Губици у жицама наизменичне струје

Када кроз проводник протиче наизменична струја, око и унутар њега се формира наизменични магнетни ток који индукује е. д. с, који одређује индуктивни отпор жице.

Ако поделимо део струјног дела на неколико елементарних проводника, онда ће они од њих који се налазе у центру пресека и близу њега имати највећи индуктивни отпор, пошто су покривени целим магнетним флуксом - спољашње и унутрашње. Елементарни проводници који се налазе на површини покривени су само спољашњим магнетним флуксом и стога имају најмањи индуктивни отпор.

Због тога се елементарни индуктивни отпор проводника повећава од површине према центру проводника.

Услед дејства наизменичног магнетног флукса, површинског ефекта или скин ефекта, долази до померања флукса и струје са осе проводника на његову површину, у спољашњем слону; струје појединих слојева се разликују по величини и фази.

На растојању З0 од површине, амплитуда електричног и магнетног поља и густина струје смањују се за е = 2,718 пута и достижу 36% своје почетне вредности на површини. Ово растојање се назива дубина продирања струјног поља и једнако је

где је ω угаона фреквенција наизменичне струје; γ — специфична проводљивост, 1 / охм • цм, за бакар γ = 57 • 104 1 / охм • цм; µ = µ0 • µр µ0 = 4 • π • 10-9 гн / цм — магнетна константа; µр је релативна магнетна пермеабилност, једнака 1 за бакар и алуминијум.

У пракси се сматра да главни део струје прелази у површински слој проводника дебљине једнаке дубини продирања З0, а преостали део, унутрашњи, део попречног пресека практично не носи струју и не користи се за пренос енергије .

На сл. 1 приказује расподелу густине струје у кружном проводнику при различитим односима полупречника проводника и дубине продирања.

Поље потпуно нестаје на растојању од површине једнаком 4 — 6 З0.

Следе вредности дубине продирања З0 у мм за неке проводнике на фреквенцији од 50 Хз:

Бакар — 9,44, алуминијум — 12,3, челик (µр = 200) — 1,8

Неравномерна дистрибуција струје дуж попречног пресека проводника доводи до значајног смањења попречног пресека његовог стварног струјног дела и, самим тим, до повећања његовог активног отпора.

Како се активни отпор проводника Ра повећава, губици топлоте у њему И2Ра расту, па ће стога, при истој вредности струје, губици у проводнику и температура његовог загревања наизменичном струјом увек бити већи него код једносмерне струје. Тренутни.

Мера површинског ефекта је коефицијент површинског ефекта кп, који представља однос активног отпора проводника Ра према његовом омском отпору Р0 (при једносмерној струји).

Активни отпор проводника је

Феномен површинског ефекта је јачи што је већи попречни пресек жице и њен магнетна пермеабилност и више фреквенција наизменичне струје.

Код масивних немагнетних проводника, чак и на фреквенцији напајања, површински ефекат је веома изражен. На пример, отпор округле бакарне жице пречника 24 цм при наизменичној струји од 50 Хз је око 8 пута већи од њеног отпора при једносмерној струји.

Коефицијент ефекта коже ће бити мањи, што је већи омски отпор проводника; на пример, кн за бакарне жице ће бити већи него за алуминијум истог пречника (пресека), јер је отпор алуминијума 70% већи од бакра. Пошто отпор проводника расте са загревањем, дубина продирања ће се повећавати са повећањем температуре и кн ће се смањивати.

У жицама направљеним од магнетних материјала (челик, ливено гвожђе итд.), упркос њиховој високој отпорности, површински ефекат се манифестује изузетном снагом због њихове велике магнетне пропустљивости.

Коефицијент површинског ефекта за такве жице, чак и са малим попречним пресецима, је 8-9. Штавише, његова вредност зависи од вредности струје која тече. Природа промене отпора одговара криву магнетне пермеабилности.

Слична појава прерасподеле струје дуж попречног пресека јавља се због ефекта близине, који је узрокован јаким магнетним пољем суседних жица. Утицај ефекта близине може се узети у обзир коришћењем коефицијента близине кб, оба феномена — коефицијента додатних губитака:

За високонапонске инсталације са довољно великим растојањем између фаза, коефицијент додатних губитака је углавном одређен површинским ефектом, пошто је у овом случају ефекат близине веома слаб. Због тога у наставку разматрамо утицај само површинског ефекта на струјне проводнике.

Пиринач. 1 показује да за велике попречне пресеке треба користити само цевасте или шупље проводнике, пошто у чврстом проводнику његов средњи део није у потпуности искоришћен за електричне сврхе.

Пиринач. 1. Расподела густине струје у округлом проводнику у различитим односима α / З0

Ови закључци се користе при пројектовању струјних делова високонапонских прекидача, растављача, при пројектовању сабирница и сабирница високонапонских расклопних уређаја.

Одређивање активног отпора Ра је један од важних проблема у вези са практичним прорачуном струјних делова и сабирница различитих профила.

Активни отпор проводника се утврђује емпиријски на основу измерених укупних губитака снаге у њему, као односа укупних губитака према квадрату струје:

Активни отпор проводника је тешко аналитички одредити, па се за практична прорачуна користе прорачунске криве, конструисане аналитички и експериментално верификоване.Обично вам омогућавају да пронађете фактор ефекта коже као функцију неког параметра дизајна израчунатог из карактеристика проводника.

На сл. 2 приказане су криве за одређивање површинског ефекта немагнетних проводника. Коефицијент површинског ефекта са ових кривих је дефинисан као кн = ф (к1), функција израчунатог параметра к1, који је

где је α полупречник жице, види

Пиринач. 2. Активни и индуктивни отпор проводника при наизменичној струји

На индустријској фреквенцији од 50 Хз могуће је занемарити површински ефекат за бакарне проводнике д <22 мм и за алуминијумске проводнике д <30 мм, јер за њих кп <1,04

Губитак електричне енергије може се извести у деловима без струје који падају у спољашње наизменично магнетно поље.

Обично се у електричним машинама, апаратима и расклопним уређајима проводници наизменичне струје морају налазити у непосредној близини одређених делова конструкције од магнетних материјала (челик, ливено гвожђе итд.). Такви делови укључују металне прирубнице електричне опреме и носеће конструкције сабирница, разводне уређаје, арматуру армиранобетонских делова који се налазе у близини аутобуса и др.

Под утицајем наизменичног магнетног флукса у оним деловима који не проводе струју настају бројне струје. вртложне струје и долази до њиховог преокретања магнетизације. Дакле, губици енергије настају у околним челичним конструкцијама од вртложних струја и од хистерезапотпуно претворен у топлоту.

Наизменични магнетни флукс у магнетним материјалима продире до мале дубине З0, мерене, као што је познато, неколико милиметара.С тим у вези, губици на вртлог ће такође бити концентрисани у танком спољашњем слоју З0. Губици хистерезе ће се такође појавити у истом слоју.

Ови и други губици се могу обрачунати одвојено или заједно користећи различите, углавном полу-емпиријске формуле.