Токоведущие части электрического оборудования и распределительных устройств, при протекании по ним тока, подвергаются электродинамическим усилиям. Такие усилия, как известно, действуют на каждый проводник с током, находящийся в магнитном поле.
Величины этих усилий для элементов распределительных устройств и аппаратов, имеющих простую конфигурацию, могут быть определены на основании закона Био — Савара:
где (H, l) — угол, образуемый направлением тока и направлением магнитного поля; при параллельных проводниках составляет 90°.
Если два параллельных проводника обтекаются током и проводник с током i1 находится в магнитном поле тока i2 с напряженностью H=0,2•i2/a то величина усилия, действующего между ними, будет равна
где i1 и i2 — токи первого и второго проводников, а; а — расстояние между осями проводников, см; l — длина проводника, см.
Сила, действующая между проводниками, притягивает их друг к другу при одинаковом направлении тока в них и отталкивает при различных направлениях.
Наибольшая величина этих электродинамических усилий определяется максимальным возможным током короткого замыкания, т. е. ударным током короткого замыкания iy. Поэтому начальный момент короткого замыкания (t=0,01 сек) является наиболее опасным с точки зрения величины динамических усилий.
При прохождении через выключатель сквозного тока короткого замыкания или при включении на существующее в сети короткое замыкание отдельные его части—вводы, токоведущие стержни, траверсы, штанги и др., а также соответствующие шины и ошиновка — подвергаются внезапной механической нагрузке, носящей характер удара.
В современных мощных электрических системах при напряжениях 6—20 кв ударные токи короткого замыкания могут достигать значений до 200—300 ка и более, а электродинамические усилия при этом достигают нескольких тонн на один пролет сборных шин (или шинопроводов) длиной 1—1,5 м.
В таких условиях недостаточная механическая прочность того или иного элемента электрического оборудования может послужить причиной дальнейшего развития аварии и вызвать серьезные разрушения в распределительном устройстве. Поэтому для надежной работы всякой электрической установки все ее элементы должны обладать электродинамической устойчивостью (надлежащей механической прочностью), т. е. противостоять воздействиям при коротких замыканиях.
При определении электродинамических усилий по приведенной выше формуле исходят из условия, что ток протекает по оси круглых проводников, диаметр которых не оказывает влияния на величину усилий. Следует заметить, что размеры и форма сечения проводников при больших расстояниях между ними не оказывают сколько-нибудь заметного влияния на величину электродинамических усилий.
Если же проводники имеют форму прямоугольных полос и расположены на небольшом расстоянии друг от друга, когда расстояние в свету меньше периметра полосы, то размеры их сечения могут оказать существенное влияние на электродинамические усилия. Это влияние поперечных размеров проводника при расчетах учитывается при помощи коэффициента формы.
Если токоведущие проводники принадлежат к одной цепи и i1 = i2 = iу то наибольшая сила взаимодействия будет равна
При различных других простых и сложных формах проводников удобнее пользоваться принципом приращения электромагнитной энергия и зависимостями, вытекающими из него.
Такие простые зависимости могут быть получены из рассмотрения двух взаимодействующих контуров L1 и L2, обтекаемых токами i1 и i2. Запас электромагнитной энергии для этих контуров будет следующий:
Если в результате взаимодействия токов i1 и i2 контур системы деформируется под действием электродинамических сил в каком-либо направлении на величину dx, то работа, произведенная при этом силой поля Fx, будет равна приращению запаса электромагнитной энергии системы на величину dW:
откуда:
В тех случаях, когда приходится на практике определять электродинамическое усилие между частями или сторонами одного и того же контура с индуктивностью L1—L, сила взаимодействия будет составлять:
Применяя это выражение, определим электродинамические усилия для нескольких простых, но практически важных случаев:
1. Параллельные проводники с перемычкой.
Контур такой конфигурации образуется в масляных выключателях и разъединителях.
Индуктивность петли будет равна
отсюда сила, действующая на перемычку, составляет
где а — расстояние между осями проводников; r —радиус проводника.
Это выражение дает электродинамические усилия, действующие на траверсу выключателя или нож разъединителя. Они способствуют движению траверсы масляного выключателя при отключении тока и отталкивают ее при включении.
Чтобы иметь представление о величине возникающих усилий, достаточно сказать, что, например, в фидерном выключателе ВМБ-10 при ударном токе короткого замыкания в 50 ка сила, действующая на траверсу, составляет около 200 кГ.
2. Проводник, согнутый под прямым углом.
Такое расположение проводников обычно применяют в распределительных устройствах для ошиновки на подходах к аппаратам и после них, оно также встречается в разъединителях с проходными изоляторами.
Индуктивность проводника, образующего такой контур, будет составлять:
Отсюда усилие на участке будет определяться, как и в предыдущем случае:
где а — длина подвижного элемента, например ножа разъединителя.
Под действием тока согнутый под углом проводник стремится выпрямиться, и если одна из его сторон подвижная, например нож разъединителя, то должны быть предусмотрены меры против возможного самопроизвольного отключения при коротких замыканиях.