Электродинамические усилия в электрических аппаратах

Физическое силовое воздействие в электрических аппаратах основано на силе Лоренца. Эта сила, которая оказывает магнитное поле на движущиеся в нем электрические заряды.

F = q [ ]

Поскольку электрический заряд в проводниках связан с кристаллической решеткой, то это силовое воздействие передается на весь провод. И для случая с проводниками эта сила называется силой Ампера.

dF = I [ ]

d - вектор числено равный элементу проводника и направленный в ту же сторону, что и вектор плоскости тока.

Направление вектора индуктивности B определяется по правилу буравчика.

Направление силы определяется по правилу левой руки. Вектор входит в ладонь, четыре пальца направлены вдоль тока, большой отогнутый палец покажет направление силы .

Какое силовое воздействие оказывает первый проводник на второй проводник:

а) Определяем направление .

б) Определение направления силы. Проводники притягиваются.

Эти силы действуют в электрических аппаратах всегда, но в аварийном режиме, когда возникают большие токи и большие магнитные потоки эти силы могут достигать таких значений, что способны изменить геометрию проводника, т.е. разрушить электрический аппарат. Способность электрических аппаратов противостоять ЭДУ (электродинамические усилия) называется электродинамической стойкостью.

Данная характеристика приводится в технических характеристиках электрических аппаратов в виде квадрата амплитуды тока iу². В процессе проектирования каждый аппарат рассчитывается на ЭДУ.

Способы расчета электродинамических усилий:

а) На основе взаимодействия электромагнитного поля и тока, по формуле Ампера. По закону Био-Савара-Лапласа только для простых контуров.

б) Для сложных контуров на основе изменения электромагнитной энергии проводника с током.

Электромагнитная сила всегда направлена в сторону ослабленного электромагнитного поля.

Определение направления ЭДУ.

ЭДУ между проводниками.

F = i1*i2*KH*KФ*mo/4p   где m = 4*p*10-7*Гн/м

Кк - коэффициент контура, зависит от взаимного расположения проводников

Кк = 2 /a

Кф - коэффициент формы, определяется размерами проводника, Кф=1 в

данном случае.

Направление силы определяется по правилу правой руки.

ЭДУ в кольцевом витке и между кольцевыми витками.

Выделим элемент из этого кольцевого витка.   Любой кольцевой виток стремиться разорваться. r - радиус провода.

Витки притягиваются друг к другу, поэтому катушка сжимается и разбухает в стороны, а не разрывается.

ЭДУ в проводниках переменного сечения.

Контактирование происходит не по всей поверхности в силу неровности.

Горизонтальные силы компенсируются, а вертикальные будут направлены в разные стороны.

Контакт электрический (любой) всегда стремиться саморазорваться, это незаметно при малых токах.

ЭДУ между проводником с током и ферромагнитные массы.

Рассмотрим три случая:

Первый случай:

Магнитное поле между проводником с током

и ферромагнитной массой ослаблено.

Второй случай:

Проводник с током внутри ферромагнитной массы.

Поле между проводником с током и границей с ферромагнитной массой усиленно. Сила будет стремиться затягивать проводник с током внутрь ферромагнитной массы.

Третий случай:

Используют для затягивания и удержания дуги в дугогасительную камеру.

ЭДУ при переменном токе.

Все вышеперечисленное справедливо и для переменного тока, только сила, возникающая при этом, будет иметь переменное значение во времени, но не в пространстве.

Рассмотрим это более подробно.

На переменном токе сила состоит из двух составляющих:

1) из постоянной составляющей

2) переменной составляющей, изменяющейся во времени с удвоенной частотой, и с той же амплитудой F’, что и постоянная составляющая.

Выводы:

1) Сила изменяется с двойной частотой.

2) В момент перехода тока через ноль сила снижается до нуля.

При коротком замыкании в первый полупериод возникает ударное значение тока.

При коротком замыкании возникает ударная сила, которая в 6,48 раз превышает значение на постоянном токе.

Трехфазный ток.

Рассмотрим три проводника, идущие параллельно.

Токи в проводниках сдвинуты на 120°. На проводник 2 оказывает силовое воздействие проводник 1 и проводник 3 и это силовое воздействие будет максимальным:

На переменном трехфазном токе ЭДУ меньше, чем на переменном однофазном.

Механический резонанс.

Механический резонанс возникает при совпадении частоты изменения электродинамической силы (100 Гц) с собственной частотой колебания механической системы.

В этом случае деформация механической системы с каждым периодом будет возрастать и в какой-то момент механическая система разрушится (шина оторвется от изолятора). Чтобы этого избежать, нужно чтобы частота системы была ниже, чем частота сети.