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趨膚效應(集膚效應)

南偌電氣14年口碑,專業解決10萬客戶高電壓方案 | [在線谘詢]    Aug 25, 2021
交變電流通過導線時,電流在導線橫截麵上的分布是不均勻的,導體表麵的電流密度大於中心的密度,且交變電流的頻率越高,這種趨勢越明顯,該現象稱為趨膚效應(skin effiect),趨膚效應也稱集膚效應
  趨膚效應( skin effect),在“GB/T 2900.1-2008 電工術語 基本術語”中定義如下:
  由於導體中交流電流的作用,靠近導體表麵處的電流密度大於導體內部電流密度的現象。
  注1:隨著電流頻率的提高,趨膚效應使導體的電阻增大,電感減小;
  注2:在更一般的情況下,任何隨時間變化的電流都產生趨膚效應。
  與趨膚效應同時存在的還有鄰近效應,變頻器輸出含有豐富的高次諧波,高次諧波電流將在電機的繞組中產生鄰近效應和趨膚效應及在鐵芯中產生的諧波渦流損耗和諧波磁滯損耗不可忽視。
  鄰近效應的原理以及相關研究>>>

一.趨膚效應原理
  趨膚效應實際上是渦流的體現,渦流是電磁感應的一種體現方式,但是,某些文獻簡單的認為,由於電流流過導體時,導體中心處的磁感應強度大,因電磁感應產生的感應電動勢大,根據楞次定理,感應電動勢將阻礙電流的變化,這種說法是錯誤的。
  以截麵為圓形的長直導線為例,其磁場分布如下圖1所示。

圖1、截麵積為圓形的長直導線內部磁場分布圖
根據安培環路定理,磁場強度H沿閉合回路的線積分等於閉合回路包含的電流的代數和,與閉合回路之外的電流無關。均勻材質的導體中,磁感應強度B與磁場強度成正比,選閉合回路為圖中所述的各條磁力線,可知,越靠近導體中心,磁力線包圍的電流越小,在導體軸線上,磁感應強度為零。
  實際上,趨膚效應是渦流效應的結果,如圖2所示:

圖2、渦流與趨膚效應
如圖,電流I流過導體,在I的垂直平麵形成交變磁場,交變磁場在導體內部產生感應電動勢,感應電動勢在導體內部形成渦流電流i,渦流i的方向在導體內部總與電流I的變化趨勢相反,阻礙I變化,渦流i的方向在導體表麵總與I的變化趨勢相同,加強I變化。在導體內部,等效電阻變大,而導體表麵的等效電阻變小,交變電流趨於在導體表麵流動,形成趨膚效應。
  趨膚效應使導線通過交變電流的有效截麵積減小了,導線的電阻增大了。
  趨膚效應下導體的等效電阻變化了,這個等效電阻,稱為交流電阻,交流電阻與電流的頻率有關,頻率越高,交流電阻越大。

二.趨膚深度
  定義從表麵到電流密度下降到表麵電流密度的0.368(即1/e)的厚度為趨膚深度或穿透深度Δ
  式中:
  μ-導線材料的磁導率;
  ρ-材料的電阻率;
  k-材料電導率(或電阻率)溫度係數;
  可見趨膚深度與頻率的開方成反比,與電阻率的開方成正比。下表是20℃時銅的的趨膚深度表。
表1、20℃時,銅的趨膚深度表:

 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

三.趨膚效應的不利
       傳輸交流電流時,由於趨膚效應的影響,導致導線的等效電阻增加,損耗增大。
       1、趨膚效應對於高頻電流的傳輸影響甚大。對於傳輸高頻電流的導線,通常采用下述方法改善其傳輸性能:
  a、既然趨膚效應使電流趨於表麵流動,那麽,相同截麵積的導線,表麵積越大,等效電阻越小,因此,利用互相絕緣的多根細導線代替單根實心導線,可以改善降低導線的交流電阻。
  b、既然趨膚效應使電流趨於表麵流動,那麽,將其表麵鍍銀或鍍金,降低表麵電阻,可以改善導線的交流電阻。
  c、既然趨膚效應使電流趨於表麵流動,那麽,將其製作成空心導線,其導電效果與實心導線基本相當,但是,可以節省材料。
       2、對傳輸工頻大電流不利
  為了傳輸更大的電流,對於大電流傳輸,通常導體截麵積較大,遠離表麵的中心處,電流密度還是會明顯減小,因此,傳輸交流大電流的導體,通常製作成截麵積為長方形,而不是圓形或正方形,並且,一般不能太厚,對於50Hz的工頻交流電,導體為銅,其趨膚深度約8mm,這樣,對於厚度大於16mm的銅排,其中心層電流密度已經非常小了,因此,用於傳輸工頻電流的銅排的厚度一般小於12mm。

四.趨膚效應的應用
  電流流過導體,產生熱量,趨膚效應使電流趨於表麵流動的特性,可應用於金屬表麵熱處理,通常稱表麵淬火。表麵淬火的過程如下:
在一個感應線圈中通以高頻交流電,線圈內部會產生頻率相同的高頻交變磁場,或將金屬導體置於交變磁場中,隻要交變磁場足夠大,頻率足夠高,趨膚效應將導致導體表麵溫度迅速上升至淬火溫度,之後迅速冷卻金屬導體,可使表麵硬度增大。而導體內部的溫度還遠低於淬火溫度,在迅速冷卻後仍保持韌性。
比如工程實踐中也有銅包鋁電力電纜,就很好的運用了趨膚效應的特點,既減重降低成本,又不影響交流電阻;還比如多根導線並繞的高頻變壓器等。