РОЗПОДІЛ струму по перетину ШИН З КОЛЬОРОВОГО МЕТАЛУ
а) Поверхневий ефект
Сутність поверхневого ефекту полягає в тому, що під впливом ряду факторів змінний струм по перетину провідника розподіляється нерівномірно, зміщуючись до поверхневих шарів. Постійний струм, якщо не враховувати різної температури в окремих шарах провідника, розподіляється по його перетину рівномірно. Нерівномірний розподіл змінного струму по перетину провідника викликає неповне використання цього перетину, чому опір його як би зростає в порівнянні з опором цього ж провідника постійного струму. Якщо прийняти опір провідника будь-якої конкретної форми постійному струму за одиницю, то опір цього ж провідника змінному струмі буде дещо більшим:
У практиці величину називають провідникові, а величину - активним опором провідника.
Розглянемо трохи докладніше питання про фізичної сутності поверхневого ефекту на прикладі найбільш простого (круглого) провідника (рис. 10-1). Навколо провідника і всередині нього близько геометричній осі, зображеної на рис. 10-1 хрестиком, як перетин провідника, так і простір за його межами можна розділити на ряд циліндричних шарів, паралельних осі провідника. Чим ближче шар до осі провідника, тим з більшим числом індукційних ліній він зчеплений. При зміні струму, що проходить через провідник, змінюється і магнітне поле. У шарах провідника це поле наводить е. д. з, протидіє зміні струму. Ця протидія тим більше, чим більше наведена е. д. з, т. е. чим більше індукційних ліній має зчеплення з даним шаром, а отже, тим більше, чим ближче шар до осі провідника. Таким чином, поверхневі шари провідника мають менші е. д. з, які протидіють змінюється теку, а серцеподібні шари, що лежать близько осі провідника, мають великі е. д. з, які протидіють току провідника, внаслідок чого відбувається витіснення струму до периферії провідника. Це і є поверхневий ефект.
Мал. 10-1. Картина магнітного поля в площині поперечного перерізу відокремленого провідника зі струмом.
Мал. 10-2. Розподіл поверхневої густини струму по периметру прямокутної шини. а - при частоті f = 50 Гц; б - при високій частоті.
Поверхневий ефект посилюється зі зростанням частоти. На рис. 10-2, а показано розподіл поверхонь щільності струму по периметру прямокутної шини при частоті 50 Гц, а на рис. 10-2, б - при частоті 300-400 Гц. На поверхневий ефект впливають геометричні розміри шинопровода, магнітна проникність матеріалу середовища та шинопровода і питома провідність матеріалу шинопровода. Магнітна проникність впливає па магнітне поле шинопровода. Зміна геометричних розмірів, наприклад збільшення їх, тягне за собою збільшення різниці в зчепленні індукційних ліній внутрішніх і поверхневих шарів і підсилює поверхневий ефект. Підвищення частоти, магнітної проникності і питомої провідності збільшує значення наводяться в шарах е. д. з, протидіючих проходить по ним струму. У граничному випадку, коли. весь струм сконцентрувався б в нескінченно тонкому поверхневому шарі шинопровода, т. е. розмістився б по периметру його. Близька до цього картина має місце в сталевих шинопроводах, коли вибір розмірів шин виробляють по лінійної щільності струму (по периметру поперечного перерізу шин). Поверхневий ефект оцінюють коефіцієнтом:
Для визначення існують формули, проте вони складні і користуватися ними для розрахунків недоцільно.
У практиці для спрощення розрахунків коефіцієнт поверхневого ефекту знаходиться з номограм. Наприклад, для круглих і трубчастих шин номограми представлені на рис. 10-3 і 10-4.
Мал. 10-3. Криві залежності для трубчастих шин від відносини
(F - частота мережі, Гц;
- опір трубчастої шини довжиною 1 м постійному струму, Ом)
Мал. 10-4 Крива залежності величини для шин круглого перетину від параметра
(F - частота струму, Гц; - опір 1 м шини постійного струму, Ом).
На рис. 10-3 дані криві залежності для трубчастих шин від відносини. де d - зовнішній діаметр труби, мм; - товщина стінок труби, мм; f - частота струму, Гц; - опір шини довжиною 1 м постійному струму, Ом / м.
Для шин круглого перетину визначається по кривій на рис. 10-4 в залежності від параметра
Для величину можна приймати на рівні 1,1 як для круглих, так і для прямокутних шин.
Для більш повного використання перетину провідника при змінному струмі, поліпшення умов охолодження, а також з конструктивних міркувань алюмінієві і мідні шини всіх форм і розмірів, як правило, виготовляють товщиною не більше 10-12 мм. При токах, що перевершують межа, допустимий для однієї шини, застосовують пакет з декількох шин.
б) Ефект близькості
При декількох провідниках, розташованих близько, їх магнітні поля впливають один на одного і в них відбувається перерозподіл струму по перетину. Якщо струми в провідниках спрямовані однаково (рис. 10-5, а), найбільша щільність струму буде в найбільш віддалених одна від одної частинах перетинів; при різних напрямках струмів (рис. 10-5, б) найбільша щільність струму виходить в найбільш близьких один до одного частинах перерізівпровідників.
Мал. 10-5. Картина магнітного поля в площині поперечного перерізу двох паралельних провідників.
а - струми в провідниках мають однаковий напрямок: б-токі в провідниках мають різне спрямування.
Області найбільшої щільності струму відзначені на рис. 10-5 жирними лініями. Це явище перерозподілу струму в провіднику при наявності поблизу нього інших провідників зі струмом отримало назву ефекту близькості. Викликається цим ефектом перерозподіл струму по перетину проводів може збільшувати або зменшувати втрати енергії в них, що характеризується коефіцієнтом ефекту близькості. Якщо коефіцієнт поверхневого ефекту завжди більше одиниці, то коефіцієнт ефекту близькості може бути як більше, так і менше одиниці; інакше кажучи, ефект близькості може як збільшувати, так і зменшувати загальну нерівномірність розподілу струму по перетину, внаслідок чого активний опір провідника збільшується або зменшується в порівнянні з опором змінному струмі відокремленого провідника. Для круглих перетинів коефіцієнт ефекту близькості завжди більше одиниці. Для прямокутних перетинів провідників величина залежить від взаємного розташування провідників. Оптимальними для зменшення активного опору є відстані між шинами, рівні приблизно товщині шини. При відстані між фазами більша 8-10-кратного розміру шин вплив ефекту близькості на Токораспределение по перетину провідників незначно і з ним можна не рахуватися.
У практиці розрахунків явище поверхневого ефекту і ефекту близькості враховується спільно за допомогою коефіцієнта додаткових втрат:
Для оцінки можна користуватися таблицею знизу. У ній для деяких розмірів шин, їх числа і розташування дані коефіцієнти додаткових втрат. Крім того, для шин трубчастого перетину можна визначити по кривим на рис. 10-6 в залежності від параметра. а для пакета з шин коробчатого перетину - по кривим на рис. 10-7.
Мал. 10-6. Криві залежності для провідників трубчастого перетину при частоті f-50 Гц від параметра (- опір 1 м труби постійному струму, Ом).
Мал. 10-7. Криві залежності для шин швеллерного профілю при частоті f-50 Гц від параметра (- опір 1 м шини постійного струму, Ом).