趋肤效应原理及对电缆载流量的影响
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- 发布时间：2015/5/25 16:25:05
- 作者：cls_yinhe
一什么是趋肤效应
“趋肤效应”又叫“集肤效应”，是交变电流在导体中传输时，电子聚集于导体表层，而非均匀于导体中传输。趋肤效应对电缆载流量影响与电流的频率和导体的截面形状有关。
二趋肤效应简介
图1-1趋肤效应电荷分布图
直流电流流过导体时，电流在导体的载流截面上是均匀分布的，导体对电流的阻碍作用即是所谓的直流电阻。直流不会产生趋肤效应。
交流电流流过导体时，电流方向是交替变化的，电流在导体中所产生的交变磁场对电荷的推斥作用力，迫使电流电荷向导体的表面集中，使得导体的实际有效载流面积减小。
三趋肤深度
电流离开导体载流面中心向表面集中的程度，可以用趋肤效应深度来衡量。
趋肤效应深度可以表达为：
式中，f是电流的频率（Hz）， k 是常数：
式中
μr -- 导体材料的相对导磁率（铜和其他非磁材料 μr = 1）
ρ -- 导体材料的电阻率
ρc -- 铜材的电阻率（20℃时，ρc = 0.01749Ω-m/1mm2）
对铜而言，k = 1 。
由上可知，导线的电阻和材料的电阻率(ρ)，导线的长度( L)，有效载流截面面积( S )，所传送电流的频率( f )，以及导体的自身温度( T )有关。
趋肤效应的定量分析
交流电流所引起电流趋肤效应，其电流集中在沿表面向内的一个圆环形区，环形的外沿是导线的外周，环形的宽度为趋肤效应的深度（注意，当趋肤深度大于导线半径时，计算无意义）。
圆环形的面积可用下式计算：
式中
Sf -- 趋肤效应载流环形的面积( mm2 )
D -- 圆线的直径( mm )
d -- 趋肤效应深度( mm )
k -- 常数( 同前 )
f -- 电流频率( Hz )
图1-2 圆形导线趋肤深度小于半径时的电流分布
一般情况下，认为电流在此由趋肤效应形成的环形内是基本均匀分布的，则导线的电阻为：
例如，对直径D=1.2mm，长度L=10m，电流频率 f = 50kHz的圆铜线，其在20℃时的交流趋肤高频电阻为：
趋肤效应与电流频率紧密相关。当圆铜线上通过一组不同频率的电流时，每组电流的损耗和总损耗的计算如下：
导线直径D： 3.20 mm
并联的股数N： 2
每根线的长度L：20.00m
可以看到，随着频率的提升，总实效载流面积将会随之降低。
在铜质导线中，趋肤深度和频率的关系大致如下：
| 频率(Hz) |
60 |
1,000 |
3,000 |
5,000 |
10,000 |
20,000 |
50,000 |
100,000 |
| 趋肤深度(mm) |
8.5 |
2.09 |
1.206 |
0.935 |
0.661 |
0.467 |
0.296 |
0.209 |
四降低趋肤效应的措施
对于既定的电信号，降低趋肤效应有三种针对措施：
1、用扁状导线
2、用多股细线并联
3、用管状导体
4、外镀高导电材料
这些方式都能在同等用材下最大限度降低趋肤效应，提升载流量。
五趋肤效应案例
利兹线采用将多条金属导线相互缠绕的方法，使得电磁场能够比较均匀地分布，这样各导线上的电流分布就会较为平均。使用利兹线后，产生显著趋肤效应的频率可以从数千赫兹提高到数兆赫兹。利兹线一般应用在高频交流电的传输中，可以同时减缓趋肤效应和邻近效应。
高电压大电流的架空电力线路通常使用钢芯铝绞线，这样能使铝质部分的工作部分温度降低，减低电阻率，并且由于趋肤效应，电阻率较大的钢芯上承载极少的电流，因而无关紧要。
将实心导线换成空心导线管，中间补上绝缘材料的方法，这样可以减轻导线的重量。
在传输的频率在甚高频或微波级别时，一般会使用镀银（已知的除超导体外最好的导体）的导线，因为这时趋肤深度如此之浅，以至于更厚的银层已经是浪费了。
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