趨膚效應原理及對電纜載流量的影響
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- 發布時間：2015/5/25 16:25:05
- 作者：cls_yinhe
一什么是趨膚效應
“趨膚效應”又叫“集膚效應”，是交變電流在導體中傳輸時，電子聚集于導體表層，而非均勻于導體中傳輸。趨膚效應對電纜載流量影響與電流的頻率和導體的截面形狀有關。
二趨膚效應簡介
圖1-1趨膚效應電荷分布圖
直流電流流過導體時，電流在導體的載流截面上是均勻分布的，導體對電流的阻礙作用即是所謂的直流電阻。直流不會產生趨膚效應。
交流電流流過導體時，電流方向是交替變化的，電流在導體中所產生的交變磁場對電荷的推斥作用力，迫使電流電荷向導體的表面集中，使得導體的實際有效載流面積減小。
三趨膚深度
電流離開導體載流面中心向表面集中的程度，可以用趨膚效應深度來衡量。
趨膚效應深度可以表達為：
式中，f是電流的頻率（Hz）， k 是常數：
式中
μr -- 導體材料的相對導磁率（銅和其他非磁材料 μr = 1）
ρ -- 導體材料的電阻率
ρc -- 銅材的電阻率（20℃時，ρc = 0.01749Ω-m/1mm2）
對銅而言，k = 1 。
由上可知，導線的電阻和材料的電阻率(ρ)，導線的長度( L)，有效載流截面面積( S )，所傳送電流的頻率( f )，以及導體的自身溫度( T )有關。
趨膚效應的定量分析
交流電流所引起電流趨膚效應，其電流集中在沿表面向內的一個圓環形區，環形的外沿是導線的外周，環形的寬度為趨膚效應的深度（注意，當趨膚深度大于導線半徑時，計算無意義）。
圓環形的面積可用下式計算：
式中
Sf -- 趨膚效應載流環形的面積( mm2 )
D -- 圓線的直徑( mm )
d -- 趨膚效應深度( mm )
k -- 常數( 同前 )
f -- 電流頻率( Hz )
圖1-2 圓形導線趨膚深度小于半徑時的電流分布
一般情況下，認為電流在此由趨膚效應形成的環形內是基本均勻分布的，則導線的電阻為：
例如，對直徑D=1.2mm，長度L=10m，電流頻率 f = 50kHz的圓銅線，其在20℃時的交流趨膚高頻電阻為：
趨膚效應與電流頻率緊密相關。當圓銅線上通過一組不同頻率的電流時，每組電流的損耗和總損耗的計算如下：
導線直徑D： 3.20 mm
并聯的股數N： 2
每根線的長度L：20.00m
可以看到，隨著頻率的提升，總實效載流面積將會隨之降低。
在銅質導線中，趨膚深度和頻率的關系大致如下：
| 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 |
四降低趨膚效應的措施
對于既定的電信號，降低趨膚效應有三種針對措施：
1、用扁狀導線
2、用多股細線并聯
3、用管狀導體
4、外鍍高導電材料
這些方式都能在同等用材下最大限度降低趨膚效應，提升載流量。
五趨膚效應案例
利茲線采用將多條金屬導線相互纏繞的方法，使得電磁場能夠比較均勻地分布，這樣各導線上的電流分布就會較為平均。使用利茲線后，產生顯著趨膚效應的頻率可以從數千赫茲提高到數兆赫茲。利茲線一般應用在高頻交流電的傳輸中，可以同時減緩趨膚效應和鄰近效應。
高電壓大電流的架空電力線路通常使用鋼芯鋁絞線，這樣能使鋁質部分的工作部分溫度降低，減低電阻率，并且由于趨膚效應，電阻率較大的鋼芯上承載極少的電流，因而無關緊要。
將實心導線換成空心導線管，中間補上絕緣材料的方法，這樣可以減輕導線的重量。
在傳輸的頻率在甚高頻或微波級別時，一般會使用鍍銀（已知的除超導體外最好的導體）的導線，因為這時趨膚深度如此之淺，以至于更厚的銀層已經是浪費了。
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