СКИН-ЭФФЕКТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Коржова О.Н.
В статье рассматривается проблема обледенения воздушных линий электропередачи . Рассмотрен и предложен к применению современный метод плавки гололеда — скин-эффект .
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Коржова О.Н.
Алгоритм поиска оптимальных параметров термоэлектроволокна для защиты высоковольтных проводов воздушных линий электропередач от обледенения
Плавка гололеда на линиях электропередачи: методы, инновации, эксплуатация
Анализ методов плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи в условиях Южного региона
ПРОБЛЕМА БОРЬБЫ С ГОЛОЛЕДОБОРАЗОВАНИЕМ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧ
Гололед и система измерения его нагрузки на провода воздушных линий электропередачи в Белорецком районе
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «СКИН-ЭФФЕКТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ»
Вестник магистратуры. 2021. № 2-2 (113)
СКИН-ЭФФЕКТ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
В статье рассматривается проблема обледенения воздушных линий электропередачи. Рассмотрен и предложен к применению современный метод плавки гололеда — скин-эффект.
Ключевые слова: гололед, авария, линии электропередач, плавка, скин-эффект.
Для передачи электроэнергии на большие расстояния, распределения ее по потребителям широко применяют воздушные линии электропередачи (ВЛЭП), одним из основных элементов которых являются провода [1]. При эксплуатации ВЛЭП возникает проблема обледенения проводов в различных регионах страны с повышенной влажностью. С образованием толстой стенки гололеда увеличивается вероятность обрыва проводов и падения опор, что ведет к нарушению электроснабжения потребителя. Подобные аварии приносят значительный экономический ущерб сетевым компаниям, на их устранение уходит большое количество времени.
Актуальность данной статьи подтверждается проблемой, с которой столкнулись дальневосточные энергетики в ноябре 2020 года, когда на территории Приморского края прошли ледяные дожди. Ситуация осложнилась сильными порывами ветра, достигавшими скорость до 30 метров в секунду. В результате стихии произошло большое количество обрывов проводов ВЛЭП, обрушений опор под тяжестью гололедных образований. Толщина образовавшегося льда на проводах и линиях электропередачи достигала местами 60 мм.
Эксплуатирующие энергетические организации могут проводить плавку гололеда несколькими способами. Инновационным методом плавки гололеда является метод, основанный на скин-эффекте [2].
Скин-эффект — это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн в зависимости от степени их проникновения внутрь среды проводника [3]. При протекании переменного тока электрические заряды под действием электромагнитных явлений внутри проводника вытесняются к его поверхности, и тогда в центральной части проводника плотность зарядов меньше, чем на периферии. Глубина проникновения тока имеет обратную зависимость от частоты колебания переменного тока, также ее называют глубиной скин-слоя.
При больших частотах ток практически существует только в тонком поверхностном слое, что приводит к увеличению удельного сопротивления проводника, в результате чего можно преобразовать большую часть энергии высокочастотной электромагнитной волны в тепло. Скин-эффект вызывает предварительное оплавление прослойки льда, что облегчает последующее отделение после встряски при вибрационном методе избавления проводов от гололеда.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод о возможном повышении надежности электроснабжения при своевременном проведении плавки гололеда с применением скин-эффекта.
1.Санакулов А.Х. Проблемы обледенения электрических и контактных сетей // Социально-экономические и технические системы: исследование, проектирование, оптимизация, 2016. — № 2. — С. 34-51.
2.Коржова О.Н. Плавка гололеда на линиях электропередачи как способ увеличения надежности электроснабжения // Вестник магистратуры. — 2020. — № 8.
3.Что такое скин-эффект и где его используют на практике // https://zen.yandex.ru/media/energofiksik. Дата обращения 27.01.2020.
КОРЖОВА ОЛЬГА НИКОЛАЕВНА — магистрант, Амурский государственный университет, Россия.
Что такое скин эффект в электричестве
Толщина скин-слоя зависит от частоты, удельного электрического сопротивления материала и его магнитной проницаемости. Ярко выраженное изменение толщины скин-слоя происходит при нагреве сплавов на основе железа в сечении заготовки при переходе точки Кюри: толщина скин-слоя при этом увеличивается на порядок, визуально наблюдается утолщение области нагрева.
Поверхностный эффект имеет огромное значение в индукционном нагреве, поскольку с его помощью можно концентрировать выделение тепловой энергии в поверхности заготовки.
Это связано с тем, что нагрев производится вихревыми переменными токами внутри детали, которые протекают также, как и в рассмотренном проводнике, во внешних слоях материала. Это широко используется, например, при поверхностной закалке, когда закаливается только поверхность детали, не изменяя металл в глубине. Для многих задач именно поверхности требуют особой твердости материала.
Использование высоких частот для объемного нагрева возможно, однако в этом случае, поскольку энергия выделяется в тонком слое, нагрев более глубоких зон будет производится только за счет теплопроводности металла, что увеличивает длительность нагрева и снижает ее равномерность.
Таким образом, для глубинного равномерного нагрева крупных стальных заготовок следует использовать более низкие частоты, в то время как для нагрева небольших деталей, поверхностной закалки или для нагрева немагнитных металлов необходимы установки с более высокими рабочими частотами.
Что такое скин-эффект и где он применяется на практике
Скин-эффект представляет собой электромагнитное явление, которое означает, что на высокой частоте, электрический ток циркулирует только на поверхности проводников. Это явление электромагнитного происхождения существует для всех проводников, через которые проходят переменные токи. Это вызывает уменьшение плотности тока по мере удаления от периферии проводника.
Итак, скин-эффект заключается в возникновении переменных токов, текущих только у поверхности проводника. Глубина проникания токов, выражается математически как
где f — частота изменения поля; μ — магнитная проницаемость; с — удельная электрическая проводимость и к — константа.
Чем выше частота тока, или больше скорость его изменения во времени, тем сильнее проявляется скин-эффект.
При микроволновых частотах токи текут в тонком поверхностном слое проводника, проникая на глубину, не превышающую нескольких межмолекулярных расстояний (магнитное поле внутри проводника отсутвует).
Скин-эффект приводит к уменьшению действующего сечения проводника и, как следствие, к увеличению сопротивления проводника, индуктивность проводника при этом уменьшается.
Распределение плотности тока в твердом проводнике при прохождении по нему: а) постоянного ток и б) переменного тока
Объяснение поверхностного эффекта
Электроны, движущиеся у поверхности проводника и вносящие свой вклад в электрический ток, подвержены действию магнитного потока от других движущихся электронов в меньшей степени, чем те электроны, которые находятся в проводнике на больших глубинах.
Это объясняется тем, что поверхностные электроны испытывают влияние соседних электронов только с одной стороны, тогда как глубинные электроны окружены соседними электронами со всех сторон. Поскольку глубинные электроны, участвующие в создании переменного тока, находятся под действием более сильного магнитного поля, к ним приложены большие силы Ленца.
Рассматривая эти условия под иным углом зрения, можно сказать, что глубинные электроны характеризуются большей взаимной индуктивностью по отношению к соседним электронам, чем поверхностные электроны.
Следовательно, для электронов легче изменить свое движение, если они находятся вблизи поверхности проводника, по сравнению с электронами, находящимися глубже.
Поскольку носители всегда выбирают оптимальную траекторию (соответствующую условию минимальной энергии), в данном случае носители, образующие переменный ток, под действием боковых сил Ленца перемещаются наружу, в область минимальной взаимной индукции, т. е. к поверхности проводника.
Градиент индуктивности внутри проводящего тела обусловливает изменение фазового угла вдоль поперечного сечения тела. Не исключается даже возможность противоположных направлений движения электронов в разных частях одного и того же тела.
Эквивалентная толщина проводящего слоя δ (а также глубина скин-слоя) и фактическое распределение тока в поперечном сечении проводника
Аналогичные явления наблюдаются при возникновении эффекта близости, в основе которого лежит перераспределение носителей, обусловливающих переменный ток, при сближении двух проводников.
Носители заряда, движущиеся в одном из проводников, создают силы, воздействующие на носители в другом проводнике, расположенном поблизости. В результате этого носители заряда в каждом из проводников перемещаются в положение, соответствующее минимуму взаимной индуктивности.
Как скин-эффект, так и эффект близости приводят к перераспределению носителей, эквивалентному уменьшению площади поперечного сечения проводника, через которое течет ток. Следствием этого является увеличение сопротивления проводника, причем сопротивление будет тем больше, чем выше частота переменного тока.
Применение поверхностного эффетка на практике
Снижение действия скин-эффекта в линиях электропередачи с расщепленными фазами:
На ВЛ напряжением 330 кВ и выше фазный провод составляется из нескольких проводов, подвешенных параллельно на некотором расстоянии друг от друга. Такие фазные провода называются расщепленными. Одиночный провод, использующий такое же количество металла на километр, будет иметь более высокие потери из-за скин-эффекта.
В пролетах на линиях электропередачи с расщепленными фазами применяют дистанционные распорки, которые предотвращают схлестывание, соударения и закручивание отдельных проводов фаз.
Также на благодаря скин-эффекту по воздушным линиям электропередачи организовывают передачу высокочастотных сигналов для работы систем телемеханики и связи (такие системы позволяют управлять оборудованием входящим в электрические сети на большом расстоянии).
Эти сигналы передаются на высоких частотах и, соответственно, идут по поверхности провода, а основная передача электроэнергии происходит на низкой частоте (50Гц) по внутренней части провода.
В современной технике сверхвысоких частот многие детали (волноводы, коаксиальные линии) покрывают тонким, хорошо проводящим слоем серебра, так как их сопротивление практически обусловлено только поверхностным слоем.
Промышленная индукционная закалка:
Скин-эффект используется в работе индукционных закалочных установок, для того что бы можно было нагревать металл на нужную глубину. Этого добиваются путем регулирования частоты напряжения на индукторе (чем больше частота — тем меньший слой металла при закалке будет нагрет).
Эта статья предоставлена сайтом «Школа для электрика». Другие электрические и магнитные эффекты подробно и в доступном для понимания изложении рассмотрены здесь: Электрические эффекты и явления
- Основные понятия электротехники, термины и определения
- Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления
- Воздушные линии электропередачи: типы линий, классификация опор, фундаменты, провода и тросы
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам
Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика
Поделитесь этой статьей с друзьями:
Скин-эффект в проводнике
Довольно часто при изготовлении высокодобротной катушки индуктивности либо мощного импульсного трансформатора разработчик сталкивается с тем, что практические результаты существенно не совпадают с проведёнными расчётами.
Давайте разберёмся – а из-за чего, собственно говоря, такое может происходить?
При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется магнитный поток (В), силовые линии которого перпендикулярны оси проводника.
Рис.1 Скин-эффект в проводнике
За счёт электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (Е), причём на поверхности проводника вектор напряжённости электрического поля направлен по направлению тока проводника, а внутри проводника – противоположно (Рис.1).
Именно это явление и получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Приведём формулировку:
Скин-эффект или поверхностный эффект – это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн, а соответственно, и тока в зависимости от степени их проникновения внутрь среды проводника. А это означает то, что переменный электрический ток циркулирует по большей части в области поверхности провода, причём глубина его проникновения внутрь проводника тем больше, чем ниже частота протекающего тока. При постоянном протекающем токе скин-эффект сходит на нет и никак себя не проявляет.
Рассмотрим это явление в виде поясняющих картинок:
Рис.2 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике и
зависимость глубины проникновения от частоты
Распределение тока внутри проводника имеет экспоненциальный характер, поэтому в первом приближении можно считать, что электрический ток имеет относительно равномерную зависимость только в поверхностном слое, называемым скин-слоем, а в остальном сечении настолько мал, что им можно пренебречь.
Толщина скин-слоя (обозначается δ или Δ) – это глубина, на которой плотность тока внутри проводника уменьшается в е = 2,71828 раз (до 37% от поверхностной). Численно эта величина равна:
, где
с – это скорость света: 299 792 458 м/с,
ε0 – электрическая постоянная 8,85419⋅10 −12 Ф/м,
ρ – удельное сопротивление проводника,
ω = 2πf – круговая (циклическая) частота,
μr – относительная магнитная проницаемость, которая для всех диамагнетиков и парамагнетиков, таких как: алюминий, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото и т. д., с точностью до трёх знаков после запятой равна 1.
Для проверки формул приведём онлайн калькулятор по расчёту толщины скин-слоя, но для начала:
Таблица значений удельного сопротивления некоторых металлов
| Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м | Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м | Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м |
| Медь | 0,0172. 0,018 | Серебро | 0,015. 0,0162 | Нихром | 1,05. 1,4 |
| Алюминий | 0,026. 0,0295 | Платина | 0,107 | Латунь | 0,025. 0,108 |
| Сталь | 0,103. 0,137 | Цинк | 0,059 | Бронза | 0,095. 0,1 |
| Олово | 0,12 | Железо | 0,098 | Золото | 0,023 |
| Свинец | 0,217. 0,227 | Никель | 0,087 | Вольфрам | 0,053. 0,055 |
А теперь: Онлайн расчёт толщины скин-слоя
Определение изменённого (по сравнению с постоянным током) значения сопротивления проводника, работающего в условиях протекания по нему переменного тока, дело куда более сложное, чем расчёт толщины скин-слоя. Большинство отечественных источников отсылает нас к функциям Бесселя и уравнениям Максвелла. Однако, как и во многих других случаях, на помощь приходят зарубежные источники, которые приводят простой и наглядный график отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса круглого провода к глубине скин-слоя:
Рис.3 Зависимость отношения сопротивления круглого проводника переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса к глубине скин-слоя
Если задаться сопротивлением проводника постоянному току, которое можно легко рассчитать по формуле R = ρ*l/S или на калькуляторе на странице [ссылка на страницу], а также глубиной скин-эффекта, то приведённый график позволит без всяких уравнений Бесселя и Максвелла найти искомое сопротивление переменному току.
Методом аппроксимации данный график можно описать функциями и для удобства дополнить его онлайн калькулятором.
Онлайн расчёт отношения сопротивлений провода постоянному и переменному току
 |
 |
Скин-эффект в проводнике
Что такое скин-эффект и как он влияет на сопротивление провода? Онлайн калькуляторы расчёта глубины скин-эффекта, а также сопротивления проводника с учётом поверхностного эффекта
Довольно часто при изготовлении высокодобротной катушки индуктивности либо мощного импульсного трансформатора разработчик сталкивается с тем, что практические результаты существенно не совпадают с проведёнными расчётами.
Давайте разберёмся – а из-за чего, собственно говоря, такое может происходить?
При протекании переменного тока по проводнику вокруг него и внутри образуется магнитный поток (В), силовые линии которого перпендикулярны оси проводника.
Рис.1 Скин-эффект в проводнике
За счёт электромагнитной индукции переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле (Е), причём на поверхности проводника вектор напряжённости электрического поля направлен по направлению тока проводника, а внутри проводника – противоположно (Рис.1).
Именно это явление и получило название поверхностного эффекта или скин-эффекта. Приведём формулировку:
Скин-эффект или поверхностный эффект – это эффект уменьшения амплитуды электромагнитных волн, а соответственно, и тока в зависимости от степени их проникновения внутрь среды проводника. А это означает то, что переменный электрический ток циркулирует по большей части в области поверхности провода, причём глубина его проникновения внутрь проводника тем больше, чем ниже частота протекающего тока. При постоянном протекающем токе скин-эффект сходит на нет и никак себя не проявляет.
Рассмотрим это явление в виде поясняющих картинок:
Рис.2 Распределение плотности тока в цилиндрическом проводнике и
зависимость глубины проникновения от частоты
Распределение тока внутри проводника имеет экспоненциальный характер, поэтому в первом приближении можно считать, что электрический ток имеет относительно равномерную зависимость только в поверхностном слое, называемым скин-слоем, а в остальном сечении настолько мал, что им можно пренебречь.
Толщина скин-слоя (обозначается δ или Δ) – это глубина, на которой плотность тока внутри проводника уменьшается в е = 2,71828 раз (до 37% от поверхностной). Численно эта величина равна:
, где
с – это скорость света: 299 792 458 м/с,
ε0 – электрическая постоянная 8,85419⋅10 −12 Ф/м,
ρ – удельное сопротивление проводника,
ω = 2πf – круговая (циклическая) частота,
μr – относительная магнитная проницаемость, которая для всех диамагнетиков и парамагнетиков, таких как: алюминий, медь, олово, свинец, цинк, серебро, золото и т. д., с точностью до трёх знаков после запятой равна 1.
Для проверки формул приведём онлайн калькулятор по расчёту толщины скин-слоя, но для начала:
Таблица значений удельного сопротивления некоторых металлов
| Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м | Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м | Металл | Удельное сопротивл. Ом*мм 2 /м |
| Медь | 0,0172. 0,018 | Серебро | 0,015. 0,0162 | Нихром | 1,05. 1,4 |
| Алюминий | 0,026. 0,0295 | Платина | 0,107 | Латунь | 0,025. 0,108 |
| Сталь | 0,103. 0,137 | Цинк | 0,059 | Бронза | 0,095. 0,1 |
| Олово | 0,12 | Железо | 0,098 | Золото | 0,023 |
| Свинец | 0,217. 0,227 | Никель | 0,087 | Вольфрам | 0,053. 0,055 |
А теперь: Онлайн расчёт толщины скин-слоя
Определение изменённого (по сравнению с постоянным током) значения сопротивления проводника, работающего в условиях протекания по нему переменного тока, дело куда более сложное, чем расчёт толщины скин-слоя. Большинство отечественных источников отсылает нас к функциям Бесселя и уравнениям Максвелла. Однако, как и во многих других случаях, на помощь приходят зарубежные источники, которые приводят простой и наглядный график отношения сопротивления переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса круглого провода к глубине скин-слоя:
Рис.3 Зависимость отношения сопротивления круглого проводника переменному току к сопротивлению постоянному току в зависимости от отношения радиуса к глубине скин-слоя
Если задаться сопротивлением проводника постоянному току, которое можно легко рассчитать по формуле R = ρ*l/S или на калькуляторе на странице [ссылка на страницу], а также глубиной скин-эффекта, то приведённый график позволит без всяких уравнений Бесселя и Максвелла найти искомое сопротивление переменному току.
Методом аппроксимации данный график можно описать функциями и для удобства дополнить его онлайн калькулятором.
Онлайн расчёт отношения сопротивлений провода постоянному и переменному току