Tổn thất trong dây AC

Khi một dòng điện xoay chiều chạy qua một dây dẫn, một từ thông xoay chiều được hình thành xung quanh và bên trong nó, gây ra e. đ. s, xác định điện trở cảm ứng của dây.

Nếu chúng ta chia phần của phần mang dòng điện thành nhiều dây dẫn cơ bản, thì những phần nằm ở trung tâm của phần và gần nó sẽ có điện trở cảm ứng lớn nhất, vì chúng được bao phủ bởi toàn bộ từ thông - bên ngoài và bên trong. Các dây dẫn sơ cấp nằm trên bề mặt chỉ được bao phủ bởi từ thông bên ngoài và do đó có điện trở cảm ứng thấp nhất.

Do đó, điện trở cảm ứng nguyên tố của dây dẫn tăng dần từ bề mặt về phía tâm của dây dẫn.

Do tác động của từ thông xoay chiều, hiệu ứng bề mặt hay hiệu ứng da, có sự dịch chuyển của từ thông và dòng điện từ trục của vật dẫn đến bề mặt của nó, ở voi ngoài cùng; dòng điện của các lớp riêng lẻ khác nhau về cường độ và pha.

Ở khoảng cách Z0 so với bề mặt, biên độ của điện trường, từ trường và mật độ dòng điện giảm e = 2,718 lần và đạt 36% giá trị ban đầu của chúng tại bề mặt. Khoảng cách này được gọi là độ sâu thâm nhập của trường hiện tại và bằng

trong đó ω là tần số góc của dòng điện xoay chiều; γ — độ dẫn điện riêng, 1 / ôm • cm, đối với đồng γ = 57 • 104 1 / ôm • cm; µ = µ0 • µr µ0 = 4 • π • 10-9 gn/cm—hằng số từ; µr là độ từ thẩm tương đối, bằng 1 đối với đồng và nhôm.

Trong thực tế, người ta cho rằng phần chính của dòng điện đi vào lớp bề mặt của dây dẫn có độ dày bằng độ sâu xuyên Z0, và phần còn lại, bên trong, một phần của mặt cắt ngang thực tế không mang dòng điện và là không dùng để truyền năng lượng.

Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy sự phân bố mật độ dòng điện trong một dây dẫn tròn ở các tỷ lệ khác nhau giữa bán kính dây dẫn và độ sâu xuyên qua.

Trường biến mất hoàn toàn ở khoảng cách từ bề mặt bằng 4 — 6 Z0.

Sau đây là các giá trị độ sâu thâm nhập Z0 tính bằng mm đối với một số dây dẫn ở tần số 50 Hz:

Đồng — 9,44, nhôm — 12,3, thép (µr = 200) — 1,8

Sự phân bố dòng điện không đều dọc theo mặt cắt ngang của dây dẫn dẫn đến giảm đáng kể tiết diện của phần mang dòng điện thực tế của nó và do đó, làm tăng điện trở hoạt động của nó.

Khi điện trở hoạt động của dây dẫn Ra tăng lên, tổn thất nhiệt trong nó I2Ra tăng lên, và do đó, ở cùng một giá trị dòng điện, tổn thất trong dây dẫn và nhiệt độ làm nóng nó bằng dòng điện xoay chiều sẽ luôn lớn hơn so với dòng điện trực tiếp. hiện hành.

Một phép đo hiệu ứng bề mặt là hệ số hiệu ứng bề mặt kp, biểu thị tỷ số giữa điện trở hoạt động của dây dẫn Ra với điện trở ôm R0 của nó (ở dòng điện một chiều).

Điện trở hoạt động của dây dẫn là

Hiện tượng hiệu ứng bề mặt càng mạnh thì tiết diện của dây và kích thước của nó càng lớn. Tính thấm từ và cao hơn tần số dòng điện xoay chiều.

Trong các dây dẫn không từ tính lớn, ngay cả ở tần số cung cấp, hiệu ứng bề mặt rất rõ rệt. Ví dụ, điện trở của một dây đồng tròn đường kính 24 cm ở dòng điện xoay chiều 50 Hz cao hơn khoảng 8 lần so với điện trở của nó ở dòng điện một chiều.

Hệ số hiệu ứng da càng nhỏ thì điện trở của dây dẫn càng lớn; ví dụ kn đối với dây đồng sẽ lớn hơn kn đối với dây nhôm có cùng đường kính (tiết diện), vì điện trở của nhôm cao hơn 70% so với đồng. Vì điện trở của dây dẫn tăng khi nung nóng, độ sâu thâm nhập sẽ tăng khi nhiệt độ tăng và kn sẽ giảm.

Trong các dây làm bằng vật liệu từ tính (thép, gang, v.v.), mặc dù có điện trở cao, nhưng hiệu ứng bề mặt biểu hiện với độ bền cực cao do tính từ thẩm cao của chúng.

Hệ số hiệu ứng bề mặt đối với các dây như vậy, ngay cả với các mặt cắt ngang nhỏ, là 8-9. Hơn nữa, giá trị của nó phụ thuộc vào giá trị của dòng điện chạy qua. Bản chất của sự thay đổi điện trở tương ứng với đường cong tính thấm từ.

Hiện tượng phân phối lại dòng điện dọc theo mặt cắt ngang tương tự xảy ra do hiệu ứng lân cận gây ra bởi từ trường mạnh của các dây liền kề. Ảnh hưởng của hiệu ứng lân cận có thể được tính đến bằng cách sử dụng hệ số lân cận kb, cả hai hiện tượng - hệ số tổn thất bổ sung:

Đối với việc lắp đặt điện áp cao với khoảng cách đủ lớn giữa các pha, hệ số tổn thất bổ sung chủ yếu được xác định bởi hiệu ứng bề mặt, vì trong trường hợp này, hiệu ứng lân cận rất yếu. Do đó, sau đây chúng tôi chỉ xem xét ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt đối với dây dẫn mang dòng điện.

Cơm. 1 cho thấy rằng đối với các mặt cắt ngang lớn, chỉ nên sử dụng các dây dẫn hình ống hoặc rỗng, vì trong một dây dẫn rắn, phần giữa của nó không được sử dụng hoàn toàn cho mục đích điện.

Cơm. 1. Phân bố mật độ dòng điện trong dây dẫn tròn theo các tỷ số α/Z0

Những kết luận này được sử dụng trong thiết kế các bộ phận mang dòng điện của công tắc điện áp cao, bộ ngắt kết nối, trong thiết kế thanh cái và thanh cái của thiết bị đóng cắt điện áp cao.

Xác định điện trở tác dụng Ra là một trong những bài toán quan trọng liên quan đến tính toán thực tế các bộ phận mang dòng và thanh cái có biên dạng khác nhau.

Điện trở hoạt động của dây dẫn được xác định theo kinh nghiệm dựa trên tổng tổn thất điện năng đo được trong nó, theo tỷ lệ của tổng tổn thất trên bình phương dòng điện:

Do đó, rất khó để xác định một cách phân tích điện trở hoạt động của dây dẫn, do đó, đối với các tính toán thực tế, các đường cong được tính toán, được xây dựng bằng phân tích và xác minh bằng thực nghiệm, được sử dụng.Thông thường, chúng cho phép bạn tìm hệ số hiệu ứng bề mặt dưới dạng hàm của một số tham số thiết kế được tính toán từ các đặc tính của dây dẫn.

Trong bộ lễ phục. 2 cho thấy các đường cong để xác định hiệu ứng bề mặt của dây dẫn không từ tính. Hệ số hiệu ứng bề mặt từ các đường cong này được định nghĩa là kn = f(k1), một hàm của tham số tính toán k1, là

trong đó α là bán kính của dây, xem

Cơm. 2. Điện trở hoạt động và điện trở cảm ứng của dây dẫn khi có dòng điện xoay chiều

Ở tần số công nghiệp 50 Hz, có thể bỏ qua hiệu ứng bề mặt đối với dây dẫn đồng d <22 mm và dây dẫn nhôm d <30 mm, vì đối với chúng kp <1,04

Mất năng lượng điện có thể được thực hiện trong các bộ phận không mang dòng điện rơi vào từ trường xoay chiều bên ngoài.

Thông thường, trong các máy điện, thiết bị và thiết bị đóng cắt, dây dẫn AC phải được đặt gần các bộ phận nhất định của kết cấu làm bằng vật liệu từ tính (thép, gang, v.v.). Các bộ phận này bao gồm mặt bích kim loại của thiết bị điện và kết cấu đỡ của thanh cái, thiết bị phân phối, cốt thép của các bộ phận bê tông cốt thép nằm gần xe buýt và các bộ phận khác.

Dưới ảnh hưởng của từ thông xoay chiều, một số dòng điện chạy qua phát sinh ở những bộ phận không mang dòng điện dòng điện xoáy và sự đảo ngược từ hóa của chúng xảy ra. Do đó, tổn thất năng lượng xảy ra trong các kết cấu thép xung quanh từ dòng điện xoáy và từ trễchuyển hoàn toàn thành nhiệt.

Từ thông xoay chiều trong vật liệu từ xuyên qua một độ sâu nhỏ Z0, được đo, như đã biết, bằng vài milimét.Về vấn đề này, tổn thất do xoáy cũng sẽ tập trung ở lớp ngoài mỏng Z0. Tổn thất do trễ cũng sẽ xảy ra trong cùng một lớp.

Những tổn thất này và các tổn thất khác có thể được hạch toán riêng hoặc cùng nhau bằng cách sử dụng nhiều công thức khác nhau, chủ yếu là bán thực nghiệm.