趨膚效應(yīng)原理及對(duì)電纜載流量的影響
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- 發(fā)布時(shí)間：2015/5/25 16:25:05
- 作者：cls_yinhe
一什么是趨膚效應(yīng)
“趨膚效應(yīng)”又叫“集膚效應(yīng)”，是交變電流在導(dǎo)體中傳輸時(shí)，電子聚集于導(dǎo)體表層，而非均勻于導(dǎo)體中傳輸。趨膚效應(yīng)對(duì)電纜載流量影響與電流的頻率和導(dǎo)體的截面形狀有關(guān)。
二趨膚效應(yīng)簡(jiǎn)介
圖1-1趨膚效應(yīng)電荷分布圖
直流電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流在導(dǎo)體的載流截面上是均勻分布的，導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用即是所謂的直流電阻。直流不會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)。
交流電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流方向是交替變化的，電流在導(dǎo)體中所產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)對(duì)電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向?qū)w的表面集中，使得導(dǎo)體的實(shí)際有效載流面積減小。
三趨膚深度
電流離開(kāi)導(dǎo)體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應(yīng)深度來(lái)衡量。
趨膚效應(yīng)深度可以表達(dá)為：
式中，f是電流的頻率（Hz）， k 是常數(shù)：
式中
μr -- 導(dǎo)體材料的相對(duì)導(dǎo)磁率（銅和其他非磁材料 μr = 1）
ρ -- 導(dǎo)體材料的電阻率
ρc -- 銅材的電阻率（20℃時(shí)，ρc = 0.01749Ω-m/1mm2）
對(duì)銅而言，k = 1 。
由上可知，導(dǎo)線的電阻和材料的電阻率(ρ)，導(dǎo)線的長(zhǎng)度( L)，有效載流截面面積( S )，所傳送電流的頻率( f )，以及導(dǎo)體的自身溫度( T )有關(guān)。
趨膚效應(yīng)的定量分析
交流電流所引起電流趨膚效應(yīng)，其電流集中在沿表面向內(nèi)的一個(gè)圓環(huán)形區(qū)，環(huán)形的外沿是導(dǎo)線的外周，環(huán)形的寬度為趨膚效應(yīng)的深度（注意，當(dāng)趨膚深度大于導(dǎo)線半徑時(shí)，計(jì)算無(wú)意義）。
圓環(huán)形的面積可用下式計(jì)算：
式中
Sf -- 趨膚效應(yīng)載流環(huán)形的面積( mm2 )
D -- 圓線的直徑( mm )
d -- 趨膚效應(yīng)深度( mm )
k -- 常數(shù)( 同前 )
f -- 電流頻率( Hz )
圖1-2 圓形導(dǎo)線趨膚深度小于半徑時(shí)的電流分布
一般情況下，認(rèn)為電流在此由趨膚效應(yīng)形成的環(huán)形內(nèi)是基本均勻分布的，則導(dǎo)線的電阻為：
例如，對(duì)直徑D=1.2mm，長(zhǎng)度L=10m，電流頻率 f = 50kHz的圓銅線，其在20℃時(shí)的交流趨膚高頻電阻為：
趨膚效應(yīng)與電流頻率緊密相關(guān)。當(dāng)圓銅線上通過(guò)一組不同頻率的電流時(shí)，每組電流的損耗和總損耗的計(jì)算如下：
導(dǎo)線直徑D： 3.20 mm
并聯(lián)的股數(shù)N： 2
每根線的長(zhǎng)度L：20.00m
可以看到，隨著頻率的提升，總實(shí)效載流面積將會(huì)隨之降低。
在銅質(zhì)導(dǎo)線中，趨膚深度和頻率的關(guān)系大致如下：
| 頻率(Hz) |
60 |
1,000 |
3,000 |
5,000 |
10,000 |
20,000 |
50,000 |
100,000 |
| 趨膚深度(mm) |
8.5 |
2.09 |
1.206 |
0.935 |
0.661 |
0.467 |
0.296 |
0.209 |
四降低趨膚效應(yīng)的措施
對(duì)于既定的電信號(hào)，降低趨膚效應(yīng)有三種針對(duì)措施：
1、用扁狀導(dǎo)線
2、用多股細(xì)線并聯(lián)
3、用管狀導(dǎo)體
4、外鍍高導(dǎo)電材料
這些方式都能在同等用材下最大限度降低趨膚效應(yīng)，提升載流量。
五趨膚效應(yīng)案例
利茲線采用將多條金屬導(dǎo)線相互纏繞的方法，使得電磁場(chǎng)能夠比較均勻地分布，這樣各導(dǎo)線上的電流分布就會(huì)較為平均。使用利茲線后，產(chǎn)生顯著趨膚效應(yīng)的頻率可以從數(shù)千赫茲提高到數(shù)兆赫茲。利茲線一般應(yīng)用在高頻交流電的傳輸中，可以同時(shí)減緩趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。
高電壓大電流的架空電力線路通常使用鋼芯鋁絞線，這樣能使鋁質(zhì)部分的工作部分溫度降低，減低電阻率，并且由于趨膚效應(yīng)，電阻率較大的鋼芯上承載極少的電流，因而無(wú)關(guān)緊要。
將實(shí)心導(dǎo)線換成空心導(dǎo)線管，中間補(bǔ)上絕緣材料的方法，這樣可以減輕導(dǎo)線的重量。
在傳輸?shù)念l率在甚高頻或微波級(jí)別時(shí)，一般會(huì)使用鍍銀（已知的除超導(dǎo)體外最好的導(dǎo)體）的導(dǎo)線，因?yàn)檫@時(shí)趨膚深度如此之淺，以至于更厚的銀層已經(jīng)是浪費(fèi)了。
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