交流电线损耗
当交变电流流过导体时,在其周围和内部形成交变磁通量,从而感应出e。 d. s,它决定了导线的电感电阻。
如果我们将载流部分的部分分成几个基本导体,那么位于该部分中心并靠近它的那些将具有最大的感应电阻,因为它们被整个磁通量覆盖 -外部和内部。位于表面的基本导体仅被外部磁通量覆盖,因此具有最低的电感电阻。
因此,导体的基本电感电阻从导体的表面向导体的中心增加。
由于交变磁通量、表面效应或集肤效应的作用,在外象中,从导体的轴线到其表面产生磁通量和电流的位移;各层电流的大小和相位不同。
在距离表面 Z0 处,电场和磁场的振幅以及电流密度减小了 e = 2.718 倍,并且在表面达到了它们初始值的 36%。这个距离称为电流场的穿透深度,等于
其中 ω 是交流电的角频率; γ——电导率,1/欧姆•厘米,对于铜γ=57•104 1/欧姆•厘米; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn / cm — 磁常数; µr 是相对磁导率,对于铜和铝等于 1。
在实践中,认为电流的主要部分进入厚度等于穿透深度Z0的导体表层,而其余部分,即截面内部的部分实际上不载流,是不用于能量传输。
在图。图 1 显示了在导体半径与穿透深度的不同比率下圆形导体中的电流密度分布。
在距表面等于 4 — 6 Z0 的距离处,场完全消失。
以下是频率为 50 Hz 时某些导体的穿透深度 Z0 的值,单位为毫米:
铜 — 9.44,铝 — 12.3,钢 (µr = 200) — 1.8
电流沿导体横截面的不均匀分布导致其实际载流部分的横截面显着减小,因此导致其有源电阻增加。
随着导体有源电阻Ra的增加,其中的热损失I2Ra增加,因此,在电流值相同的情况下,导体中的损失及其发热的温度,交流电总是大于直流电当前的。
表面效应的量度是表面效应系数kp,表示导体的有效电阻Ra与其欧姆电阻R0(在直流电下)之比。
导体的有效电阻为
导线截面越大,表面效应现象越强 磁导率 和更高 交流电频率.
在大块非磁性导体中,即使在电源频率下,表面效应也非常明显。例如,直径为 24 厘米的圆铜线在 50 赫兹交流电下的电阻大约是其在直流电下电阻的 8 倍。
集肤效应系数越小,导体的欧姆电阻越大;例如,相同直径(截面)的铜线的 kn 将大于铝线,因为铝的电阻比铜高 70%。由于导体的电阻随加热而增加,因此穿透深度会随着温度的升高而增加,kn会减小。
在由磁性材料(钢、铸铁等)制成的电线中,尽管它们具有高电阻,但由于其高磁导率,表面效应以极高的强度表现出来。
这种电线的表面效应系数,即使是小横截面,也是 8-9。而且,它的值取决于流过的电流值。电阻变化的性质对应于磁导率曲线。
由于相邻导线的强磁场引起的邻近效应,会出现类似的电流沿截面重新分布的现象。可以使用邻近系数 kb 来考虑邻近效应的影响,这两种现象 — 附加损耗系数:
对于相间距离足够大的高压装置,附加损耗系数主要由表面效应决定,因为在这种情况下,邻近效应非常弱。因此,下面我们只考虑表面效应对载流导体的影响。
米。图 1 显示,对于大横截面,应仅使用管状或空心导体,因为在实心导体中,其中间部分未完全用于电气目的。
米。 1.不同比值α/Z0下圆形导体中电流密度的分布
这些结论用于高压开关、隔离开关载流部件的设计,用于高压开关柜母线和母线的设计。
有源电阻Ra的确定是涉及不同型材载流件和母线实际计算的重要问题之一。
导体的有源电阻是根据测量到的总功率损耗凭经验确定的,作为总损耗与电流平方的比率:
很难通过分析确定导体的有效电阻,因此,对于实际计算,使用计算曲线,分析构建并通过实验验证。通常,它们允许您找到集肤效应因数,作为根据导体特性计算出的某些设计参数的函数。
在图。图2显示了用于确定非磁性导体的表面效应的曲线。这些曲线的表面效应系数定义为 kn = f (k1),是计算参数 k1 的函数,即
其中 α 是导线的半径,请参见
米。 2.交流电时导体的有源电阻和感性电阻
在 50 Hz 的工业频率下,可以忽略 d <22 mm 铜导体和 d <30 mm 铝导体的表面效应,因为它们的 kp <1.04
电能损失 可在落入外部交变磁场的非载流部件中进行。
通常,在电机、设备和开关设备中,交流导体必须靠近由磁性材料(钢、铸铁等)制成的结构的某些部分。这些部件包括电气设备的金属法兰和母线、配电装置的支撑结构、位于母线附近的钢筋混凝土部件的加固等。
在交变磁通量的影响下,那些不带电的部分会产生许多流动的电流 涡流 并且发生它们的磁化反转。因此,能量损失发生在周围的钢结构中,来自涡流和 迟滞完全转化为热能。
磁性材料中的交变磁通量穿透到一个小深度 Z0,众所周知,测量深度为几毫米。在这方面,涡流损失也会集中在薄的外层Z0,磁滞损失也会发生在同一层。
这些损失和其他损失可以使用各种主要是半经验的公式单独或一起计算。
