Przewody miedziane zachowują wytrzymałość mechaniczną umożliwiającą wytrzymywanie dużych sił elektromagnetycznych podczas zwarć pomimo silnego nagrzewania.
W przypadku wystąpienia zwarcia przewody elektryczne przewodzą prądy będące dużą wielokrotnością normalnego prądu obciążenia (zwykle rzędu dziesiątek kiloamperów) do czasu zadziałania urządzenia zabezpieczającego (zwykle dziesiątki milisekund). W tak krótkim czasie nie występuje zauważalny efekt chłodzenia, zatem całe ciepło wydzielające się wskutek przepływu prądu pozostaje zachowane w przewodzie, tzn. ogrzewanie jest adiabatyczne. Prowadzi to do gwałtownego wzrostu temperatury, która chociaż mieści się w projektowo dopuszczalnych granicach dla danego materiału (200°C dla miedzi) skutkuje chwilowym, ale odwracalnym pogorszeniem właściwości mechanicznych przewodu takich, jak granica plastyczności, odporność na pełzanie itp., spowodowanych mięknięciem materiału.
ZOBACZ TAKŻE: Plastyczność miedzi
Wraz z silnym nagrzewaniem, przewody wiodące duże prądy zwarciowe poddawane są działaniu naprężeń mechanicznych pochodzących od równie wielkich sił elektromagnetycznych, wytwarzanych przez te prądy. Siły elektromagnetyczne mogą być siłami odpychającymi pomiędzy przewodami w sąsiednich fazach, lub siłami przyciągającymi, jeżeli przewody tej samej fazy zostały połączone równolegle w celu zwiększenia obciążalności prądowej. Siły te powodują naprężenia zginające w przewodach sztywnych, naprężenia rozciągające i odchylenie przewodów giętkich, oraz naprężenia zginające i obciążenia rozciągające i ściskające w izolatorach, konstrukcjach wsporczych, aparatach i w zakończeniach przewodów.
ZOBACZ TAKŻE: Baza wiedzy : Przewody i kable
Siły powstające przy przepływie prądu przemiennego posiadają składową stałą, ale także składową zmienną o podwójnej częstotliwości prądu przemiennego. W szczególnym przypadku szynoprzewodów montowanych na wspornikach, działanie jednokierunkowej składowej tych sił, nasilone jeszcze przez składową zmienną, może prowadzić do trwałego odkształcenia szyn lub uszkodzenia, a nawet zniszczenia wsporników.
Ponadto, każda sekcja szynoprzewodów posiada swoją własną częstotliwość rezonansową. Jeżeli częstotliwość ta jest bliska podwójnej częstotliwości zasilania (lub którejś znaczącej harmonicznej prądu) to mogą wystąpić drgania rezonansowe szyn, prowadzące do jeszcze większych przemieszczeń w ruchu drgającym oraz możliwego zmęczenia materiału lub poluzowania połączeń i styków.
CZYTAJ TAKŻE: Baza wiedzy : Przewodność materiałowa
Aby materiał przewodu mógł wytrzymywać tak ekstremalne naprężenia w stanach zwarciowych bez szkody dla urządzeń i dla samego przewodu, musi być odporny na mięknięcie i zachować w podwyższonej temperaturze odpowiedni poziom swoich właściwości mechanicznych, takich jak granica plastyczności, odporność na pełzanie itp. Miedź o wysokiej przewodności spełnia te wymagania – nie mięknie w znaczącym stopniu, nawet przy wzroście temperatury do 250°C na kilka sekund. Jeżeli warunki pracy są trudniejsze, dodatek 0,06% srebra może podwyższyć temperaturę mięknięcia przewodów miedzianych o około 100°C bez znaczącego wpływu na jego przewodność, jednocześnie znacznie poprawiając odporność na pełzanie.
Literatura
- Copper for Busbars, ECI publication no Cu0201, May 2014
- High Conductivity Copper book for Electrical Engineering, ECI publication no. Cu0232, Feb 2016.