Электродинамическое действие токов короткого замыкания

Прохождение токов в проводниках приводит к возникновению между ними электродинамических (механических) усилий. Одинаковое направление токов в параллельных проводниках вызывает их притяжение, противоположное – их отталкивание. В режиме нормальной нагрузки механические силы взаимодействия незначительны, но при К3 они могут достигать значений, опасных для электрических аппаратов и ошиновок, вызвать их деформацию и даже разрушение.

Из теоретической электротехники известно, что сила взаимодействия между двумя проводниками при прохождении по ним токов i₁ и i₂ определяется по формуле:

где i₁, i₂ — мгновенные значения токов в проводниках, А; l — длина проводников, м; а — расстояние между осями проводников, м; К ф — коэффициент формы, учитывающий форму сечения и взаимное рас­положение проводников (для круглых проводников сплошного сече­ния, кольцевого сечения, шин коробчатого сечения с высотой сече­ния 0,1 м и более принимается К ф= 1.

Наибольшие механические усилия между проводниками воз­никают в режиме короткого замыкания в момент, когда ток КЗ достигает ударного значения.

Для предотвращения механических повреждений под действием усилий, возникающих в проводниках при протекании по ним токов КЗ, все элементы токоведущей конструкции должны обладать электродинамической стойкостью, т. е. должны выдерживать механические усилия, возникающие при протекании токов КЗ, бездеформаций, препятствующих их дальнейшей нормальной эксплуатации.

В зависимости от вида электрооборудования условия проверки его на электродинамическую стойкость различны. Например, за­воды-изготовители указывают гарантированный ток КЗ i _дин (или i_mах, или i_{п р.скв}) при котором обеспечивается электродинамичес­кая стойкость аппаратов (выключателей, разъединителей). При вы­боре их должно выполняться условие: i _уд< i _дин, кА.

Шинная конструкция обладает электродинамической стойко­стью, если выполняются условия:

где σ_mах, σ_доп — соответственно максимальное расчетное и допус­тимое напряжения в материале шин, МПа; F_max, F_доп — соответственно максимальная расчетная и допустимая ме­ханические нагрузки на изоляторы, Н (задается в каталогах).

В соответствии с ПУЭ проверка электродинамической стойко­сти гибких токопроводов на максимальное сближение и тяжение проводников при КЗ производится только при i _уд >50 кА.

Не проверяются на электродинамическую стой­кость аппараты и шины цепей трансформаторов напряжения при расположении их в отдельной камере; аппараты и провод­ники, защищенные предохранителями с плавкими вставками на ток до 60 А.

Термическое действие токов короткого замыкания:

При протекании по проводникам электрического тока провод­ники нагреваются. При нагреве проводника током нагрузки часть выделенной теплоты рассеивается в окружающую среду, причем степень рассеивания зависит от условий охлаждения.

При протекании тока КЗ температура проводников значительно возрастает, так как токи при КЗ резко увеличиваются, а дли­тельность КЗ мала, поэтому теплота, выделяющаяся в проводни­ке, не успевает передаться в окружающую среду и практически все идет на нагрев проводника. Нагрев проводника при КЗ может достигать опасных значений, приводя к плавлению или обугли­ванию изоляции, к деформации и плавлению токоведущих час­тей и т.п.

Критерием термической стойкости проводников являются до­пустимые температуры нагрева их токами КЗ.

Проводник или аппарат считается термически стойким, если его температура нагрева в процессе КЗ не превышает допустимых величин.

Количественную оценку степени термического воздействия тока КЗ на проводники и электрические аппараты рекомендуется производить с помощью интеграла Джоуля

где i_кt, — полный ток КЗ в произвольный момент времени t, А; t_откл — расчетная продолжительность КЗ, с.

Заводы-изготовители в каталогах приводят значения гаранти­рованного среднеквадратичного тока термической стойкости (/_тер, кА) и допустимого времени его протекания (t_тер, с) для элек­трических аппаратов (выключателей, разъединителей, трансфор­маторов тока и др.).

В этом случае условие термической стойкости аппаратов в ре­жиме КЗ выглядит так, кА²-с,

При проверке термической стойкости проводника, имеющего стандартное сечение q _станд, мм², должно быть выполнено условие

где q _min– минимальное сечение проводника