Kerugian pada kabel AC

Ketika arus bolak-balik mengalir melalui konduktor, fluks magnet bolak-balik terbentuk di sekitar dan di dalamnya, yang menginduksi e. D. s, yang menentukan resistansi induktif kawat.

Jika kita membagi bagian dari bagian pembawa arus menjadi beberapa konduktor dasar, maka bagian yang terletak di tengah bagian dan dekat dengannya akan memiliki resistansi induktif terbesar, karena ditutupi oleh seluruh fluks magnet - eksternal dan internal. Konduktor dasar yang terletak di permukaan hanya ditutupi oleh fluks magnet luar dan karenanya memiliki resistansi induktif terendah.

Oleh karena itu, resistansi induktif unsur konduktor meningkat dari permukaan menuju pusat konduktor.

Karena aksi fluks magnet bolak-balik, efek permukaan atau efek kulit, ada perpindahan fluks dan arus dari sumbu konduktor ke permukaannya, di gajah luar; arus masing-masing lapisan berbeda dalam besaran dan fase.

Pada jarak Z0 dari permukaan, amplitudo medan listrik dan magnet serta kerapatan arus berkurang sebesar e = 2,718 kali dan mencapai 36% dari nilai awalnya di permukaan. Jarak ini disebut kedalaman penetrasi medan arus dan sama dengan

di mana ω adalah frekuensi sudut arus bolak-balik; γ — konduktivitas spesifik, 1 / ohm • cm, untuk tembaga γ = 57 • 104 1 / ohm • cm; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — konstanta magnet; µr adalah permeabilitas magnetik relatif, sama dengan 1 untuk tembaga dan aluminium.

Dalam praktiknya, dianggap bahwa bagian utama dari arus mengalir ke lapisan permukaan konduktor dengan ketebalan yang sama dengan kedalaman penetrasi Z0, dan bagian yang tersisa, internal, bagian dari penampang praktis tidak membawa arus dan tidak digunakan untuk transfer energi.

Dalam gambar. 1 menunjukkan distribusi kerapatan arus dalam konduktor melingkar pada berbagai rasio radius konduktor terhadap kedalaman penetrasi.

Bidang menghilang sepenuhnya pada jarak dari permukaan sama dengan 4 — 6 Z0.

Berikut ini adalah nilai kedalaman penetrasi Z0 dalam mm untuk beberapa konduktor pada frekuensi 50 Hz:

Tembaga — 9,44, aluminium — 12,3, baja (µr = 200) — 1,8

Distribusi arus yang tidak merata di sepanjang penampang konduktor menyebabkan pengurangan yang signifikan pada penampang bagian pembawa arus aktualnya dan, oleh karena itu, meningkatkan resistansi aktifnya.

Ketika resistansi aktif konduktor Ra meningkat, kehilangan panas di dalamnya I2Ra meningkat, dan oleh karena itu, dengan nilai arus yang sama, kerugian pada konduktor dan suhu pemanasannya dengan arus bolak-balik akan selalu lebih besar daripada dengan arus langsung. saat ini.

Ukuran efek permukaan adalah koefisien efek permukaan kp, yang mewakili rasio resistansi aktif konduktor Ra terhadap resistansi ohmik R0 (pada arus searah).

Tahanan aktif penghantar tersebut adalah

Fenomena efek permukaan semakin kuat semakin besar penampang kawat dan itu permeabilitas magnetik dan lebih tinggi frekuensi arus bolak-balik.

Dalam konduktor non-magnetik masif, bahkan pada frekuensi suplai, efek permukaan sangat terasa. Misalnya, resistansi kawat tembaga bulat berdiameter 24 cm pada arus bolak-balik 50 Hz kira-kira 8 kali lebih tinggi daripada resistansinya pada arus searah.

Koefisien efek kulit akan semakin kecil, semakin besar resistansi ohmik konduktor; misalnya, kn untuk kabel tembaga akan lebih besar daripada aluminium dengan diameter (penampang) yang sama, karena resistansi aluminium 70% lebih tinggi dari tembaga. Karena resistansi konduktor meningkat dengan pemanasan, kedalaman penetrasi akan meningkat dengan meningkatnya suhu dan kn akan berkurang.

Pada kabel yang terbuat dari bahan magnet (baja, besi tuang, dll.), Meskipun resistansinya tinggi, efek permukaan memanifestasikan dirinya dengan kekuatan ekstrim karena permeabilitas magnetnya yang tinggi.

Koefisien efek permukaan untuk kabel semacam itu, bahkan dengan penampang kecil, adalah 8-9. Selain itu, nilainya tergantung pada nilai arus yang mengalir. Sifat perubahan resistansi sesuai dengan kurva permeabilitas magnetik.

Fenomena serupa dari redistribusi arus di sepanjang penampang terjadi karena efek kedekatan, yang disebabkan oleh medan magnet yang kuat dari kabel yang berdekatan. Pengaruh efek kedekatan dapat diperhitungkan dengan menggunakan koefisien kedekatan kb, kedua fenomena — koefisien kerugian tambahan:

Untuk instalasi tegangan tinggi dengan jarak yang cukup jauh antara fase, koefisien kerugian tambahan terutama ditentukan oleh efek permukaan, karena dalam hal ini efek kedekatan sangat lemah. Oleh karena itu, berikut ini kami mempertimbangkan pengaruh hanya efek permukaan pada konduktor pembawa arus.

Beras. 1 menunjukkan bahwa untuk penampang besar hanya konduktor berbentuk tabung atau berongga yang harus digunakan, karena dalam konduktor padat bagian tengahnya tidak sepenuhnya digunakan untuk keperluan listrik.

Beras. 1. Distribusi kerapatan arus dalam konduktor bundar pada rasio α / Z0 yang berbeda

Kesimpulan ini digunakan dalam desain bagian pembawa arus dari sakelar tegangan tinggi, pemisah, dalam desain busbar dan busbar sakelar tegangan tinggi.

Penentuan resistansi aktif Ra adalah salah satu masalah penting yang terkait dengan perhitungan praktis bagian pembawa arus dan busbar dengan profil berbeda.

Resistensi aktif konduktor ditentukan secara empiris berdasarkan pada total kehilangan daya yang diukur di dalamnya, sebagai rasio dari total kerugian terhadap kuadrat arus:

Sulit untuk menentukan resistansi aktif konduktor secara analitik, oleh karena itu, untuk perhitungan praktis, kurva yang dihitung, dibuat secara analitik dan diverifikasi secara eksperimental, digunakan.Biasanya, mereka memungkinkan Anda menemukan faktor efek kulit sebagai fungsi dari beberapa parameter desain yang dihitung dari karakteristik konduktor.

Dalam gambar. 2 menunjukkan kurva untuk menentukan efek permukaan konduktor non-magnetik. Koefisien efek permukaan dari kurva ini didefinisikan sebagai kn = f (k1), fungsi dari parameter yang dihitung k1, yaitu

di mana α adalah jari-jari kawat, lihat

Beras. 2. Resistansi aktif dan induktif konduktor pada arus bolak-balik

Pada frekuensi industri 50 Hz, dimungkinkan untuk mengabaikan efek permukaan untuk konduktor tembaga d <22 mm dan untuk konduktor aluminium d <30 mm, karena bagi mereka kp <1,04

Kehilangan energi listrik dapat dilakukan di bagian yang tidak membawa arus yang jatuh ke medan magnet bolak-balik eksternal.

Biasanya, pada mesin listrik, peralatan, dan sakelar, konduktor AC harus ditempatkan di dekat bagian tertentu dari struktur yang terbuat dari bahan magnet (baja, besi tuang, dll.). Bagian tersebut meliputi flensa logam dari peralatan listrik dan struktur pendukung busbar, perangkat distribusi, tulangan bagian beton bertulang yang terletak di dekat bus, dan lain-lain.

Di bawah pengaruh fluks magnet bolak-balik, sejumlah arus yang mengalir muncul di bagian-bagian yang tidak membawa arus arus eddy dan pembalikan magnetisasi mereka terjadi. Dengan demikian, kehilangan energi terjadi di sekitar struktur baja dari arus eddy dan dari histeresissepenuhnya diubah menjadi panas.

Fluks magnet bolak-balik dalam bahan magnetik menembus hingga kedalaman kecil Z0, diukur, seperti diketahui, beberapa milimeter.Dalam hal ini, kerugian eddy juga akan terkonsentrasi di lapisan luar tipis Z0. Kerugian histeresis juga akan terjadi di lapisan yang sama.

Kerugian ini dan lainnya dapat dipertanggungjawabkan secara terpisah atau bersama-sama menggunakan berbagai, kebanyakan rumus semi-empiris.