Siły elektrodynamiczne zwarcia na szynach zbiorczych i kablach (IEC 60865-1) — dlaczego rozstaw podpór liczy się tak samo jak przekrój

Poradnik o systemach szynoprzewodów (busbar trunking, IEC 61439-6) wymienia wytrzymałość zwarciową jako jedną z właściwości, które musi posiadać system szynoprzewodów. Ten artykuł opisuje fizykę i metodę obliczeniową leżącą u podstaw tej wytrzymałości zwarciowej: siłę elektrodynamiczną, jaką dwa równoległe, prądowe przewodniki wywierają na siebie podczas zwarcia, obliczaną zgodnie z IEC 60865-1.

Zasada: dwa równoległe przewodniki prądowe przyciągają się lub odpychają

Dwa równoległe przewodniki prowadzące prąd w tym samym kierunku przyciągają się dzięki swoim polom magnetycznym; prowadząc prąd w kierunkach przeciwnych (jak przy zwarciu międzyfazowym, gdzie prąd zwarciowy płynie "w jedną stronę" przez jeden przewodnik i "z powrotem" przez drugi) powstaje siła odpychająca. W normalnej pracy siła ta jest pomijalnie mała, ale podczas zwarcia — przy prądzie wielokrotnie przewyższającym znamionowy prąd roboczy — siła może stać się na tyle duża, by odkształcić szyny zbiorcze, złamać izolatory wsporcze lub rozerwać wiązki kablowe.

Metoda obliczeniowa: siła szczytowa proporcjonalna do kwadratu prądu szczytowego

IEC 60865-1 wyraża szczytową siłę elektrodynamiczną między dwoma równoległymi przewodnikami jako proporcjonalną do:

F ∝ ip² × (L / d)

• ip to wartość szczytowa prądu zwarciowego (nie wartość skuteczna) — krótkotrwała, najwyższa wartość chwilowa występująca w pierwszym cyklu po powstaniu zwarcia, znacznie wyższa niż skuteczny prąd zwarciowy (zob. poradnik o spodziewanym prądzie zwarciowym dla zależności między wartością skuteczną a szczytową poprzez współczynnik κ).
• L to rozpiętość — odległość między dwoma kolejnymi punktami mocowania lub podparcia przewodnika.
• d to odległość między równoległymi przewodnikami (np. odstęp między fazami systemu szynoprzewodów).

Ponieważ siła rośnie kwadratowo wraz z prądem szczytowym, a liniowo wraz ze stosunkiem rozpiętości do odstępu między fazami, stosunkowo niewielkie zmniejszenie odstępu między fazami — lub stosunkowo niewielkie zwiększenie rozpiętości podpór — może znacząco podnieść obciążenie mechaniczne konstrukcji i mocowań.

Uwaga: ten artykuł opisuje zasadę obliczeniową z IEC 60865-1 na podstawie niezależnie zweryfikowanych źródeł. Dokładna stała proporcjonalności, wymagana kontrola ugięcia i naprężenia samego przewodnika oraz obliczenie wytrzymałości mechanicznej konstrukcji wsporczej podane są w pełnym tekście normy — należy się do niego odnieść przy konkretnym projekcie.

Osobna ocena obok cieplnego doboru zwarciowego

Obliczenie k²S² (adiabatyczny wzór zwarciowy, zob. poradnik o ochronie zwarciowej §434) określa, czy przewodnik cieplnie wytrzyma zwarcie bez przegrzania izolacji. Obliczenie siły elektrodynamicznej według IEC 60865-1 to osobna, mechaniczna ocena: nawet przewodnik dobrany z dużym zapasem cieplnym może mechanicznie ulec uszkodzeniu (ugięcie, złamanie izolatorów wsporczych, poluzowanie mocowań) przy zbyt dużej rozpiętości podpór lub zbyt małym odstępie między fazami, jeszcze zanim zostanie osiągnięta granica cieplna.

Praktyczne znaczenie

Przy projektowaniu systemu szynoprzewodów lub wiązki kablowej o wysokim spodziewanym prądzie zwarciowym, obok cieplnego doboru zwarciowego należy sprawdzić także mechaniczną konstrukcję wsporczą pod kątem szczytowej siły elektrodynamicznej: producent systemu szynoprzewodów zazwyczaj podaje maksymalny rozstaw podpór, który już uwzględnia to obliczenie dla danej klasy wytrzymałości zwarciowej tego konkretnego systemu; przy samodzielnie zestawionym złączu szynowym lub wiązce kablowej trzeba to obliczyć wprost.

Częste błędy

1. Sprawdzanie wyłącznie cieplnego (k²S²) doboru zwarciowego i pomijanie mechanicznego obliczenia siły elektrodynamicznej — przewodnik może spełniać wymagania cieplne, a mimo to ulec uszkodzeniu mechanicznemu podczas zwarcia.
2. Użycie skutecznej (RMS) wartości prądu zwarciowego zamiast wartości szczytowej ip przy obliczaniu siły — to wartość szczytowa, znacznie wyższa, decyduje o szczytowej sile mechanicznej.
3. Zwiększenie rozstawu podpór szyn zbiorczych lub wiązki kablowej (np. w celu oszczędności materiału) bez ponownego obliczenia wynikającego z tego wzrostu siły elektrodynamicznej na pozostałych punktach podparcia.
4. Założenie, że większy odstęp między fazami jest zawsze niekorzystny — dla siły elektrodynamicznej obowiązuje odwrotna zależność: większa odległość między przewodnikami zmniejsza siłę przy tym samym prądzie szczytowym i rozpiętości.

Powiązane

• Systemy szynoprzewodów (busbar trunking, IEC 61439-6)
• Spodziewany prąd zwarciowy i dobór Icu
• Ochrona zwarciowa — §434
• Materiał izolacyjny kabli PVC a XLPE/EPR — temperatura pracy