การสูญเสียในสายไฟ AC

เมื่อกระแสสลับไหลผ่านตัวนำ จะเกิดฟลักซ์แม่เหล็กสลับขึ้นรอบๆ และภายในตัวนำ ซึ่งเหนี่ยวนำให้เกิด e ง. s ซึ่งกำหนดความต้านทานแบบเหนี่ยวนำของลวด

หากเราแบ่งส่วนของส่วนที่นำกระแสไฟฟ้าออกเป็นตัวนำพื้นฐานหลายตัว ส่วนที่อยู่ตรงกลางของส่วนและใกล้กับส่วนนั้นจะมีความต้านทานแบบเหนี่ยวนำมากที่สุดเนื่องจากถูกปกคลุมด้วยฟลักซ์แม่เหล็กทั้งหมด - ภายนอกและภายใน ตัวนำมูลฐานที่อยู่บนพื้นผิวถูกปกคลุมด้วยฟลักซ์แม่เหล็กภายนอกเท่านั้น ดังนั้นจึงมีความต้านทานเหนี่ยวนำต่ำที่สุด

ดังนั้นความต้านทานเชิงอุปนัยของตัวนำจึงเพิ่มขึ้นจากพื้นผิวไปยังจุดศูนย์กลางของตัวนำ

เนื่องจากการกระทำของฟลักซ์แม่เหล็กสลับ เอฟเฟกต์พื้นผิวหรือเอฟเฟกต์ผิวหนัง จึงมีการกระจัดของฟลักซ์และกระแสจากแกนของตัวนำไปยังพื้นผิวในช้างตัวนอก กระแสของแต่ละชั้นมีขนาดและเฟสต่างกัน

ที่ระยะ Z0 จากพื้นผิว แอมพลิจูดของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กและความหนาแน่นกระแสจะลดลง e = 2.718 เท่า และถึง 36% ของค่าเริ่มต้นที่พื้นผิว ระยะนี้เรียกว่าความลึกของการเจาะของสนามปัจจุบันและเท่ากับ

โดยที่ ω คือความถี่เชิงมุมของกระแสสลับ γ — ค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะ 1 / โอห์ม • ซม. สำหรับทองแดง γ = 57 • 104 1 / โอห์ม • ซม. µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — ค่าคงที่แม่เหล็ก; µr คือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ เท่ากับ 1 สำหรับทองแดงและอะลูมิเนียม

ในทางปฏิบัติถือว่าส่วนหลักของกระแสผ่านเข้าไปในชั้นผิวของตัวนำที่มีความหนาเท่ากับความลึกของการเจาะ Z0 และส่วนที่เหลือภายในส่วนตัดขวางจะไม่ส่งกระแสและเป็น ไม่ใช้ในการถ่ายเทพลังงาน

ในรูป 1 แสดงการกระจายความหนาแน่นกระแสในตัวนำแบบวงกลมที่อัตราส่วนต่างๆ ของรัศมีตัวนำต่อความลึกของการเจาะ

สนามจะหายไปอย่างสมบูรณ์ในระยะห่างจากพื้นผิวเท่ากับ 4 — 6 Z0

ต่อไปนี้เป็นค่าความลึกของการเจาะ Z0 ในหน่วย mm สำหรับตัวนำบางตัวที่ความถี่ 50 Hz:

ทองแดง — 9.44, อะลูมิเนียม — 12.3, เหล็ก (µr = 200) — 1.8

การกระจายกระแสที่ไม่สม่ำเสมอตามส่วนตัดขวางของตัวนำนำไปสู่การลดลงอย่างมากในส่วนตัดขวางของส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าจริงและทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น

เมื่อความต้านทานที่ใช้งานของตัวนำ Ra เพิ่มขึ้น การสูญเสียความร้อนในตัวมัน I2Ra จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นที่ค่าเดียวกันของกระแส การสูญเสียในตัวนำและอุณหภูมิของการทำความร้อนด้วยกระแสสลับจะมากกว่าโดยตรง ปัจจุบัน.

การวัดเอฟเฟกต์พื้นผิวคือค่าสัมประสิทธิ์เอฟเฟกต์พื้นผิว kp ซึ่งแสดงถึงอัตราส่วนของความต้านทานที่ใช้งานของตัวนำ Ra ต่อความต้านทานโอห์มมิก R0 (ที่กระแสตรง)

ความต้านทานที่ใช้งานของตัวนำคือ

ปรากฏการณ์เอฟเฟกต์พื้นผิวจะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นตามส่วนตัดขวางของเส้นลวดและเส้นลวดที่ใหญ่ขึ้น การซึมผ่านของแม่เหล็ก และสูงกว่า ความถี่กระแสสลับ.

ในตัวนำขนาดใหญ่ที่ไม่ใช่แม่เหล็ก แม้ที่ความถี่การจ่าย เอฟเฟกต์พื้นผิวจะเด่นชัดมาก ตัวอย่างเช่น ความต้านทานของลวดทองแดงกลมเส้นผ่านศูนย์กลาง 24 ซม. ที่กระแสสลับ 50 Hz นั้นสูงกว่าความต้านทานที่กระแสตรงประมาณ 8 เท่า

ค่าสัมประสิทธิ์ของผิวจะยิ่งเล็กลง ความต้านทานโอห์มมิกของตัวนำก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น kn สำหรับสายทองแดงจะมากกว่าอลูมิเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเดียวกัน (ส่วน) เนื่องจากความต้านทานของอลูมิเนียมสูงกว่าทองแดงถึง 70% เนื่องจากความต้านทานของตัวนำเพิ่มขึ้นเมื่อให้ความร้อน ความลึกของการเจาะจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และ kn จะลดลง

ในสายไฟที่ทำจากวัสดุแม่เหล็ก (เหล็ก เหล็กหล่อ ฯลฯ) แม้ว่าจะมีความต้านทานสูง แต่ผลกระทบจากพื้นผิวจะแสดงออกถึงความแข็งแกร่งสูงมากเนื่องจากการซึมผ่านของแม่เหล็กสูง

ค่าสัมประสิทธิ์ของพื้นผิวของสายไฟดังกล่าวแม้จะมีหน้าตัดขนาดเล็กคือ 8-9 นอกจากนี้ค่าของมันขึ้นอยู่กับค่าของกระแสที่ไหล ลักษณะของการเปลี่ยนแปลงความต้านทานสอดคล้องกับเส้นโค้งการซึมผ่านของแม่เหล็ก

ปรากฏการณ์ที่คล้ายกันของการกระจายกระแสไปตามส่วนตัดขวางเกิดขึ้นเนื่องจากเอฟเฟกต์ความใกล้ชิดซึ่งเกิดจากสนามแม่เหล็กแรงสูงของสายที่อยู่ติดกัน อิทธิพลของเอฟเฟกต์ความใกล้ชิดสามารถนำมาพิจารณาได้โดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์ความใกล้เคียง kb ทั้งสองปรากฏการณ์ — ค่าสัมประสิทธิ์ของการสูญเสียเพิ่มเติม:

สำหรับการติดตั้งไฟฟ้าแรงสูงที่มีระยะห่างระหว่างเฟสมากเพียงพอ ค่าสัมประสิทธิ์ของการสูญเสียเพิ่มเติมจะถูกกำหนดโดยเอฟเฟกต์พื้นผิวเป็นส่วนใหญ่ เนื่องจากในกรณีนี้เอฟเฟกต์ความใกล้ชิดจะอ่อนแอมาก ดังนั้น ต่อไปนี้เราจะพิจารณาอิทธิพลของผลกระทบพื้นผิวที่มีต่อตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าเท่านั้น

ข้าว. 1 แสดงให้เห็นว่าสำหรับหน้าตัดขนาดใหญ่ควรใช้ตัวนำแบบท่อหรือแบบกลวงเท่านั้น เนื่องจากในตัวนำแบบทึบไม่ได้ใช้ส่วนตรงกลางอย่างเต็มที่สำหรับวัตถุประสงค์ทางไฟฟ้า

ข้าว. 1. การกระจายความหนาแน่นกระแสในตัวนำแบบกลมที่อัตราส่วนต่างๆ α / Z0

ข้อสรุปเหล่านี้ใช้ในการออกแบบชิ้นส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าของสวิตช์ไฟฟ้าแรงสูง ตัวตัดการเชื่อมต่อ ในการออกแบบบัสบาร์และบัสบาร์ของสวิตช์เกียร์ไฟฟ้าแรงสูง

การกำหนดความต้านทานที่ใช้งานอยู่ Ra เป็นหนึ่งในปัญหาสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการคำนวณเชิงปฏิบัติของชิ้นส่วนที่มีกระแสไฟฟ้าและบัสบาร์ที่มีโปรไฟล์ต่างกัน

ความต้านทานที่ใช้งานของตัวนำถูกกำหนดโดยเชิงประจักษ์โดยพิจารณาจากการสูญเสียพลังงานทั้งหมดที่วัดได้ในนั้น โดยเป็นอัตราส่วนของการสูญเสียทั้งหมดต่อกำลังสองของกระแสไฟฟ้า:

เป็นเรื่องยากที่จะวิเคราะห์หาค่าความต้านทานที่แอ็คทีฟของตัวนำ ดังนั้นสำหรับการคำนวณเชิงปฏิบัติ จึงมีการใช้เส้นโค้งที่คำนวณได้ สร้างขึ้นในเชิงวิเคราะห์และยืนยันโดยการทดลองโดยทั่วไปแล้ว จะช่วยให้คุณสามารถค้นหาปัจจัยผลกระทบผิวเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์การออกแบบบางอย่างที่คำนวณจากลักษณะของตัวนำ

ในรูป 2 แสดงเส้นโค้งสำหรับกำหนดผลกระทบพื้นผิวของตัวนำที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ค่าสัมประสิทธิ์ผลกระทบพื้นผิวจากเส้นโค้งเหล่านี้ถูกกำหนดเป็น kn = f (k1) ซึ่งเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์ที่คำนวณได้ k1 ซึ่งก็คือ

โดยที่ α คือรัศมีของเส้นลวด ดู

ข้าว. 2. ความต้านทานที่ใช้งานและอุปนัยของตัวนำที่กระแสสลับ

ที่ความถี่อุตสาหกรรม 50 Hz เป็นไปได้ที่จะเพิกเฉยต่อพื้นผิวของตัวนำทองแดง d <22 มม. และสำหรับตัวนำอลูมิเนียม d <30 มม. เนื่องจากสำหรับพวกเขา kp <1.04

การสูญเสียพลังงานไฟฟ้า สามารถดำเนินการในส่วนที่ไม่มีกระแสไฟฟ้าตกในสนามแม่เหล็กสลับภายนอก

โดยปกติแล้ว ในเครื่องใช้ไฟฟ้า อุปกรณ์ และสวิตช์ ตัวนำไฟฟ้ากระแสสลับจะต้องอยู่ใกล้กับบางส่วนของโครงสร้างที่ทำจากวัสดุแม่เหล็ก (เหล็ก เหล็กหล่อ ฯลฯ) ชิ้นส่วนดังกล่าวรวมถึงหน้าแปลนโลหะของอุปกรณ์ไฟฟ้าและโครงสร้างรองรับของบัสบาร์ อุปกรณ์จ่ายไฟ การเสริมแรงของชิ้นส่วนคอนกรีตเสริมเหล็กที่อยู่ใกล้กับรถโดยสาร และอื่นๆ

ภายใต้อิทธิพลของฟลักซ์แม่เหล็กสลับ กระแสไหลจำนวนหนึ่งเกิดขึ้นในส่วนที่ไม่มีกระแส กระแสน้ำวน และการกลับขั้วแม่เหล็กเกิดขึ้น ดังนั้น การสูญเสียพลังงานจึงเกิดขึ้นในโครงสร้างเหล็กโดยรอบจากกระแสน้ำวนและจาก ฮิสเทรีซิสเปลี่ยนเป็นความร้อนอย่างสมบูรณ์

ฟลักซ์แม่เหล็กสลับในวัสดุแม่เหล็กทะลุถึงระดับความลึกเล็กน้อย Z0 ซึ่งวัดได้ไม่กี่มิลลิเมตรตามที่ทราบในกรณีนี้ การสูญเสียการไหลวนจะกระจุกตัวอยู่ที่ชั้นนอกบางๆ Z0 การสูญเสียฮิสเทอรีซิสจะเกิดขึ้นในชั้นเดียวกันด้วย

การสูญเสียเหล่านี้และอื่น ๆ สามารถแยกบัญชีหรือรวมกันโดยใช้สูตรต่าง ๆ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบบกึ่งประจักษ์