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趋肤效应原理及对电缆载流量的影响

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  • 发布时间:2015/5/25 16:25:05
  • 作者:银河电气

什么是趋肤效应

  “趋肤效应”又叫“集肤效应”,是交变电流在导体中传输时,电子聚集于导体表层,而非均匀于导体中传输。趋肤效应对电缆载流量影响与电流的频率和导体的截面形状有关。

趋肤效应简介

趋肤效应
图1-1趋肤效应电荷分布图
  直流电流流过导体时,电流在导体的载流截面上是均匀分布的,导体对电流的阻碍作用即是所谓的直流电阻。直流不会产生趋肤效应。
  交流电流流过导体时,电流方向是交替变化的,电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力,迫使电流电荷向导体的表面集中,使得导体的实际有效载流面积减小。

趋肤深度

  电流离开导体载流面中心向表面集中的程度,可以用趋肤效应深度来衡量。
  趋肤效应深度可以表达为:
趋肤效应深度表达式
式中,f是电流的频率(Hz), k 是常数:
趋肤效应深度表达式K
式中
  μr  --  导体材料的相对导磁率(铜和其他非磁材料 μr = 1)  
  ρ   --  导体材料的电阻率
  ρc  --  铜材的电阻率(20℃时,ρc = 0.01749Ω-m/1mm2)  
  对铜而言,k = 1 。
  由上可知,导线的电阻和材料的电阻率(ρ),导线的长度( L),有效载流截面面积( S ),所传送电流的频率( f ),以及导体的自身温度( T )有关。
  趋肤效应的定量分析
  交流电流所引起电流趋肤效应,其电流集中在沿表面向内的一个圆环形区,环形的外沿是导线的外周,环形的宽度为趋肤效应的深度(注意,当趋肤深度大于导线半径时,计算无意义)。
  圆环形的面积可用下式计算:
圆环形的面积
式中
  Sf  -- 趋肤效应载流环形的面积( mm2 )
  D   -- 圆线的直径( mm )
  d  -- 趋肤效应深度( mm )
  k   -- 常数( 同前 ) 
  f   -- 电流频率( Hz )
圆形导线趋肤深度小于半径时的电流分布
图1-2 圆形导线趋肤深度小于半径时的电流分布
  一般情况下,认为电流在此由趋肤效应形成的环形内是基本均匀分布的,则导线的电阻为:
导线电阻
  例如,对直径D=1.2mm,长度L=10m,电流频率 f = 50kHz的圆铜线,其在20℃时的交流趋肤高频电阻为:
交流趋肤高频电阻
  趋肤效应与电流频率紧密相关。当圆铜线上通过一组不同频率的电流时,每组电流的损耗和总损耗的计算如下:
  导线直径D: 3.20 mm
  并联的股数N: 2
  每根线的长度L:20.00m
频率总实效载流面积的关系
  可以看到,随着频率的提升,总实效载流面积将会随之降低。
  在铜质导线中,趋肤深度和频率的关系大致如下:

 频率(Hz)  60  1,000  3,000  5,000 10,000  20,000  50,000   100,000
 趋肤深度(mm)  8.5  2.09  1.206  0.935  0.661  0.467  0.296  0.209

降低趋肤效应的措施

  对于既定的电信号,降低趋肤效应有三种针对措施:
  1、用扁状导线
  2、用多股细线并联
  3、用管状导体
  4、外镀高导电材料
  这些方式都能在同等用材下最大限度降低趋肤效应,提升载流量。

趋肤效应案例

  利兹线采用将多条金属导线相互缠绕的方法,使得电磁场能够比较均匀地分布,这样各导线上的电流分布就会较为平均。使用利兹线后,产生显著趋肤效应的频率可以从数千赫兹提高到数兆赫兹。利兹线一般应用在高频交流电的传输中,可以同时减缓趋肤效应和邻近效应。
  高电压大电流的架空电力线路通常使用钢芯铝绞线,这样能使铝质部分的工作部分温度降低,减低电阻率,并且由于趋肤效应,电阻率较大的钢芯上承载极少的电流,因而无关紧要。
  将实心导线换成空心导线管,中间补上绝缘材料的方法,这样可以减轻导线的重量。
  在传输的频率在甚高频或微波级别时,一般会使用镀银(已知的除超导体外最好的导体)的导线,因为这时趋肤深度如此之浅,以至于更厚的银层已经是浪费了。
扩展阅读
作者:cls_yinhe
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