơ bộ (phác thảo) 
 -Thiết kế kỹ thuật 
 -Thiết kế công nghệ 
 1- Ở bước thiết kế phác thảo phải tiến hành nghiên cứu các phương án tìm sơ đồ 
kết cấu xác định dạng kết cấu lập bố cục tổng hợp của khí cụ điện, vẽ bản vẽ tổng quát 
 9
với các kích thước chính các kích thước lắp ráp, xác định sơ bộ khối lượng của khí cụ 
điện. Tiến hành tính toán cơ bản đối với các chi tiết chính và xác định các kích thước của 
chúng. Khảo sát công nghệ chế tạo các chi tiết, các cụm chính và phức tạp nhất, đồng 
thời chọn vật liệu cho chúng- xác định sơ bộ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật- lập bảng thuyết 
minh sơ bộ. Đây là khâu quan trọng cho việc thiết kế kỹ thuật 
 2 - Thiết kế kỹ thuật: là phần quan trọng và quyết định nhất trong quá trình thiết 
kế khí cụ điện. Phải xác định được phương án kết cấu tối ưu. Tiến hành nghiên cứu tỉ mỉ 
các bộ phận và các cụm chi tiết. Chính xác hoá kết cấu khối của cả khí cụ điện. Phải tạo 
khả năn ...  vật liệu 
cách điện dày nên sự toả nhiệt qua mặt đầu thường nhỏ và có thể bỏ qua 
.Trường hợp đường kính của vòng đệm mặt đầu lớn hơn so với chiều dài cuộn 
dây ta phải tính cả bề mặt mặt đầu cuộn dây . 
 - Khi toả nhiệt chỉ có bề mặt bên ngoài Sn và bề mặt bên trong St bề 
mặt tính toán của cuộn dây có thể tính 
 S = Sn + kSt 
 Trong đó k là hệ số đặc trưng hiệu quả toả nhiệt của bề mặt trong với bề 
mặt ngoài cuộn dây và k được lấy theo thực nghiệm . 
 Cuộn dây có khung toả nhiệt kém k = 0 
 Cuộn dây không khung bọc bằng cách điện k = 0,9 
 Cuộn dây có khung (giấy, các tông tẩm bakelit) thì k = 1 
 Cuộn dây quấn trên ống kim loại k = 1,7 
 Cuộn dây quấn trên lõi thép k = 2,4 
 288
 Sự toả nhiệt của cuộn dây vào lõi thép có thể xác định chính xác hơn 
bằng cách đưa vào hệ số toả nhiệt tương Ktđ tính đến sự truyền nhiệt qua lớp 
cách điện và không khí trung gian và bề mặt toả nhiệt của mạch từ . 
ttd
K = 
t
m
tm
ti
i
S
SK
1
S
1
−
+λ
∑ δ 
 Ở đây : 
 iδ và iλ là chiều dày và hệ số dẫn nhiệt của lớp cách điện và không 
khí trung gian giữa dây quấn và lõi thép . 
 St bề mặt toả nhiệt bên trong cuộn dây 
 Ktm Hệ số toả nhiệt từ bề mặt mạch từ vào môi trường xung 
quanh . 
 Sm bề mặt làm mát của mạch từ . 
 Đối với cuộn dây nam châm điện xoay chiều trong trường hợp tổn hao 
trong thép không đáng kể và nhiệt độ mạch từ thấp. Bề mặt toả nhiệt có thể lấy 
như đối với một chiều. 
 Trong trường hợp tổn hao trong lõi thép lớn, nhiệt độ mạch từ cao gần 
như nhiệt độ bên trong cuộn dây thì ta coi như cuộn dây không truyền nhiệt vào 
trong mạch từ và S = Sn. Đối với các cuộn dây được bao bọc bởi các chi tiết 
khác, việc tính toán nhiệt cho cuộn dây phải tiến hành tính quá trình truyền 
nhiệt từ cuộn dây đền bề mặt toả nhiệt bên ngoài . 
 3- Hệ số toả nhiệt Kt 
 Khi dùng công thức Newton hệ số toả nhiệt được lấy như ở bảng 6-5 . 
 Khi cần xác định chính xác Kt ta phải tiến hành tính toán riêng lẻ từng 
dạng trao đổi nhiệt . 
 III/- TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH VÀ NHIỆT ĐỘ LỚN 
NHẤT CỦA CÁC LỚP DÂY CUỐN BÊN TRONG 
 289
 Sự phân bố nhiệt độ bên trong cuộn dây rất phức tạp và phụ thuộc vào 
nhiều yếu tố khác nhau. Trong khi tính toán, để đơn giản ta giả thiết như sau : 
 1-Nhiệt độ trên toàn bộ bề mặt toả nhiệt là như nhau . 
 2-Nguồn nhiệt bên trong phân bố đồng đều theo thể tích . 
 3-Trường nhiệt ở các tiết diện có bán kính khác nhau là như nhau (như 
ở cuộn dây hình chữ nhật ) Thực nghiệm chứng minh rằng chỉ sai số 2-3 
 4- Kết cấu phức tạp của dây quấn gồm dây dẫn kim loại, cách điện, các 
loại sơn tẩm, các lớp không khí trung gian được coi như vật thể đồng nhất 
có hệ số dẫn nhiệt tương đương không phụ thuộc vào nhiệt độ theo thể tích 
cuộn dây. 
 5- Khi không có toả nhiệt ở mặt đầu cuộn dây có thể coi điều kiện phát 
nóng của cuộn dây như phát nóng của cuộn dây có chiều dài vô cùng . 
 1-Nhiệt độ trung bình của cuộn dây 
 Đường cong biểu thị sự thay đổi nhiệt độ bên trong dây quấn gần với 
đường parabol bậc hai và giá trị trung bình của nhiệt độ Өtb và độ tăng nhiệt 
trung bình thường bằng 2/3 giá trị cực đại Өmax 
 Thực tế, muốn xác định nhiệt độ trung bình của cuộn dây thường 
dùng phương pháp nhiệt trở nhiệt độ trung bình của dây quấn được quy định 
trong tiêu chuẩn . 
 2-Tính toán nhiệt độ lớn nhất của dây quấn 
 Tuỳ theo cấu tạo của mỗi một cuộn dây mà vị trí điểm nóng nhất của 
cuộn dây thay đổi . 
 a) Các cuộn dây có sự toả nhiệt ở mọi phía đều như nhau thì các vòng 
dây ở giữa thiết diện ngang của cuộn dây là nóng nhất. 
 b) Các cuộn dây có bề mặt toả nhiệt là bề mặt trong và bề mặt ngoài. 
Còn hai mặt đầu không toả nhiệt thì lớp dây ở giữa tiết diện ngang cuộn dây là 
nóng nhất. 
 290
 c) Các cuộn dây chỉ có bề mặt toả nhiệt là bề mặt ngoài, còn các bề mặt 
khác toả nhiệt rất khó khăn thì lớp dây ở bề mặt trong là nóng nhất, loại này 
thường là cuộn dây của nam châm điện xoay chiều . 
 Nếu bề mặt toả nhiệt gồm tất cả các bề mặt ngoài, trong và mặt đầu 
nhưng hệ số toả nhiệt của các bề mặt đó khác nhau thì vị trí điểm nóng nhất 
cũng thay đổi 
 Với các giả thiết ở trên nhiệt độ tăng nhiệt lớn nhất của các lớp dây 
quấn bên trong có thể xác định từ công thức sau : 
 Đối với cuộn dây hình trụ : 
 maxτ - nτ = ( )max2n
td
rr
4
p −λ + ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛
λ n
max
td
2
max
r
r
ln
2
Pr
 Đối với cuộn dây hình chữ nhật: 
 maxτ - nτ = 
2
dqtmaxdq
td
td 2
AA
h
4
p
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−λ 
 Trong đó : 
 P là tổn hao trong một đơn vị thể tích dây quấn 
 PӨ = 
dqV
PΘ 
 rn và rmax là bán kính bề mặt ngoài dây quấn và bán kính chỗ phát 
nóng lớn nhất. 
 hdq - chiều cao dây quấn (m) . 
 Adqt và Adqn - kích thước bên trong dây quấn và kích thước lớp dây quấn 
nóng nhất. 
 λ td - hệ số dẫn nhiệt tương của cuộn dây được tính như ở phần 
sau: 
 3-Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương của dây quấn 
 291
 Dây quấn cuộn dây bao gồm nhiều loại vật liệu khác nhau như kim 
loại, cách điện của dây dẫn, cách điện của các lớp dây dẫn, sơn tẩm và không 
khí giữa các vòng dây được coi như là vật thể đồng nhất có hệ số dẫn nhiệt 
tương đương là: 
 tdλ = cdkλ 
 Ở đây K = hệ số tính đến sự phụ thuộc của đường dòng nhiệt vào đặc 
điểm xếp đặt dây dẫn (quấn thường Kqt hay quấn xen kẽ Kx), đường kính dây 
dẫn, chiều dày cách điện giữa các lớp, có thể tìm k trong hình 6-7. 
 0,20 0,28 0,38 0,50 0,640,72
0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
0
2
4
6
8
10
K du dM
Kw
Kp
dM
du
 Hình 6-7: Sự phụ thuộc của hệ số Kth và Kth vào tỷ số 
cdd
d và hệ số lấp 
đầy dây quấn 
 Khi quấn thường và quấn xen kẽ 
 Giả thiết rằng nhiệt độ ở tiết diện phần kim loại dây dẫn là như nhau và 
toàn bộ bộ giảm nhiệt độ (tạo ra độ chênh nhiệt) xảy ra ở lớp cách điện, hệ số 
dẫn nhiệt của lớp cách điện sẽ được biểu thị bằng: 
 292
 cdλ = 
Δδ λ
Δ+λ+λ
δ
Δ++δ
b
b22
2b22 
 Trong đó 
 Δδ ,b, - chiều dày cách điện của dây dẫn, của sơn tẩm hoặc không 
khí, của cách điện giữa các lớp . 
 Δδ λλλ ,, b - Hệ số dẫn nhiệt tương ứng với các lớp Δ,,bδ chỉ trong 
bảng (3-8) 
 Đối với dây dẫn tròn chiều dày của sơn tẩm hoặc không khí được xác 
định như sau: 
 Dây quấn thường: 
 2bth = ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−
cd
ddcd
2
cd
2
cd
d
d
arcsin
d
d
d
d12
2
d
 Dây quấn xen kẽ : 
 2bx = ⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −−
cd
cd
cd
2
cd
d
darcsin
d
d
2
d
d42
2
d
Bảng 6-8: Hệ số dẫn nhiệt của cách điện dây dẫn cách điện giữa các vòng dây, 
giữa các lớp dây . 
Hệ số Khồn tẩm sơn cách 
điện 
Có tẩm sơn 
cách điện 
Vật liệu cách điện 
δλ 0,06 - 0,07 
0,08 - 0,09 
0,10 - 0,19 
0,2 - 0,25 
0,11 - 0,12 
0,13 - 0,15 
0,15 - 0,2 
0,23 - 0,3 
 ПЪ0, A6∏ 
1∃∏ 
B∃∏ , BTA∃∏ , TB∃∏
A∏ 
Bλ 0,02- 0,03 
0,15 - 0,3 Lớp không khí mỏng 
 293
Δλ 0,07 - 0,43 0,11 - 0,18 Cách điện giấy 
 § 6-5/- TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA MẠCH TỪ XOAY CHIỀU VÀ 
VÒNG NGẮN MẠCH 
 Đối với mạch từ một chiều do không có tổn hao, do dòng điện xoáy và 
từ trễ nên lõi thép không nóng, độ tăng nhiệt của lõi thép chủ yếu là do sự 
truyền nhiệt từ cuộn dây vào lõi thép. 
 Đối với mạch từ nam châm điện xoay chiều ta có thể tính toán phát 
nóng cùng với cuộn dây như ở phần phát nóng cuộn dây đã trình bày, hoặc tính 
riêng rẽ phát nóng của mạch từ do các tổn hao trong mạch từ gây nên . 
 Độ tăng nhiệt của vòng ngắn mạch có thể được xác định bằng công 
thức Newton 
 lvτ = ''
vn
''
tv
'
vn
'
tv
vn
SKSK
P
+ 
0C 
 Trong đó: 
 Rvn - tổn hao công suất trong vòng ngắn mạch ở nhiệt độ Өvn = 
mtvn Θ+τ thường đạt đến 200 - 250 0C . 
 ''tv
''
vn
'
tv
'
vn K,S,K,S : Bề mặt và hệ số toả nhiệt của các phần vòng 
ngắn mạch tiếp xúc với lõi thép mạch từ và phần được. 
 Đối với các phương pháp lắp ráp vòng ngắn mạch thông thường nhiệt 
độ phát nóng của nó trong dải từ 50 – 250 0C , khi nhiệt độ môi trường xung 
quanh là 15 – 40 0C có thể lấy ; 
 'tvK = 29(1+Өvn0.0068) W/m
2 0C 
 ''tvnK = 30(1+ 0.0017 Өnv) W/m
2 0C 
 §6-6/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA TOÀN BỘ KHÍ CỤ ĐIỆN 
 294
 I/-Nhiệm vụ và các dạng tính toán nguồn nhiệt 
 1)Nhiệm vụ : 
 Sau khi tính toán và thiết kế tất cả các chi tiết của khí cụ điện ta phải 
kiểm nghiệm nhiệt bao gồm các nhiệm vụ sau : 
 a)- Xác định nhiệt độ trên bề mặt các chi tiết kim loại, xác định nhiệt 
độ lớn nhất và nhiệt độ trung bình bên trong các cụm có chứa vật liệu cách điện 
. 
 b) - Xác định nhiệt độ môi trường làm mát bên trong vỏ đối với các khí 
cụ điện có vỏ bao ngoài. 
 c)- Xác định nhiệt độ bên ngoài của thành vỏ hộp 
 2)Nguồn nhiệt: 
 Nhiệt được sinh ra ở các nguồn nhiệt sau: 
 -Vật dẫn điện (thanh dẫn ) 
 -Các tiếp điểm đóng cắt dòng điện hoặc không đóng ngắt (các mối nối 
tiếp xúc tháo được và không tháo được ). 
 -Cuộn dây nam châm điện. 
 -Mạch từ xoay chiều, trong đó có vòng ngắn mạch. 
 -Hồ quang điện khi vận hành khí cụ điện. 
 -Các chi tiết không dẫn điện đặt trong từ trường. 
 -Ma sát ở các khớp động của các chi tiết và trong các bộ phận xoắn 
xung . 
 -Các nguồn nhiệt khác. 
 II/-XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VỎ NGOÀI 
 Tuỳ theo kết cấu của vỏ ngoài mà toàn bộ lượng nhiệt có thể toả ra ở vỏ 
hoặc chỉ toả ra ở vỏ một phần, còn một phần nhờ không khí đưa ra khỏi vỏ qua 
các lỗ thông gió . 
 Việc tính toán nhiệt bề mặt ngoài của vỏ ở chế độ dài hạn ổn định có thể 
thực hiện theo công thức Newton (6-12) 
 295
 P = KtSbmτ (W) 
 Trong đó : 
 P- gồm tất cả các tổn hao trong khí cụ điện . 
 Kt - hệ số toả nhiệt có thể lấy ở bảng 5-5 khi cần chính xác ta cần 
xác định riêng rẽ hệ số toả nhiệt của đối lưu và bức xạ . 
 Sbm- bề mặt làm mát gần đúng có thể phân làm 3 phần : 
 Phía dưới Sd, phần giữa Sg, và phần phía trên St để tính đến các điều 
kiện toả nhiệt khác nhau ở các phần đó của vỏ . 
 Công thức Newton lúc này có dạng . 
 P = Ktd.Sd.τd + KdgSgτg + KttStτt 
 Độ tăng nhiệt trong các phần vỏ không được vượt quá trị số đã quy 
định . 
 III/-TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH VÀ NHIỆT ĐỘ 
CỰC ĐẠI CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG VỎ KÍN 
 Các nam châm điện hút lõi thép phản ứng vào trong cuộn dây có thân 
vỏ thép bằng gang, là những khí cụ điện đặt trong vỏ kín. 
 Trong bộ nhiệt sinh ra được toả ra từ bề mặt thân để chủ yếu bằng đối 
lưu và bức xạ chỉ một phần nhỏ nhiệt được toả ra bằng dẫn nhiệt từ bề mặt 
thân đế qua những chi tiết lắp đặt cố định nó, ta có thể bỏ qua phần này . 
 Nhiệt độ bề mặt thân Өth và độ tăng nhiệt được xác định theo công 
thức Newton 
 296
 Nhiệt độ bề mặt ngoài của dây quấn được xác định theo công thức : 
 Өn = Өth + PRdqth 
 Ở đây : 
 Өn - nhiệt độ của bề mặt ngoài dây quấn . 
 Өth - nhiệt độ bề mặt ngoài thân. 
 P - công suất toả ra từ dây quấn qua thân 
 Rdqth - nhiệt trở của các lớp trung gian giữa bề mặt cuộn dây và 
bề mặt thân. 
 Rdqth = 
vmd
vmd
RR5.0
RR5.0
+ = 
vv
v
mdmd
md
vv
v
mdmd
md
S
5.0
.
S
5.0
δλ
δ+λ
δ
δλ
δ
λ
δ
 = 
mdmdvvvmd
vmd
SS5.0
5.0
λδ+λλ
δλ= 
 Trong đó : 
 Sv , Smd - Diện tích bề mặt vỏ và mặt đầu cuộn dây m2. 
 mdv λλ , - Hệ số dẫn nhiệt của phần vỏ và mặt đầu được xác định. 
 vλ = 
kkv
khv
cdv
cdv
kkvcdv
λ
δ+λ
δ
δ+δ
 W/moC và mdλ = 
kkmd
khmd
cdmd
cdmd
khmdcdmd
λ
δ+λ
δ
δ+δ
W/moC 
 khvcdv , δδ , khmdchmd , δδ : chiều dày lớp cách điện và lớp không 
khí trung gian giữa vỏ và cuộn dây . 
 Nhiệt độ cực đại Өmax và nhiệt độ trung bình bên trong cuộn dây 
được xác định như ở phần tính nhiệt cuộn dây đã giới thiệu. 
 IV/-TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH CỦA VÙNG PHÁT 
NÓNG TRONG KHÔNG CÓ THÔNG GIÓ CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 
 Tính toán nhiệt độ của tứng chi tiết, cụm chi tiết đặt trong vỏ là phức 
tạp, một cách gần đúng ta có thể tính nhiệt độ trung bình của một vùng phát 
nóng trong đó có đặt một nguồn nhiệt và giả thiết rằng các vùng này và bề mặt 
của nó có nhiệt độ trung bình Өvtb = Өbm nhiệt độ này được tính toán xuất 
phát từ nhiệt độ bề mặt ngoài của vỏ và nhiệt trở giữa vùng đó với vỏ . 
 297
 Sau đó từ nhiệt độ trung bình của vùng, ta tính nhiệt độ của từng chi tiết 
và cụm chi tiết dựa theo sơ đồ nhiệt thay thế tương đương . 
 V/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG VỎ 
HỘP CÓ THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN 
 Toàn bộ công suất P sinh ra nhiệt được toả ra môi trường bên ngoài 
bằng hai đường: Một phần Pv được toả ra từ bề mặt vỏ hộp chủ yếu bằng bức 
xạ và đối lưu, phần khác Pkk được toả bằng dòng không khí đi qua các lỗ thông 
gió. Phần công suất Pv toả nhiệt qua vỏ được tính toán như ở phần II. 
 Để toả công suất Pkk cần bảo đảm lưu lượng khí V(m3/s) thể tích không 
khí V này có thể xác định từ biều thức: 
 Pkk = ӨkV( Өvtb - Өmt ) W (6.34) 
 Trong đó: 
 Өk - - nhiệt dung riêng của không khí ở áp suất không đổi Jun/m3 
oC 
 Өmt - nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh vỏ hộp . 
 Өvtb - hiệt độ trung bình của không khí trong vỏ lưu lượng khí V 
được xác định. 
 V = vS1 (6-35) 
 Trong đó: 
 S1 - diện tích lỗ thông gió m2 
 v - Tốc độ chuyển động của không khí tính theo công thức sau . 
 v = mt v
tb
2gh( )γ γ
γ ξ
− = μ mt v
tb
2gn( )γ γ
γ
− (6-36) 
 Trong đó: 
 h- Khoảng cách giữa các trục lỗ thông gió (m). 
 k = 0.01 m/s2 – gia tốc trọng trường . 
 γmt , γv - khối lượng riêng của không khí môi trường và không 
khí trong vỏ hộp. (KG/m3) 
 ξ - hệ số trợ lực khí động của lỗ thông gió . 
 298
 μ = 1/ ξ - hệ số tiêu hao không khí lấy theo bảng 5-9 
 γtb = 0.5(γmt + γv ) 
 Từ công thức (6-35) ta có thể xác định được diện tích cần thiết của lỗ 
thông gió . 
 Bảng 6-5 : Hệ số tiêu hao không khí và trợ lực khí động ở các lỗ thông 
gió. 
 b - chiều rộng của lỗ, l : chiều dài của lỗ . 
 b : l = 1 : 
1 
 b : l = 1 : 
2 
 b : l = 1 : 
∞ 
Góc 
nghiêng tấm 
che (độ) 
ξ μ ξ μ ξ μ 
15 15 0,25 20,6 0,22 30,8 0,18 
30 5,65 0,42 6,9 0,36 9,15 0,33 
45 3,68 0,52 4,0 0,50 5,15 0,44 
60 3,07 0,57 3,18 0,56 5,58 0,53 
90 2,59 0,62 2,39 0,62 2,59 0,62 
 299
 VI/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG HỘP 
DẦU VÀ THÙNG DẦU. 
 Việc tính toán nhiệt của khí cụ điện đặt trong thùng dầu máy biến áp 
làm việc dài hạn được tiến hành tượng tự như tính toán với khí cụ điện đựng 
trong vỏ hộp khí không có lỗ thông gió ở chế độ làm việc ngắn hạn có thể cho 
rằng toàn bộ nhiệt lượng tỏa ra được các chi tiết, các cụm và chủ yếu là đầu hấp 
thụ. Vì vậy bài toán cơ bản của tính toán nhiệt là xác định khối lượng dầu cần 
thiết. Đối với biến trở mở máy động cơ có yêu cầu biến trở chịu được 3 lần 
khởi động liên tiếp có khoảng nghỉ bằng 2 lần thời gian khởi động, khối lượng 
dầu cần thiết có thể xác định theo công thức: 
C2
)1(100.Z.t..P
M
đ
kđđm
ξτ
β−α= , KG (6-37) 
 Trong đó: 
 Pđm – Công suất định mức của động cơ (KW) 
α - Tỷ số giữa mômen khởi động trung bình và mô đun định mức 
của động cơ. 
tkđ – thời gian khởi động (sec) 
Z – Số lần khởi động liên tiếp (thường Z=3) 
6,05,0 ÷=ξ Hệ số tính đến quan hệ giữa nhiệt độ cực đại và nhiệt 
độ trung bình của các lớp dầu. 
đτ - Nhiệt độ cực đại cho phép của dầu. 
C = 1,8 J/g oC nhiệt độ riêng của dầu. 
3,01,0 −=β Hệ số tính đến phần năng lượng được các chi tiết khác 
hấp thụ. 
-----Hết----