Електродинамічні сили короткого замикання на шинопроводах і кабелях (IEC 60865-1) — чому відстань між опорами так само важлива, як переріз

Посібник про шинопровідні системи (busbar trunking, IEC 61439-6) згадує стійкість до КЗ як одну з властивостей, на які має перевірятися шинопровідна система. Ця стаття розглядає фізику та метод розрахунку, що лежать в основі цієї стійкості до КЗ: електродинамічну силу, яку два паралельні струмоведучі провідники чинять один на одного під час короткого замикання, що розраховується згідно з IEC 60865-1.

Принцип: два паралельні струмоведучі провідники притягуються або відштовхуються

Два паралельні провідники, що несуть струм в одному напрямку, притягуються один до одного завдяки своїм магнітним полям; за струму в протилежних напрямках (як при міжфазному КЗ, коли струм КЗ тече «туди» через один провідник і «назад» через інший) виникає сила відштовхування. За нормальної роботи ця сила незначна, але під час короткого замикання — зі струмом, у багато разів більшим за номінальний робочий струм, — сила може стати достатньо великою, щоб деформувати шини, зламати опорні ізолятори або розсунути кабельні пучки.

Метод розрахунку: пікова сила пропорційна квадрату пікового струму

IEC 60865-1 виражає пікову електродинамічну силу між двома паралельними провідниками як пропорційну:

F ∝ ip² × (L / d)

• ip — пікове значення струму КЗ (не діюче значення) — короткочасне, найбільше миттєве значення, що виникає в першому циклі після початку КЗ, значно вище за діючий струм КЗ (див. посібник про очікуваний струм КЗ про співвідношення між діючим і піковим значенням через коефіцієнт κ).
• L — проліт — відстань між двома послідовними точками кріплення чи опори провідника.
• d — відстань між паралельними провідниками (наприклад, відстань між фазами шинопровідної системи).

Оскільки сила зростає квадратично зі збільшенням пікового струму та лінійно зі співвідношенням прольоту до відстані між фазами, відносно невелике зменшення відстані між фазами — або відносно невелике збільшення прольоту опор — може значно підвищити механічне навантаження на конструкцію та кріплення.

Примітка: ця стаття розглядає принцип розрахунку з IEC 60865-1 на основі незалежно перевірених джерел. Точна константа пропорційності, необхідна перевірка прогину та напруження самого провідника, а також розрахунок механічної міцності опорної конструкції наведені в повному тексті норми — звертайтеся до нього за конкретного проєкту.

Окрема оцінка поряд із тепловим розрахунком на КЗ

Розрахунок k²S² (адіабатична формула КЗ, див. посібник про захист від короткого замикання §434) визначає, чи витримає провідник КЗ термічно, не перегріваючи ізоляцію. Розрахунок електродинамічної сили за IEC 60865-1 — це окрема, механічна оцінка: навіть провідник зі значним термічним запасом може механічно вийти з ладу (прогин, поломка опорних ізоляторів, послаблення кріплень) за надто великого прольоту опор або надто малої відстані між фазами, ще до досягнення теплової межі.

Практична значущість

Під час проєктування шинопровідної системи чи кабельного пучка з високим очікуваним струмом КЗ, поряд із тепловим розрахунком на КЗ, необхідно перевірити механічну опорну конструкцію на пікову електродинамічну силу: виробник шинопровідної системи зазвичай вказує максимальну відстань між опорами, яка вже враховує цей розрахунок для класу стійкості до КЗ цієї конкретної системи; за самостійно зібраного шинного з'єднання чи кабельного пучка це необхідно розрахувати явно.

Часті помилки

1. Перевірка лише теплового (k²S²) розрахунку на КЗ і пропуск механічного розрахунку електродинамічної сили — провідник може пройти теплову перевірку і все ж вийти з ладу механічно під час КЗ.
2. Використання діючого (RMS) значення струму КЗ замість пікового значення ip під час розрахунку сили — саме пікове значення, значно вище, визначає пікову механічну силу.
3. Збільшення відстані між опорами шин чи кабельного пучка (наприклад, для економії матеріалу) без перерахунку відповідного збільшення електродинамічної сили на решті точок опори.
4. Припущення, що більша відстань між фазами завжди невигідна — для електродинамічної сили правильне протилежне: більша відстань між провідниками зменшує силу за того самого пікового струму та прольоту.

Пов'язані матеріали

• Шинопровідні системи (busbar trunking, IEC 61439-6)
• Очікуваний струм КЗ і вибір Icu
• Захист від короткого замикання — §434
• Ізоляційний матеріал кабелю PVC проти XLPE/EPR — робоча температура