Häviöt vaihtovirtajohdoissa

Kun vaihtovirta kulkee johtimen läpi, sen ympärille ja sisälle muodostuu vaihtomagneettivuo, joka indusoi mm. d. s, joka määrittää langan induktiivisen vastuksen.

Jos jaamme virtaa kuljettavan osan osan useisiin perusjohtimiin, niillä, jotka sijaitsevat osan keskellä ja lähellä sitä, on suurin induktiivinen vastus, koska ne peittävät koko magneettivuon - ulkoinen ja sisäinen. Pinnalla sijaitsevat perusjohtimet ovat vain ulkoisen magneettivuon peittämiä ja siksi niillä on alhaisin induktiivinen vastus.

Siksi johtimien alkuaineinduktiivinen vastus kasvaa pinnasta johtimen keskustaa kohti.

Vaihtelevan magneettivuon, pintavaikutuksen tai ihovaikutuksen vaikutuksesta vuon ja virran siirtyminen johtimen akselilta sen pintaan, uloimmassa elefantissa; yksittäisten kerrosten virrat vaihtelevat suuruudeltaan ja vaiheeltaan.

Etäisyydellä Z0 pinnasta sähkö- ja magneettikenttien amplitudi ja virrantiheys pienenevät e = 2,718 kertaa ja saavuttavat 36 % alkuperäisestä arvostaan ​​pinnalla. Tätä etäisyyttä kutsutaan nykyisen kentän tunkeutumissyvyydeksi ja se on yhtä suuri kuin

missä ω on vaihtovirran kulmataajuus; γ — ominaisjohtavuus, 1 / ohm • cm, kuparille γ = 57 • 104 1 / ohm • cm; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — magneettinen vakio; µr on suhteellinen magneettinen permeabiliteetti, yhtä suuri kuin 1 kuparille ja alumiinille.

Käytännössä katsotaan, että suurin osa virrasta kulkee johtimen pintakerrokseen, jonka paksuus on yhtä suuri kuin tunkeutumissyvyys Z0, ja loppuosa, sisäinen, osa poikkileikkauksesta ei käytännössä kuljeta virtaa ja on ei käytetä energian siirtoon.

Kuvassa Kuvio 1 esittää virrantiheyden jakaumaa pyöreässä johtimessa johtimen säteen ja tunkeutumissyvyyden eri suhteilla.

Kenttä katoaa kokonaan etäisyydellä pinnasta, joka on yhtä suuri kuin 4 — 6 Z0.

Seuraavat ovat tunkeutumissyvyyden Z0 arvot millimetreinä joillekin johtimille 50 Hz:n taajuudella:

Kupari - 9,44, alumiini - 12,3, teräs (µr = 200) - 1,8

Virran epätasainen jakautuminen johtimen poikkileikkauksella johtaa sen todellisen virtaa kuljettavan osan poikkileikkauksen merkittävään pienenemiseen ja siten sen aktiivisen resistanssin kasvuun.

Kun johtimen Ra aktiivinen vastus kasvaa, lämpöhäviöt siinä I2Ra kasvavat, ja siksi samalla virran arvolla johtimen häviöt ja sen vaihtovirralla lämmittämisen lämpötila ovat aina suurempia kuin tasavirralla. nykyinen.

Pintavaikutuksen mitta on pintavaikutuskerroin kp, joka edustaa johtimen Ra aktiivivastuksen suhdetta sen ohmiseen resistanssiin R0 (tasavirralla).

Johtimen aktiivinen vastus on

Pintailmiö on sitä voimakkaampi mitä suurempi on langan ja sen poikkileikkaus magneettinen permeabiliteetti ja korkeampi vaihtovirtataajuus.

Massiivisissa ei-magneettisissa johtimissa, jopa syöttötaajuudella, pintavaikutus on erittäin voimakas. Esimerkiksi halkaisijaltaan 24 cm pyöreän kuparilangan resistanssi 50 Hz vaihtovirralla on noin 8 kertaa suurempi kuin sen vastus tasavirralla.

Skin vaikutuskerroin on sitä pienempi, mitä suurempi on johtimen ohminen vastus; esimerkiksi kuparilankojen kn on suurempi kuin saman halkaisijan (poikkileikkauksen) alumiinin, koska alumiinin vastus on 70 % suurempi kuin kuparin. Koska johtimen resistanssi kasvaa kuumennettaessa, tunkeutumissyvyys kasvaa lämpötilan noustessa ja kn pienenee.

Magneettisista materiaaleista (teräs, valurauta jne.) valmistetuissa johtimissa niiden korkeasta kestävyydestä huolimatta pintavaikutus ilmenee äärimmäisen lujina niiden korkean magneettisen läpäisevyyden vuoksi.

Tällaisten johtimien pintavaikutuskerroin, jopa pienillä poikkileikkauksilla, on 8-9. Lisäksi sen arvo riippuu virtaavan virran arvosta. Resistanssin muutoksen luonne vastaa magneettista permeabiliteettikäyrää.

Samanlainen virran uudelleenjakautumisilmiö poikkileikkauksella tapahtuu läheisyysilmiön vuoksi, jonka aiheuttaa vierekkäisten johtojen voimakas magneettikenttä. Läheisyysvaikutuksen vaikutus voidaan ottaa huomioon käyttämällä läheisyyskerrointa kb, molemmat ilmiöt — lisähäviöiden kerroin:

Suurjänniteasennuksissa, joissa vaiheiden välinen etäisyys on riittävän suuri, lisähäviökerroin määräytyy pääasiassa pintavaikutuksen perusteella, koska tässä tapauksessa läheisyysvaikutus on erittäin heikko. Siksi seuraavassa tarkastellaan vain pintavaikutuksen vaikutusta virtaa kuljettaviin johtimiin.

Riisi. Kuva 1 osoittaa, että suurilla poikkileikkauksilla tulee käyttää vain putki- tai onttoja johtimia, koska kiinteässä johtimessa sen keskiosaa ei käytetä täysin sähkökäyttöön.

Riisi. 1. Pyöreän johtimen virrantiheyden jakautuminen eri suhteilla α / Z0

Näitä johtopäätöksiä käytetään suurjännitekytkinten virtaa kuljettavien osien, erottimien suunnittelussa, kiskojen ja suurjännitekojeiston kiskojen suunnittelussa.

Aktiivivastuksen Ra määrittäminen on yksi tärkeimmistä ongelmista, jotka liittyvät eriprofiilisten virtaa kuljettavien osien ja kiskojen käytännön laskemiseen.

Johtimen aktiivinen resistanssi määritetään empiirisesti siinä mitattujen kokonaistehohäviöiden perusteella, suhteessa kokonaishäviöihin virran neliöön:

Johtimen aktiivista vastusta on vaikea määrittää analyyttisesti, joten käytännön laskelmissa käytetään analyyttisesti muodostettuja ja kokeellisesti varmennettuja laskettuja käyriä.Tyypillisesti niiden avulla voit löytää ihovaikutustekijän jonkin johtimen ominaisuuksista lasketun suunnitteluparametrin funktiona.

Kuvassa Kuva 2 esittää käyriä ei-magneettisten johtimien pintavaikutuksen määrittämiseksi. Pintavaikutuskerroin näistä käyristä määritellään kn = f (k1), lasketun parametrin k1 funktiona, joka on

missä α on langan säde, katso

Riisi. 2. Johtimen aktiivinen ja induktiivinen vastus vaihtovirralla

Teollisella taajuudella 50 Hz on mahdollista jättää huomioimatta pintavaikutus kuparijohtimille d <22 mm ja alumiinijohtimille d <30 mm, koska niillä kp <1,04

Sähköenergian menetys voidaan suorittaa ei-virtaa kuljettavissa osissa, jotka putoavat ulkoiseen vaihtomagneettikenttään.

Yleensä sähkökoneissa, laitteissa ja kojeistoissa vaihtovirtajohtimet on sijoitettava tiettyjen magneettisista materiaaleista (teräs, valurauta jne.) valmistettujen rakenteen osien välittömään läheisyyteen. Tällaisia ​​osia ovat sähkölaitteiden metallilaipat ja kiskojen tukirakenteet, jakelulaitteet, linja-autojen lähellä olevien teräsbetoniosien vahvistukset ja muut.

Vaihtuvan magneettivuon vaikutuksesta syntyy joukko virtaavia virtoja niissä osissa, jotka eivät kuljeta virtaa pyörrevirrat ja niiden magnetoinnin käänteinen tapahtuu. Näin ollen ympäröiviin teräsrakenteisiin syntyy energiahäviöitä pyörrevirroista ja hystereesimuuttuu kokonaan lämmöksi.

Vaihteleva magneettivuo magneettisissa materiaaleissa tunkeutuu pieneen syvyyteen Z0, mitattuna, kuten tiedetään, muutama millimetri.Tässä suhteessa pyörrehäviöt keskittyvät myös ohueen ulkokerrokseen Z0. Samassa kerroksessa esiintyy myös hystereesihäviöitä.

Nämä ja muut tappiot voidaan laskea erikseen tai yhdessä käyttämällä erilaisia, enimmäkseen puoliempiirisiä kaavoja.