Электродинамические силы короткого замыкания на шинопроводах и кабелях (IEC 60865-1) — почему расстояние между опорами так же важно, как сечение

Руководство о шинопроводных системах (busbar trunking, IEC 61439-6) упоминает стойкость к КЗ как одно из свойств, на которые должна проверяться шинопроводная система. Эта статья рассматривает лежащую в основе этой стойкости физику и метод расчёта: электродинамическую силу, которую два параллельных токоведущих проводника оказывают друг на друга при коротком замыкании, рассчитываемую согласно IEC 60865-1.

Принцип: два параллельных токоведущих проводника притягиваются или отталкиваются

Два параллельных проводника, несущих ток в одном направлении, притягиваются друг к другу за счёт своих магнитных полей; при токе в противоположных направлениях (как при межфазном КЗ, когда ток КЗ течёт «туда» через один проводник и «обратно» через другой) возникает сила отталкивания. При нормальной работе эта сила пренебрежимо мала, но при коротком замыкании — с током, во много раз превышающим номинальный рабочий ток, — сила может стать достаточно большой, чтобы деформировать шины, сломать опорные изоляторы или раздвинуть кабельные пучки.

Метод расчёта: пиковая сила пропорциональна квадрату пикового тока

IEC 60865-1 выражает пиковую электродинамическую силу между двумя параллельными проводниками как пропорциональную:

F ∝ ip² × (L / d)

• ip — пиковое значение тока КЗ (не действующее значение) — кратковременное, наибольшее мгновенное значение, возникающее в первом цикле после начала КЗ, значительно превышающее действующий ток КЗ (см. руководство о предполагаемом токе КЗ о соотношении между действующим и пиковым значением через коэффициент κ).
• L — пролёт — расстояние между двумя последовательными точками крепления или опоры проводника.
• d — расстояние между параллельными проводниками (например, расстояние между фазами шинопроводной системы).

Поскольку сила растёт квадратично с пиковым током и линейно с отношением пролёта к расстоянию между фазами, относительно небольшое уменьшение расстояния между фазами — или относительно небольшое увеличение пролёта опор — может значительно повысить механическую нагрузку на конструкцию и крепления.

Примечание: эта статья рассматривает принцип расчёта из IEC 60865-1 на основе независимо проверенных источников. Точная константа пропорциональности, требуемая проверка прогиба и напряжения самого проводника, а также расчёт механической прочности опорной конструкции приведены в полном тексте нормы — обращайтесь к нему при конкретном проекте.

Отдельная оценка наряду с тепловым расчётом на КЗ

Расчёт k²S² (адиабатическая формула КЗ, см. руководство о защите от короткого замыкания §434) определяет, выдержит ли проводник КЗ термически, не перегревая изоляцию. Расчёт электродинамической силы по IEC 60865-1 — это отдельная, механическая оценка: даже проводник, имеющий значительный термический запас, может механически выйти из строя (прогиб, поломка опорных изоляторов, ослабление креплений) при слишком большом пролёте опор или слишком малом расстоянии между фазами, ещё до достижения термического предела.

Практическая значимость

При проектировании шинопроводной системы или кабельного пучка с высоким предполагаемым током КЗ, наряду с тепловым расчётом на КЗ, необходимо проверить механическую опорную конструкцию на пиковую электродинамическую силу: производитель шинопроводной системы обычно указывает максимальное расстояние между опорами, которое уже учитывает этот расчёт для класса стойкости к КЗ данной конкретной системы; при самостоятельно собранном шинном соединении или кабельном пучке это необходимо рассчитать явно.

Частые ошибки

1. Проверка только теплового (k²S²) расчёта на КЗ и пропуск механического расчёта электродинамической силы — проводник может пройти тепловую проверку и всё же выйти из строя механически при КЗ.
2. Использование действующего (RMS) значения тока КЗ вместо пикового значения ip при расчёте силы — именно пиковое значение, значительно более высокое, определяет пиковую механическую силу.
3. Увеличение расстояния между опорами шин или кабельного пучка (например, для экономии материала) без пересчёта возникающего при этом увеличения электродинамической силы на оставшихся точках опоры.
4. Предположение, что большее расстояние между фазами всегда невыгодно — для электродинамической силы верно обратное: большее расстояние между проводниками уменьшает силу при том же пиковом токе и пролёте.

Связанные материалы

• Шинопроводные системы (busbar trunking, IEC 61439-6)
• Предполагаемый ток КЗ и выбор Icu
• Защита от короткого замыкания — §434
• Изоляционный материал кабеля PVC против XLPE/EPR — рабочая температура