AC kablolarındaki kayıplar

Bir iletkenden alternatif bir akım geçtiğinde, iletkenin etrafında ve içinde alternatif bir manyetik akı oluşur ve bu da e'yi indükler. D. telin endüktif direncini belirleyen s.

Akım taşıyan parçanın bölümünü birkaç temel iletkene bölersek, bölümün merkezinde ve ona yakın olanlar, tüm manyetik akı tarafından kaplandıkları için en büyük endüktif dirence sahip olacaktır - Dış ve iç. Yüzeyde bulunan temel iletkenler yalnızca harici manyetik akı tarafından kaplanır ve bu nedenle en düşük endüktif dirence sahiptir.

Bu nedenle, iletkenlerin elemental endüktif direnci, iletkenin yüzeyinden merkezine doğru artar.

Değişen manyetik akı, yüzey etkisi veya cilt etkisi nedeniyle, dış filde iletkenin ekseninden yüzeyine bir akı ve akım yer değiştirmesi vardır; bireysel katmanların akımları büyüklük ve faz bakımından farklılık gösterir.

Yüzeyden Z0 uzaklıkta, elektrik ve manyetik alanların genliği ve akım yoğunluğu e = 2,718 kat azalır ve yüzeydeki başlangıç ​​değerlerinin %36'sına ulaşır. Bu mesafeye mevcut alanın penetrasyon derinliği denir ve şuna eşittir:

burada ω, alternatif akımın açısal frekansıdır; γ — özgül iletkenlik, 1 / ohm • cm, bakır için γ = 57 • 104 1 / ohm • cm; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — manyetik sabit; µr, bakır ve alüminyum için 1'e eşit olan bağıl manyetik geçirgenliktir.

Uygulamada, akımın ana kısmının, Z0 penetrasyon derinliğine eşit bir kalınlıkta iletkenin yüzey tabakasına geçtiği ve geri kalan kısmın, iç kısmın, kesitin pratikte akım taşımadığı ve enerji transferi için kullanılmaz.

İncirde. Şekil 1, iletken yarıçapının penetrasyon derinliğine çeşitli oranlarında dairesel bir iletkendeki akım yoğunluğu dağılımını göstermektedir.

Alan, yüzeyden 4 - 6 Z0'a eşit bir mesafede tamamen kaybolur.

Aşağıdakiler, 50 Hz frekansta bazı iletkenler için mm cinsinden Z0 penetrasyon derinliği değerleridir:

Bakır — 9,44, alüminyum — 12,3, çelik (µr = 200) — 1,8

Akımın iletkenin enine kesiti boyunca eşit olmayan dağılımı, gerçek akım taşıyan kısmının kesitinde önemli bir azalmaya ve dolayısıyla aktif direncinde bir artışa yol açar.

İletken Ra'nın aktif direnci arttıkça, içindeki ısı kayıpları I2Ra artar ve bu nedenle, aynı akım değerinde, iletkendeki kayıplar ve alternatif akımla ısıtma sıcaklığı her zaman doğrudan olandan daha büyük olacaktır. akım.

Yüzey etkisinin bir ölçüsü, iletken Ra'nın aktif direncinin omik direnci R0'a (doğru akımda) oranını temsil eden yüzey etkisi katsayısı kp'dir.

İletkenin aktif direnci,

Yüzey etkisi olgusu, telin enine kesiti büyüdükçe daha güçlüdür ve manyetik geçirgenlik Ve daha yüksek alternatif akım frekansı.

Büyük manyetik olmayan iletkenlerde, besleme frekansında bile yüzey etkisi çok belirgindir. Örneğin 24 cm çapındaki yuvarlak bir bakır telin 50 Hz alternatif akımdaki direnci, doğru akımdaki direncinin yaklaşık 8 katıdır.

Deri etkisi katsayısı, iletkenin omik direnci ne kadar büyükse o kadar küçük olacaktır; örneğin, bakır teller için kn, aynı çaptaki (kesit) alüminyumdan daha büyük olacaktır, çünkü alüminyumun direnci bakırdan %70 daha yüksektir. İletkenin direnci ısıtma ile arttığından, sıcaklık arttıkça penetrasyon derinliği artacak ve kn azalacaktır.

Manyetik malzemelerden (çelik, dökme demir vb.) üretilen tellerde, yüksek dirençlerine rağmen, yüksek manyetik geçirgenlikleri nedeniyle yüzey etkisi aşırı güç ile kendini gösterir.

Bu tür teller için yüzey etkisi katsayısı, küçük kesitlerde bile 8-9'dur. Ayrıca, değeri akan akımın değerine bağlıdır. Direnç değişiminin doğası, manyetik geçirgenlik eğrisine karşılık gelir.

Kesit boyunca benzer bir akım yeniden dağılımı olgusu, bitişik tellerin güçlü manyetik alanının neden olduğu yakınlık etkisinden dolayı meydana gelir. Yakınlık etkisinin etkisi, yakınlık katsayısı kb kullanılarak dikkate alınabilir, her iki fenomen de ek kayıpların katsayısıdır:

Fazlar arasında yeterince büyük bir mesafe bulunan yüksek gerilim tesisatları için, ek kayıpların katsayısı esas olarak yüzey etkisi ile belirlenir, çünkü bu durumda yakınlık etkisi çok zayıftır. Bu nedenle, aşağıda sadece yüzey etkisinin akım taşıyan iletkenler üzerindeki etkisini ele alacağız.

Pirinç. Şekil 1, katı bir iletkende orta kısmı tamamen elektriksel amaçlar için kullanılmadığından, büyük kesitler için yalnızca boru şeklinde veya içi boş iletkenlerin kullanılması gerektiğini göstermektedir.

Pirinç. 1. Yuvarlak bir iletkende akım yoğunluğunun farklı oranlarda dağılımı α / Z0

Bu sonuçlar, yüksek gerilim şalterlerinin, ayırıcıların akım taşıyan parçalarının tasarımında, yüksek gerilim şalt sisteminin baralarının ve baralarının tasarımında kullanılır.

Aktif direnç Ra'nın belirlenmesi, farklı profillere sahip akım taşıyan kısımlar ve baraların pratik hesabı ile ilgili önemli problemlerden biridir.

İletkenin aktif direnci, toplam kayıpların akımın karesine oranı olarak, içinde ölçülen toplam güç kayıplarına dayanarak ampirik olarak belirlenir:

Bir iletkenin aktif direncini analitik olarak belirlemek zordur, bu nedenle pratik hesaplamalar için analitik olarak oluşturulmuş ve deneysel olarak doğrulanmış hesaplanmış eğriler kullanılır.Tipik olarak, iletken özelliklerinden hesaplanan bazı tasarım parametrelerinin bir fonksiyonu olarak cilt etkisi faktörünü bulmanızı sağlarlar.

İncirde. Şekil 2, manyetik olmayan iletkenlerin yüzey etkisini belirlemek için eğrileri göstermektedir. Bu eğrilerden elde edilen yüzey etki katsayısı, hesaplanan k1 parametresinin bir fonksiyonu olan kn = f (k1) olarak tanımlanır;

burada α telin yarıçapıdır, bkz.

Pirinç. 2. Alternatif akımda iletkenin aktif ve endüktif direnci

50 Hz'lik bir endüstriyel frekansta, d <22 mm bakır iletkenler ve d <30 mm alüminyum iletkenler için yüzey etkisini göz ardı etmek mümkündür, çünkü bunlar için kp <1,04

Elektrik enerjisi kaybı harici bir alternatif manyetik alana düşen akım taşımayan parçalarda gerçekleştirilebilir.

Genellikle elektrikli makine, aparat ve şalt cihazlarında, AC iletkenlerinin manyetik malzemelerden (çelik, dökme demir vb.) yapılmış yapının belirli bölümlerine yakın yerleştirilmesi gerekir. Bu tür parçalar, elektrikli ekipmanın metal flanşlarını ve baraların destek yapılarını, dağıtım cihazlarını, otobüslerin yakınında bulunan betonarme parçaların takviyesini ve diğerlerini içerir.

Alternatif bir manyetik akının etkisi altında, akım taşımayan kısımlarda bir dizi akan akım ortaya çıkar. girdap akımları ve mıknatıslanmalarının tersine dönmesi meydana gelir. Böylece çevredeki çelik yapılarda girdap akımlarından ve gecikmetamamen ısıya dönüştürülür.

Manyetik malzemelerdeki değişken manyetik akı, bilindiği gibi birkaç milimetre ile ölçülen küçük bir derinliğe (Z0) nüfuz eder.Bu bakımdan girdap kayıpları da ince dış tabaka Z0'da yoğunlaşacak ve aynı tabakada histerezis kayıpları da oluşacaktır.

Bu ve diğer kayıplar, çoğunlukla yarı ampirik olan çeşitli formüller kullanılarak ayrı ayrı veya birlikte açıklanabilir.