Электродинамическое действие токов КЗ

Электродинамическая стойкость определяется механическими напряжениями в материале проводников и изоляторов, которые не должны быть выше допускаемых напряжений, но последние нормируются по-разному, а именно:

для токоведущих шин

;

опорных изоляторов

;

аппаратов

,

где s_{max, расч} — максимальное расчетное напряжение в материале шин, МПа; s_доп — допускаемое напряжение в материале шин (для алюминия марки AT s_доп = 70 МПа, стали s_доп = 160 МПа); F_расч — расчетная электродинамическая сила, приложенная в головке изолятора, Н; F_разр — минимальная разрушающая сила (нагрузка) на изгиб, Н (задается заводом-изготовителем); I_{дин, max} — номинальный ток электродинамической стойкости аппарата, кА; I_{уд, max} — ударный ток КЗ при повреждении в расчетной точке, кА.

Обычно для аппаратов I_{дин, max} задают заводы, а у петлевых и стержневых трансформаторов тока нормируется кратность электродинамической стойкости . Для выключателей по ГОСТ 687–70 нормируется сквозной предельный ток, определяемый начальным действующим значением его периодической составляющей I_п0.

Для расчета электродинамической стойкости шин необходимо, прежде всего, найти величины и выяснить характер действующих сил.

Если два параллельных тонких и прямолинейных проводника 1 и 2 расположены в одной плоскости на расстоянии а и обтекаются токами , то результирующая сила, действующая на участке проводника 1 длиной l (например между опорными изоляторами), будет равна:

,

где плюс берётся при одинаковом направлении токов i₁, i₂ (сила стремится сблизить проводники), минус — при разном (сила стремится удалить проводники).

Соответственно этому при двухфазном КЗ ( ) получаем

.

Наибольшие электродинамические силы действуют на среднюю фазу (расположение шин в одной плоскости) при трёхфазном КЗ и поэтому принимаются за расчётные:

.

В последнем выражении множитель обусловлен фазовым сдвигом между взаимодействующими токами, а коэффициент формы k_ф учитывает геометрию проводников и их взаимное расположение. Его величина может быть больше или меньше единицы в зависимости от формы поперечного сечения шин и их взаимного расположения.

Если считать шину многопролетной балкой, лежащей на жёстких опорах и подвергающейся воздействию равномерно распределенной статической нагрузки, то в этих условиях наибольший изгибающий момент, Н×м действущий на шину, определяют по формуле

Напряжение в материале шин, МПа,

,

где W — момент сопротивления шины относительно оси, перпендикулярной направлению действия силы, м³.

Сила, действующая на шины от начала КЗ до его отключения, переменна. Вместе с тем конструкция шин является механически упругой системой, обладающей собственной частотой колебаний. Если частота вынуждающей силы и собственная частота колебаний упругой системы будут близки или совпадут, то возникнут условия для механического резонанса, в результате которого напряжения в материале шин увеличатся и возможно разрушение конструкции.