Elektrodynamické síly v živých částech konstrukcí a zařízení
Části elektrických zařízení a rozvodných zařízení pod napětím, když jimi protéká proud, jsou vystaveny elektrodynamickým silám... Jak víte, takové síly působí na jakýkoli proudovod umístěný v magnetické pole.
Velikosti těchto sil pro prvky rozváděče a zařízení jednoduché konfigurace lze určit na základě Biot-Savardova zákona:
kde (H, l) je úhel, který svírají směr proudu a směr magnetického pole; s paralelními dráty je 90°.
Pohybují-li se dva paralelní vodiče proudem a vodič s proudem i1 je v magnetickém poli s proudem i2 o intenzitě H = 0,2 • i2 / a, pak bude velikost síly působící mezi nimi rovna
kde i1 a i2 jsou proudy prvního a druhého drátu a; a je vzdálenost mezi osami drátů, cm; l — délka drátu, viz
Síla působící mezi dráty je k sobě přitahuje stejným směrem proudu v nich a odpuzuje je v různých směrech.
Největší hodnotu těchto elektrodynamických sil určuje maximální možný zkratový proud, tj. Zkratový proud iy. Proto je počáteční moment zkratu (t = 0,01 sec) nejnebezpečnější z hlediska velikosti dynamických sil.
Když jističem protéká zkratový proud nebo když je připojen ke stávající síti zkrat jeho jednotlivé části — pouzdra, vodivé tyče, pražce, tyče atd., jakož i příslušné pneumatiky a přípojnice — jsou vystaveny náhlému mechanickému zatížení, které má charakter nárazu.
V moderních vysokovýkonných elektrických systémech při napětí 6-20 kV mohou zkratové proudy dosahovat hodnot až 200-300 ka a více, zatímco elektrodynamické síly dosahují několika tun na sběrnici (nebo autobusy) dlouhé 1-1,5 m ...
Za takových podmínek může nedostatečná mechanická pevnost jednoho nebo druhého prvku elektrického zařízení způsobit další rozvoj havárie a způsobit vážné poškození rozváděče. Pro spolehlivý provoz jakékoli elektrické instalace proto musí mít všechny její prvky elektrodynamickou stabilitu (odpovídající mechanickou pevnost), to znamená odolávat účinkům zkratu.
Při stanovení elektrodynamických sil podle výše uvedeného vzorce se předpokládá, že proud teče podél osy kruhových drátů, jejichž průměr neovlivňuje velikost sil. Je třeba poznamenat, že velikost a tvar průřezu drátů ve velkých vzdálenostech mezi nimi nemá žádný znatelný vliv na velikost elektrodynamických sil.
Pokud jsou dráty ve tvaru obdélníkových pásků a jsou umístěny v malé vzdálenosti od sebe, když je vzdálenost na světle menší než obvod pásku, pak rozměry jejich průřezu mohou mít významný vliv na elektrodynamické síly. Tento vliv rozměrů průřezu vodiče je zohledněn při výpočtech pomocí tvarového faktoru.
Li živé dráty patří do stejného obvodu a i1 = i2 = iy pak bude největší interakční síla rovna
U různých dalších jednoduchých i složitých tvarů vodičů je výhodnější využít principu nárůstu elektromagnetické energie a z toho vyplývajících závislostí.
Takové jednoduché závislosti lze získat uvažováním dvou interagujících obvodů L1 a L2 nesených proudy i1 a i2. Dodávka elektromagnetické energie pro tyto obvody bude následující:
Pokud se v důsledku interakce proudů i1 a i2 smyčka systému deformuje působením elektrodynamických sil v libovolném směru o velikost dx, pak se práce vykonaná intenzitou pole Fx bude rovnat nárůstu v dodávce elektromagnetické energie do systému o množství dW:
kde:
V případech, kdy je v praxi nutné určit elektrodynamickou sílu mezi částmi nebo stranami stejného obvodu s indukčností L1-L, bude interakční síla:
Pomocí tohoto výrazu určíme elektrodynamické síly pro několik jednoduchých, ale prakticky důležitých případů:
1. Paralelní vodiče s propojkou.
U olejových jističů a odpojovačů je obvod vytvořen s touto konfigurací.
Indukčnost smyčky bude
tedy síla působící na přepážku je
kde a je vzdálenost mezi osami drátů; r je poloměr drátu.
Tento výraz udává elektrodynamické síly působící na trám spínače nebo čepel spínače. Usnadňují pohyb zdvihu olejového jističe, když je proud vypnutý, a odpuzují ho, když je zapnutý.
Abychom měli představu o velikosti výsledných sil, stačí říci, že např. u výkonového jističe VMB-10 se zkratovým proudem 50 kA je síla působící na traverzu je asi 200 kg.
2. Vodič ohnutý v pravém úhlu.
Takové uspořádání vodičů se obvykle používá v rozváděčích k uspořádání přípojnic přístupů k přístroji a za ním, nachází se také v průchodkových odpojovačích.
Indukčnost vodiče tvořícího takový obvod bude:
Úsilí webu tedy bude určeno jako v předchozím případě:
kde a je délka pohyblivého prvku, například čepele odpojovače.
Působením proudu má šikmo ohnutý drát tendenci se narovnávat a pokud je jedna jeho strana pohyblivá, např. čepel odpojovače, pak je třeba provést opatření proti možnému samovolnému vypnutí při zkratu.