При
протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри
образуется переменный магнитный поток, который наводит в самом
проводнике э. д. с, обусловливающую индуктивное сопротивление
проводника. Если
разбить сечение токоведущей части на ряд элементарных проводников, то
те из них, которые расположены в центре сечения и около него, будут
иметь наибольшее индуктивное сопротивление, так как они охватываются
всем магнитным потоком — внешним и внутренним. Элементарные проводники, расположенные на поверхности …

При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется переменный магнитный поток, который наводит в самом проводнике э. д. с, обусловливающую индуктивное сопротивление проводника.

Если разбить сечение токоведущей части на ряд элементарных проводников, то те из них, которые расположены в центре сечения и около него, будут иметь наибольшее индуктивное сопротивление, так как они охватываются всем магнитным потоком — внешним и внутренним. Элементарные проводники, расположенные на поверхности, охватываются только внешним магнитным потоком и в связи с этим имеют наименьшее индуктивное сопротивление.

Таким образом, элементарное индуктивное сопротивление проводников возрастает от поверхности к центру проводника.

Благодаря действию переменного магнитного потока возникает явление поверхностного эффекта или скин-эффекта, происходит вытеснение потока и тока от оси проводника к его поверхности, в наружные слон; токи отдельных слоев при этом отличаются по величине и фазе.

На расстоянии Z0 от поверхности амплитуда напряженности электрического и магнитного полей и плотность тока уменьшаются в е=2,718 раза и достигают 36% своего начального значения на поверхности. Это расстояние называют глубиной проникновения поля тока, и оно равно

где —угловая частота переменного тока; —удельная проводимость, 1/ом•см, для меди =57•104 1/ом•см; µ=µ0•µr µ0 = 4••10-9 гн/см — магнитная постоянная; µr — относительная магнитная проницаемость, равная 1 для меди и алюминия.

Практически считается, что основная часть тока проходит в поверхностном слое проводника толщиной, равной глубине проникновения Z0, а остальная, внутренняя, часть сечения практически тока не несет и для передачи электроэнергии не используется.

На рис. 1 показано распределение плотности тока в круглом проводнике при различных отношениях радиуса проводника к глубине проникновения.

Поле полностью исчезает на расстоянии от поверхности, равном 4 — 6 Z0.

Ниже приводятся значения глубины проникновения Z0 в мм для некоторых проводников при частоте 50 гц:

Медь — 9,44, Алюминий — 12,3, Сталь (µr =200) — 1,8

Неравномерное распределение тока по сечению проводника ведет к значительному сокращению сечения действительной токоведущей части его и, следовательно, к увеличению его активного сопротивления.

С ростом активного сопротивления проводника Rа увеличиваются тепловые потери в нем I2Rа, и, следовательно, при одном и том же значении тока потери в проводнике и температура его нагрева при переменном токе будут всегда больше, чем при постоянном.

Мерой поверхностного эффекта является коэффициент поверхностного эффекта kп, представляющий отношение активного сопротивления проводника Rа к его омическому сопротивлению R0 (на постоянном токе).

Активное сопротивление проводника равно

Явление поверхностного эффекта сказывается тем сильнее, чем больше сечение провода и его магнитная проницаемость и чем выше частота переменного тока.

В массивных немагнитных проводниках даже при промышленной частоте поверхностный эффект выражен очень сильно. Например, сопротивление медного круглого проводника диаметром 24 см при переменном токе 50 гц примерно в 8 раз превышает его же сопротивление при постоянном токе.

Коэффициент поверхностного эффекта будет тем меньше, чем больше омическое сопротивление проводника; например, kn для медных проводников будет больше, чем для алюминиевых того же диаметра (сечения), так как удельное сопротивление алюминия на 70% больше меди. Так как удельное сопротивление проводника при нагревании увеличивается, то с повышением температуры глубина проникновения будет возрастать, а kn уменьшаться.

У проводников из магнитных материалов (сталь, чугун и др.), несмотря на их большое удельное сопротивление, явление поверхностного эффекта проявляется с исключительной силой благодаря их высокой магнитной проницаемости.

Коэффициент поверхностного эффекта у таких проводников даже небольших сечений равен 8—9. При этом его значение зависит от величины протекающего тока. Характер изменения сопротивления соответствует кривой магнитной проницаемости.

Аналогичное явление перераспределения тока по сечению происходит благодаря эффекту близости, который вызывается сильным магнитным полем соседних проводнико

10.12.2016 Без рубрики Нет комментариев