Электродинамическое действие тока КЗ

Электродинамические усилия в токоведущих частях конструкций и аппаратов.

Токоведущие части электрического оборудования при протекании по ним тока подвергаются электродинамическим усилиям. Такие усилия действуют на каждый проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Известно, что сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током, определяется по закону БИО-Савара:

Интегрируя по и вводя переходные коэффициенты, получают

где - угол, образуемый направлением тока и направлением магнитного поля. При параллельных проводниках этот угол составляет .

Если два параллельных проводника обтекаются током и проводник с током находится в магнитном поле тока с напряженностью , то величина усилия между ними будет равна.

(1)

где a – расстояние между осями проводников;

- длина проводника в см.

Сила, действующая между проводниками, притягивает их друг к другу при одинаковом направлении тока и отталкивает при различных направлениях.

Наибольшая величина этих электродинамических усилий определяется максимально возможным током, т.е. ударным током К.З. Поэтому начальный момент короткого замыкания (t=0,01c) является наиболее опасным с точки зрения величины динамических усилий.

При прохождении через выключатель тока К.З. или при включении на существующее К.З. отдельные его части – вводы, токоведущие стержни, траверсы, штанги и др. подвергаются внезапной механической нагрузке, носящей характер удара.

В современных мощных электрических системах при напряжениях 6-20 кВ ударные токи К.З. могут достигать значений 500 кА, а электродинамические усилия при этом достигают нескольких тонн на один пролет сборных шин длиной 1-1,5 м.

Для надежной работы электроустановки все её элементы должны обладать электродинамической устойчивостью, т.е. противостоять воздействиям электродинамических сил при коротких замыканиях.

В формуле (1) подразумевается, что ток протекает по оси круглых проводников, диаметр которых не оказывается влияния на величину усилий. Размеры и форма сечения проводников при больших расстояниях между ними не оказывают заметного влияния на величину электродинамических усилий.

Если же проводники имеют форму прямоугольных полос и расположены на небольшом расстоянии друг от друга (когда расстояние в свету меньше периметра полосы), то влияние поперечных размеров проводника необходимо учитывать при помощи коэффициента формы

Где h – высота, в – ширина полосы, а – расстояние между осями проводников.

Коэффициент формы определяют по соответствующим кривым.

Если токоведущие проводники принадлежат к одной цепи и , то наибольшая сила взаимодействия будет равна

При определении электродинамических усилий при других формах проводников пользуются принципом приращения электромагнитной энергии и зависимостями, вытекающими из него.

Рассмотрим два взаимодействующих контура Запас электромагнитной энергии для этих контуров будет следующим:

Где - индуктивности и контуров; М – взаимная индуктивность контуров.

Если в результате взаимодействия токов контур системы деформируется под действием электродинамических сил в направлении x на величину dx, то работа, произведенная при этом силой , будет равна приращению запаса электромагнитной энергии системы на величину dW

Электродинамическое усилие между частями или сторонами одного и того же контура с индуктивностью и электромагнитной энергией будет составлять

(2)

Х – координата, в направлении которой определяется усилие.

Для примера применим выражение (2) для двух простых случаев.

1) Параллельные проводники с перемычкой. Такой контур образуется в масляных выключателях и разъединителях.

Рис. 10

Под действием тока согнутый под углом проводник стремится выпрямиться.

Индуктивность петли будет равна

Отсюда по управлению (2) сила, действующая на перемычку, составляет:

Это выражение позволяет определить электродинамические усилия, действующие на траверсу выключателя или нож разъединителя.

2) Проводник, согнутый под прямым углом. Такое расположение проводников применяют в РУ для ошиновки. Оно часто встречается в разъединителях с проходными изоляторами. Индуктивность проводника, образующего такой контур, будет составлять:

Где a – длина подвижного элемента, например ножа разъединителя.

При трехфазном токе происходит взаимодействие между шинами, в которых токи сдвинуты по фазе на угол . При расположении шин в одной плоскости расчетной является средняя фаза, т.к. на нее действуют усилия больше, чем на крайние. Наибольшие усилия получаются при ударном токе К.З. Тогда

Где a – расстояние между осями шин смежных фаз.

 

Рис. 11

Если провода или шины расположены по вершинам равностороннего треугольника, то максимальное усилие на каждый провод равно максимальному усилию, действующему на средний провод при их расположении в одной плоскости.

Величина наибольшего усилия, которое приходится на опорный изолятор сборных шин

Где - максимальное усилие на единицу длины шины средней фазы, кг/см;

- длина пролета шины расстояние между опорными изоляторами, см.

Дата добавления: 2015-07-11