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趨膚效應(yīng)原理及對電纜載流量的影響

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  • 發(fā)布時間:2015/5/25 16:25:05
  • 作者:cls_yinhe

什么是趨膚效應(yīng)

  “趨膚效應(yīng)”又叫“集膚效應(yīng)”,是交變電流在導(dǎo)體中傳輸時,電子聚集于導(dǎo)體表層,而非均勻于導(dǎo)體中傳輸。趨膚效應(yīng)對電纜載流量影響與電流的頻率和導(dǎo)體的截面形狀有關(guān)。

趨膚效應(yīng)簡介

趨膚效應(yīng)
圖1-1趨膚效應(yīng)電荷分布圖
  直流電流流過導(dǎo)體時,電流在導(dǎo)體的載流截面上是均勻分布的,導(dǎo)體對電流的阻礙作用即是所謂的直流電阻。直流不會產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。
  交流電流流過導(dǎo)體時,電流方向是交替變化的,電流在導(dǎo)體中所產(chǎn)生的交變磁場對電荷的推斥作用力,迫使電流電荷向?qū)w的表面集中,使得導(dǎo)體的實際有效載流面積減小。

趨膚深度

  電流離開導(dǎo)體載流面中心向表面集中的程度,可以用趨膚效應(yīng)深度來衡量。
  趨膚效應(yīng)深度可以表達(dá)為:
趨膚效應(yīng)深度表達(dá)式
式中,f是電流的頻率(Hz), k 是常數(shù):
趨膚效應(yīng)深度表達(dá)式K
式中
  μr  --  導(dǎo)體材料的相對導(dǎo)磁率(銅和其他非磁材料 μr = 1)  
  ρ   --  導(dǎo)體材料的電阻率
  ρc  --  銅材的電阻率(20℃時,ρc = 0.01749Ω-m/1mm2)  
  對銅而言,k = 1 。
  由上可知,導(dǎo)線的電阻和材料的電阻率(ρ),導(dǎo)線的長度( L),有效載流截面面積( S ),所傳送電流的頻率( f ),以及導(dǎo)體的自身溫度( T )有關(guān)。
  趨膚效應(yīng)的定量分析
  交流電流所引起電流趨膚效應(yīng),其電流集中在沿表面向內(nèi)的一個圓環(huán)形區(qū),環(huán)形的外沿是導(dǎo)線的外周,環(huán)形的寬度為趨膚效應(yīng)的深度(注意,當(dāng)趨膚深度大于導(dǎo)線半徑時,計算無意義)。
  圓環(huán)形的面積可用下式計算:
圓環(huán)形的面積
式中
  Sf  -- 趨膚效應(yīng)載流環(huán)形的面積( mm2 )
  D   -- 圓線的直徑( mm )
  d  -- 趨膚效應(yīng)深度( mm )
  k   -- 常數(shù)( 同前 ) 
  f   -- 電流頻率( Hz )
圓形導(dǎo)線趨膚深度小于半徑時的電流分布
圖1-2 圓形導(dǎo)線趨膚深度小于半徑時的電流分布
  一般情況下,認(rèn)為電流在此由趨膚效應(yīng)形成的環(huán)形內(nèi)是基本均勻分布的,則導(dǎo)線的電阻為:
導(dǎo)線電阻
  例如,對直徑D=1.2mm,長度L=10m,電流頻率 f = 50kHz的圓銅線,其在20℃時的交流趨膚高頻電阻為:
交流趨膚高頻電阻
  趨膚效應(yīng)與電流頻率緊密相關(guān)。當(dāng)圓銅線上通過一組不同頻率的電流時,每組電流的損耗和總損耗的計算如下:
  導(dǎo)線直徑D: 3.20 mm
  并聯(lián)的股數(shù)N: 2
  每根線的長度L:20.00m
頻率總實效載流面積的關(guān)系
  可以看到,隨著頻率的提升,總實效載流面積將會隨之降低。
  在銅質(zhì)導(dǎo)線中,趨膚深度和頻率的關(guān)系大致如下:

 頻率(Hz)  60  1,000  3,000  5,000 10,000  20,000  50,000   100,000
 趨膚深度(mm)  8.5  2.09  1.206  0.935  0.661  0.467  0.296  0.209

降低趨膚效應(yīng)的措施

  對于既定的電信號,降低趨膚效應(yīng)有三種針對措施:
  1、用扁狀導(dǎo)線
  2、用多股細(xì)線并聯(lián)
  3、用管狀導(dǎo)體
  4、外鍍高導(dǎo)電材料
  這些方式都能在同等用材下最大限度降低趨膚效應(yīng),提升載流量。

趨膚效應(yīng)案例

  利茲線采用將多條金屬導(dǎo)線相互纏繞的方法,使得電磁場能夠比較均勻地分布,這樣各導(dǎo)線上的電流分布就會較為平均。使用利茲線后,產(chǎn)生顯著趨膚效應(yīng)的頻率可以從數(shù)千赫茲提高到數(shù)兆赫茲。利茲線一般應(yīng)用在高頻交流電的傳輸中,可以同時減緩趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。
  高電壓大電流的架空電力線路通常使用鋼芯鋁絞線,這樣能使鋁質(zhì)部分的工作部分溫度降低,減低電阻率,并且由于趨膚效應(yīng),電阻率較大的鋼芯上承載極少的電流,因而無關(guān)緊要。
  將實心導(dǎo)線換成空心導(dǎo)線管,中間補(bǔ)上絕緣材料的方法,這樣可以減輕導(dǎo)線的重量。
  在傳輸?shù)念l率在甚高頻或微波級別時,一般會使用鍍銀(已知的除超導(dǎo)體外最好的導(dǎo)體)的導(dǎo)線,因為這時趨膚深度如此之淺,以至于更厚的銀層已經(jīng)是浪費(fèi)了。

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