Siły elektrodynamiczne w częściach czynnych konstrukcji i urządzeń

Części urządzeń elektrycznych i urządzeń rozdzielczych pod napięciem, gdy przepływa przez nie prąd, są narażone na działanie sił elektrodynamicznych... Jak wiadomo, siły te działają na każdy przewodnik z prądem znajdujący się w pole magnetyczne.

Wielkości tych sił dla elementów rozdzielnic i urządzeń o prostej konfiguracji można wyznaczyć na podstawie prawa Biota-Savarda:

gdzie (H, l) jest kątem utworzonym przez kierunek prądu i kierunek pola magnetycznego; z równoległymi drutami wynosi 90 °.

Jeżeli dwa równoległe przewodniki poruszają się w prądzie, a przewodnik z prądem i1 znajduje się w polu magnetycznym z prądem i2 o natężeniu H = 0,2 · i2 / a, to wartość siły działającej między nimi będzie równa

gdzie i1 i i2 to prądy pierwszego i drugiego drutu, oraz; a to odległość między osiami drutów, cm; l — długość drutu, patrz

Siła działająca między drutami przyciąga je do siebie z tym samym kierunkiem prądu w nich i odpycha je w różnych kierunkach.

Największą wartość tych sił elektrodynamicznych określa maksymalny możliwy prąd zwarciowy, czyli prąd zwarciowy iy. Dlatego początkowy moment zwarcia (t = 0,01 s) jest najbardziej niebezpieczny pod względem wielkości sił dynamicznych.

Gdy prąd zwarciowy przepływa przez wyłącznik automatyczny lub gdy jest on podłączony do istniejącej sieci zwarcie jego poszczególne części — tuleje, pręty przewodzące, podkłady, pręty itp., a także odpowiadające im opony i szyny zbiorcze — poddawane są nagłemu obciążeniu mechanicznemu, które ma charakter uderzenia.

W nowoczesnych układach elektrycznych dużej mocy przy napięciach 6-20 kV prądy zwarciowe mogą osiągać wartości do 200-300 ka i więcej, podczas gdy siły elektrodynamiczne sięgają kilku ton na autobus (lub autobusy) o długości 1 -1,5 m ...

W takich warunkach niewystarczająca wytrzymałość mechaniczna jednego lub drugiego elementu wyposażenia elektrycznego może spowodować dalszy rozwój wypadku i spowodować poważne uszkodzenie rozdzielnicy. Dlatego dla niezawodnej pracy każdej instalacji elektrycznej wszystkie jej elementy muszą posiadać stabilność elektrodynamiczną (odpowiednią wytrzymałość mechaniczną), czyli wytrzymać skutki zwarcia.

Przy wyznaczaniu sił elektrodynamicznych według powyższego wzoru przyjmuje się, że prąd płynie wzdłuż osi okrągłych drutów, których średnica nie wpływa na wielkość sił. Należy zauważyć, że wielkość i kształt przekroju drutów przy dużych odległościach między nimi nie mają zauważalnego wpływu na wielkość sił elektrodynamicznych.

Jeżeli przewody mają postać prostokątnych pasków i znajdują się w niewielkiej odległości od siebie, gdy odległość w świetle jest mniejsza niż obwód paska, to wymiary ich przekroju mogą mieć istotny wpływ na siły elektrodynamiczne. Ten wpływ wymiarów przekroju poprzecznego przewodu jest uwzględniany w obliczeniach z wykorzystaniem współczynnika kształtu.

Jeśli przewody pod napięciem należą do tego samego obwodu i i1 = i2 = iy, wtedy największa siła oddziaływania będzie równa

W przypadku różnych innych prostych i złożonych form drutów wygodniej jest zastosować zasadę wzrostu energii elektromagnetycznej i wynikających z niej zależności.

Takie proste zależności można otrzymać, rozważając dwa oddziałujące na siebie obwody L1 i L2, w których płyną prądy i1 i i2. Dostawy energii elektromagnetycznej dla tych obwodów będą następujące:

Jeżeli w wyniku oddziaływania prądów i1 i i2 pętla układu zostanie odkształcona pod działaniem sił elektrodynamicznych w dowolnym kierunku o wartość dx, to praca wykonana przez natężenie pola Fx będzie równa wzrostowi w dostarczaniu energii elektromagnetycznej do układu o ilość dW:

Gdzie:

W przypadkach, gdy w praktyce konieczne jest wyznaczenie siły elektrodynamicznej między częściami lub bokami tego samego obwodu o indukcyjności L1-L, siła oddziaływania będzie wynosić:

Korzystając z tego wyrażenia, określamy siły elektrodynamiczne dla kilku prostych, ale praktycznie ważnych przypadków:

1. Przewody równoległe ze zworką.

W wyłącznikach olejowych i odłącznikach obwód jest tworzony w tej konfiguracji.

Indukcyjność pętli będzie wynosić

zatem siła działająca na przegrodę wynosi

gdzie a jest odległością między osiami drutów; r jest promieniem drutu.

To wyrażenie podaje siły elektrodynamiczne działające na belkę zwrotnicy lub iglicę zwrotnicy. Ułatwiają ruch skoku wyłącznika olejowego, gdy prąd jest wyłączony i odpychają go, gdy jest włączony.

Aby mieć pojęcie o wielkości sił wypadkowych, wystarczy powiedzieć, że np. w wyłączniku mocy VMB-10 przy prądzie zwarciowym 50 kA siła działająca na trawers wynosi około 200 kg.

2. Przewodnik zgięty pod kątem prostym.

Taki układ przewodów stosowany jest zwykle w rozdzielnicach do układania szyn zbiorczych dojścia do i za aparatem, spotykany jest również w rozłącznikach przepustowych.

Indukcyjność przewodnika tworzącego taki obwód będzie wynosić:

W związku z tym nakład pracy witryny zostanie określony tak, jak w poprzednim przypadku:

gdzie a jest długością elementu ruchomego, np. ostrza odłącznika.

Pod wpływem prądu drut wygięty pod kątem ma tendencję do prostowania, a jeśli jedna jego strona jest ruchoma, na przykład ostrze odłącznika, wówczas należy podjąć środki zapobiegające ewentualnemu samoistnemu wyzwoleniu podczas zwarcia.