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| 交變電流通(tōng)過導線時(shí)，電流在導線橫截面上的(de)分(fēn)布是不均勻的(de)，導體表面的(de)電流密度大(dà)于中心的(de)密度，且交變電流的(de)頻(pín)率越高(gāo)，這(zhè)種趨勢越明(míng)顯，該現象稱爲趨膚效應(skin effiect)，趨膚效應也(yě)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(xià)： 由于導體中交流電流的(de)作用(yòng)，靠近導體表面處的(de)電流密度大(dà)于導體内部電流密度的(de)現象。 注1：随著(zhe)電流頻(pín)率的(de)提高(gāo)，趨膚效應使導體的(de)電阻增大(dà)，電感減小； 注2：在更一般的(de)情況下(xià)，任何随時(shí)間變化(huà)的(de)電流都産生趨膚效應。 與趨膚效應同時(shí)存在的(de)還(hái)有鄰近效應，變頻(pín)器輸出含有豐富的(de)高(gāo)次諧波，高(gāo)次諧波電流将在電機的(de)繞組中産生鄰近效應和(hé)趨膚效應及在鐵芯中産生的(de)諧波渦流損耗和(hé)諧波磁滞損耗不可(kě)忽視。 鄰近效應的(de)原理(lǐ)以及相關研究>>> 一.趨膚效應原理(lǐ) 趨膚效應實際上是渦流的(de)體現，渦流是電磁感應的(de)一種體現方式，但是，某些文獻簡單的(de)認爲，由于電流流過導體時(shí)，導體中心處的(de)磁感應強度大(dà)，因電磁感應産生的(de)感應電動勢大(dà)，根據楞次定理(lǐ)，感應電動勢将阻礙電流的(de)變化(huà)，這(zhè)種說法是錯誤的(de)。 以截面爲圓形的(de)長(cháng)直導線爲例，其磁場(chǎng)分(fēn)布如下(xià)圖1所示。  圖1、截面積爲圓形的(de)長(cháng)直導線内部磁場(chǎng)分(fēn)布圖
根據安培環路定理(lǐ)，磁場(chǎng)強度H沿閉合回路的(de)線積分(fēn)等于閉合回路包含的(de)電流的(de)代數和(hé)，與閉合回路之外的(de)電流無關。均勻材質的(de)導體中，磁感應強度B與磁場(chǎng)強度成正比，選閉合回路爲圖中所述的(de)各條磁力線，可(kě)知，越靠近導體中心，磁力線包圍的(de)電流越小，在導體軸線上，磁感應強度爲零。
實際上，趨膚效應是渦流效應的(de)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(de)垂直平面形成交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在導體内部産生感應電動勢，感應電動勢在導體内部形成渦流電流i，渦流i的(de)方向在導體内部總與電流I的(de)變化(huà)趨勢相反，阻礙I變化(huà)，渦流i的(de)方向在導體表面總與I的(de)變化(huà)趨勢相同，加強I變化(huà)。在導體内部，等效電阻變大(dà)，而導體表面的(de)等效電阻變小，交變電流趨于在導體表面流動，形成趨膚效應。
趨膚效應使導線通(tōng)過交變電流的(de)有效截面積減小了(le)，導線的(de)電阻增大(dà)了(le)。 趨膚效應下(xià)導體的(de)等效電阻變化(huà)了(le)，這(zhè)個(gè)等效電阻，稱爲交流電阻，交流電阻與電流的(de)頻(pín)率有關，頻(pín)率越高(gāo)，交流電阻越大(dà)。 二.趨膚深度 定義從表面到電流密度下(xià)降到表面電流密度的(de)0.368（即1/e）的(de)厚度爲趨膚深度或穿透深度Δ 式中： μ－導線材料的(de)磁導率； ρ－材料的(de)電阻率； k－材料電導率（或電阻率）溫度系數； 可(kě)見趨膚深度與頻(pín)率的(de)開方成反比，與電阻率的(de)開方成正比。下(xià)表是20℃時(shí)銅的(de)的(de)趨膚深度表。 表1、20℃時(shí)，銅的(de)趨膚深度表：
三.趨膚效應的(de)不利 傳輸交流電流時(shí)，由于趨膚效應的(de)影(yǐng)響，導緻導線的(de)等效電阻增加，損耗增大(dà)。 1、趨膚效應對(duì)于高(gāo)頻(pín)電流的(de)傳輸影(yǐng)響甚大(dà)。對(duì)于傳輸高(gāo)頻(pín)電流的(de)導線，通(tōng)常采用(yòng)下(xià)述方法改善其傳輸性能： a、既然趨膚效應使電流趨于表面流動，那麽，相同截面積的(de)導線，表面積越大(dà)，等效電阻越小，因此，利用(yòng)互相絕緣的(de)多(duō)根細導線代替單根實心導線，可(kě)以改善降低導線的(de)交流電阻。 b、既然趨膚效應使電流趨于表面流動，那麽，将其表面鍍銀或鍍金，降低表面電阻，可(kě)以改善導線的(de)交流電阻。 c、既然趨膚效應使電流趨于表面流動，那麽，将其制作成空心導線，其導電效果與實心導線基本相當，但是，可(kě)以節省材料。 2、對(duì)傳輸工頻(pín)大(dà)電流不利 爲了(le)傳輸更大(dà)的(de)電流，對(duì)于大(dà)電流傳輸，通(tōng)常導體截面積較大(dà)，遠(yuǎn)離表面的(de)中心處，電流密度還(hái)是會明(míng)顯減小，因此，傳輸交流大(dà)電流的(de)導體，通(tōng)常制作成截面積爲長(cháng)方形，而不是圓形或正方形，并且，一般不能太厚，對(duì)于50Hz的(de)工頻(pín)交流電，導體爲銅，其趨膚深度約8mm，這(zhè)樣，對(duì)于厚度大(dà)于16mm的(de)銅排，其中心層電流密度已經很小了(le)，因此，用(yòng)于傳輸工頻(pín)電流的(de)銅排的(de)厚度一般小于12mm。 四.趨膚效應的(de)應用(yòng) 電流流過導體，産生熱(rè)量，趨膚效應使電流趨于表面流動的(de)特性，可(kě)應用(yòng)于金屬表面熱(rè)處理(lǐ)，通(tōng)常稱表面淬火。表面淬火的(de)過程如下(xià)： 在一個(gè)感應線圈中通(tōng)以高(gāo)頻(pín)交流電，線圈内部會産生頻(pín)率相同的(de)高(gāo)頻(pín)交變磁場(chǎng)，或将金屬導體置于交變磁場(chǎng)中，隻要交變磁場(chǎng)足夠大(dà)，頻(pín)率足夠高(gāo)，趨膚效應将導緻導體表面溫度迅速上升至淬火溫度，之後迅速冷(lěng)卻金屬導體，可(kě)使表面硬度增大(dà)。而導體内部的(de)溫度還(hái)遠(yuǎn)低于淬火溫度，在迅速冷(lěng)卻後仍保持韌性。 比如工程實踐中也(yě)有銅包鋁電力電纜，就很好的(de)運用(yòng)了(le)趨膚效應的(de)特點，既減重降低成本，又不影(yǐng)響交流電阻；還(hái)比如多(duō)根導線并繞的(de)高(gāo)頻(pín)變壓器等。 |
