Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Электрические станции и подстанции / Электродинамические силы и механический резонанс в электроустановках


 

Электродинамические силы и механический резонанс в электроустановках



Электродинамические силы внутри токоведущих систем и между ними

Во всякой системе проводников, обтекаемых током, возникают механические силы, и она стремится определенным образом деформироваться. Точно так же любые две (или несколько) системы проводников, обтекаемых током, будут испытывать между собой определенные механические силы, если только они связаны общим магнитным потоком. Эти силы принято называть электродинамическими.

Во многих случаях практики величина электродинамических сил настолько мала, что они не могут вызвать разрушения конструкции и они не заслуживают специального внимания. Однако, в ряде случаев эти силы настолько велики, что приходится уделить им особое внимание и положить немало усилий для создания конструкции достаточной механической прочности.

Электродинамические силы и механический резонанс в электроустановках

Все существующие системы проводников можно разбить на две основные группы:

  • системы, расположенные в среде с постоянной магнитной проницаемостью, не зависящей от величины напряженности магнитного поля;
  • системы, расположенные в среде, магнитная проницаемость которой зависит от напряженности магнитного поля.

Практически к первым системам можно отнести те, которые расположены в среде, не содержащей железа, чугуна, магнитной стали, ко вторым — содержащие эти материалы. Методика определения электродинамических сил принципиально одинакова для обеих систем, однако, во втором случае расчет часто получается очень сложным и практически его можно произвести лишь приближенно.

Определение величины электродинамических сил ведется обычно одним из следующих двух методов: либо по закону Био-Савара, либо по изменению запаса энергии системы. Подробнее смотрите здесь: Расчет электродинамических сил в токоведущих частях конструкций и аппаратов

Направление электродинамических сил может быть определено или по правилу левой руки или правилу штопора. Для той же цели можно воспользоваться следующим простым соображением: во всякой электромагнитной системе (или между двумя системами) сила направлена так, что при увеличении размеров в ее направлении энергия системы (или систем) увеличивается.

Другими словами, если при увеличении данного размера величина магнитного потока увеличивается, значит, электродинамическая сила стремится так деформировать систему, чтобы этот размер увеличился.

Трансформаторная подстанция с высоковольтными выключателями

Электродинамические силы при коротких замыканиях

Электродинамические силы имеют особо важное значение при токах короткого замыкания. Ток короткого замыкания в цепи переменного тока, вообще говоря, помимо периодической (переменной) слагающей содержит также апериодическую (постоянную) слагающую.

Как известно из теории токов короткого замыкания максимальное значение апериодической слагающей тока получается тогда, когда цепь замыкается в момент прохода напряжения через нуль.

С точки зрения электродинамических сил — это самый неблагоприятный момент замыкания, так как в этом случае ток короткого замыкания получается наибольшей величины, а следовательно, и электродинамические силы максимальны.

Величина электродинамических сил нам нужна обычно для определения требований, предъявляемых к конструкции с точки зрения ее механической прочности. При этом для цепей переменного тока, естественно, возникает вопрос, какую величину тока ставить в выражение для силы или какую величину полученной силы следует принимать при определении механических напряжений в материале конструкции.

Действительно, для того, чтобы что-то сломать, разрушить, надо совершить определенную работу, а сила переменна, ее максимум существует очень короткий промежуток времени (теоретически нуль, практически можно выделить некоторый промежуток времени, в течение которого сила близка к своему максимальному значению).


Механический резонанс

В цепях переменного тока электродинамическая сила получается, естественно, тоже переменной величины. При этом, если мы рассматриваем электродинамическую силу, появляющуюся от тока в одной системе (при одно- и двухфазном коротком замыкании), то знак силы не меняется.

Если же мы рассматриваем взаимодействие двух систем с токами, различными по фазе друг от друга, то электродинамическая сила меняет не только величину, но и знак. Мы имеем пульсирующую силу, а при периодически изменяющемся токе сила меняется тоже периодически.

Всякая механическая упругая система имеет так называемое собственное число колебаний: если какая-либо внешняя или внутренняя сила выведет эту систему из равновесия (создаст некоторую деформацию ее частей) и затем перестанет действовать, то система будет некоторое время колебаться около своего среднего положения (положения равновесия), причем частота этих колебаний и быстрота их затухания зависят от упругих свойств и массы системы и ее деталей, а также сил трения.

Если сила, выводящая механическую систему из равновесия, будет тоже меняться с некоторой частотой и частота этой силы будет равна собственной частоте системы, то наступит явление, носящее название механического резонанса.

Медные шины в электроустановках

Сила будет раскачивать систему на деформацию, полученную системой за счет одного периода действующей силы, будет накладываться деформация от другого периода силы, затем от третьего периода и т. д. В этом случае никакая механическая прочность ее сможет противостоять действию силы, и это явление ведет к разрушению конструкции.

Механический резонанс может быть двух видов: полный и частичный.

Полный резонанс имеет место при точном совпадении частоты действующей силы с частотой собственных колебаний системы и при условии, что абсолютные величины положительного и отрицательного максимумов действующей силы равны между собой.

При неточном совпадении частот или же при невыполнении второго условия имеет место частичный резонанс. Очевидно, что чем ближе частичный резонанс к полному, тем больше опасность разрушения механической системы.

В цепях переменною тока электродинамическая сила всегда является переменной. По мере затухания апериодической слагающей тока короткого замыкания яснее выступает двойная частота колебаний электродинамической силы, и когда апериодическая слагающая затухнет совсем, налицо будет периодическая сила, меняющаяся по величине от 0 до +mах.

Полного резонанса от электродинамических сил в трехфазной цепи быть не может. Он может быть только при сдвиге между взаимодействующими токами на 90°.

Тем не менее частичный резонанс является очень серьезной опасностью, и все механические конструкции, подвергающиеся действию электродинамических сил, не должны иметь частоты собственных колебаний, близкой к частоте действующей силы (двойной частоте тока). При этом более безопасно иметь собственную частоту системы ниже частоты действующей силы, чем выше таковой, так как высшие гармоники кривой тока могут в свою очередь вызвать явления резонанса.