Поверхностный (скин-эффект) в проводнике

Что такое скин эффект?

Если вы не сильны в английском, то skin (скин) переводится как кожа, или в данном случае скорее слой. В отечественной литературе скин-эффект называют поверхностным эффектом.

Проще говоря, скин-эффект заключается в том, что переменный ток, проходя по проводнику, смещается к поверхности проводника с возрастающей частотой.

Чем выше частота сигнала F, тем сильнее он смещен к поверхности и тем тоньше слой, через который он протекает. Этот слой называется кожным слоем. Красная область на рисунке — это область, по которой сигнал не проходит

 

Это приводит к тому, что скорость потока сигнала на разных частотах различна. Происходит это потому, что для разных частот используется разная площадь сечения проводника, а разная площадь — разное сопротивление. Все это приводит к появлению фазовых искажений в сигнале.

Объяснение поверхностного эффекта

Следует подчеркнуть, что плотность тока одинакова при подключении проводника к источнику тока с постоянным напряжением. Однако ситуация меняется по мере прохождения волнового сигнала

Физическая картина возникновения

Чтобы объяснить причины явления, вы можете использовать вторую часть пояснительного изображения выше. В графическом виде показаны силовые воздействия, образованные переменным полем. Электрическая составляющая (Е) направлена ​​противоположно току (I), что объясняет результирующее сопротивление и соответствующее уменьшение амплитуды.

По мере приближения к поверхности будет проявляться обратный эффект. Это вызвано хаотичностью векторов напряжений.

Уравнение, описывающее скин-эффект

Чтобы выразить амплитуду через плотность тока, определяющие соотношения выводятся из классических уравнений закона Ома и формул Максвелла. Разность за заданный интервал времени можно использовать для расчета значений магнитной и электрической составляющих поля. В упрощенном виде рассмотрим бесконечно проводящий образец из однородного материала.

Ф ормула определения частоты среза диаметра проводника

Энергетика и электротехника

При практических расчетах пренебрегают отдельными незначительными факторами. Например, для определения частоты среза (Fcp) схема радиоустройства рассчитывается по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляется важнейшее свойство конкретного материала – удельное сопротивление (Rу) или электропроводность (Sу). Зависимость отмеченных параметров представлена ​​следующим выражением:

Fср = 4/(π*μ*Sу*D2),

где μ — постоянная величина (μ = 4* Su*10-7 Генри на метр).

Особенности распределения тока

Чтобы наглядно представить, как распределяется ток в проводнике круглого сечения, достаточно изучить рисунок ниже.

На нем хорошо видно, что на некоторой глубине ближе к центру провода тока либо нет вообще, либо величина настолько мала, что ею можно пренебречь.

Из этого следует ряд интересных выводов, а именно:

• при вырезании из тела проводника его центральной части, по которой ток практически не протекает, условия движения зарядов не меняются;
• если сделать медный провод полым (без жилы) — его электропроводные свойства останутся прежними, а стоимость значительно снизится;
• показатель проводимости останется прежним, изменятся только индуктивность и емкость.

Из полученных результатов следует, что комплексное сопротивление любого проводника зависит не только от материала, из которого он изготовлен, но и от частоты протекающего тока. При больших значениях этого показателя почти все заряды начнут двигаться по поверхности (внешней границе) провода, то есть будут иметь непосредственный контакт с внешней средой.

Назначение скин-системы

Индуктивно-резистивная система (СКИН-ЭФФЕКТ) предназначена для поддержания температуры продукта, защиты его от замерзания и пускового подогрева протяженных магистральных трубопроводов.

СКИН-ЭФФЕКТ – единственная система, позволяющая обогревать участок трубопровода протяженностью до 30 км с электроснабжением с одного конца, без сопутствующей сети, а также наиболее эффективное и экономичное решение для обогрева магистральных трубопроводов неограниченной протяженности с присоединенной питающей сетью.

Принцип действия СКИН-ЭФФЕКТА

SKIN SYSTEM использует специальные нагревательные элементы, использующие явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках из ферромагнитных материалов при переменном токе промышленной частоты.

Нагревательный элемент представляет собой трубку из низкоуглеродистой стали наружным диаметром 20–60 мм и толщиной стенки не менее 2 мм, внутри которой находится проводник из немагнитного материала (медь или алюминий) с крестом участок 25–50 кв.м.

Проводник на конце нагревательного рукава надежно соединен со стальной трубой, а в начале рукава между трубой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из требуемой тепловой мощности и длина участка нагрева.

Переменный ток течет по всему сечению внутреннего проводника, так как при промышленной частоте в немагнитном материале с хорошей проводимостью нет заметного поверхностного эффекта. В ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубе) выражен скин-эффект и весь ток протекает через внутренний слой трубы толщиной ок. 1 мм, а потенциал внешней поверхности трубки остается практически нулевым. Из-за малой толщины скин-слоя основное тепловыделение (до 80 %) происходит в стальной трубе.

Комплексная система

Система СКИН поставляется и устанавливается в полном комплекте, включающем:
— элементы системы отопления
– система контроля и управления
– система электроснабжения

Система электроснабжения выполняется в виде комплектной трансформаторной подстанции (КТП), включающей в себя распределительные ячейки по высокой и низкой стороне, специализированный симметрирующий трансформатор. ПТС размещается в специализированном обогреваемом и освещаемом контейнере. Кроме того, возможно оснащение КТП пожарной сигнализацией и системой охлаждения.

Топливный элемент: труба из мягкой стали диаметром 20-60 мм с толщиной стенки 3-4 мм
Токопроводящая жила: специальная жила, устойчивая к высокому напряжению (до 5 кВ), термическим нагрузкам (до 200°C) и механическим нагрузкам при монтаже

Расчетное распределение температуры
Пример обогрева теплоизолированного трубопровода двумя ТЭНами в системе с суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, окружающий воздух = -35°C.

Эффективность SKIN SYSTEM по сравнению с другими типами обогревателей

План электроснабжения участка трубопровода, обогреваемого СКИН-эффектом

Детали сертификации
Сертификат соответствия на систему электрообогрева ИРСН-15000 № РОСС RU.ГБ05.В02387. Разрешение Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № РРС 00-31340 на применение взрывозащищенной системы электрообогрева ИРСН-15000. Сертификация по другим национальным стандартам доступна по запросу.

Преимущества скин-эффекта

1. Большая длина обогреваемой части трубопровода. Это связано с тем, что токонесущий проводник большого сечения избавлен от функции отвода тепла и фактически выполняет функцию встроенной сопутствующей цепи.
2. Запрос с одного конца. По самой своей природе конструкция SKIN SYSTEM рассчитана на подачу энергии с одного конца обогреваемой площади.
3. Электрическая безопасность. Внешняя поверхность топливного элемента находится под нулевым потенциалом относительно земли, она заземлена и полностью экранирует токоведущий проводник внутри.
4. Хороший тепловой контакт. Металлический твэл непосредственно приваривается к трубопроводу или крепится к нему с помощью специальных элементов.
5. Простая установка. Тепловыделяющие элементы не имеют внешней электроизоляции, которую можно повредить при монтаже.
6. Надежный. Прочные твэлы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токопроводов от повреждений. Это важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой.

В зависимости от требуемой тепловой мощности и длины трубопровода скин-система может состоять из одного, двух или трех нагревательных элементов.

Читайте также: Главная заземляющая шина – предназначение, устройство, монтаж

Глубина проникновения

Конденсатор 2а104ж

Аналогичным образом в упрощенном виде можно вычислить критическое расстояние от поверхности. Понятно, что в соответствующем диапазоне плотность тока падает до наименьшего значимого значения (-8,69 дБ, по сравнению с номинальным значением). Этот параметр (Dpr) называется глубиной проникновения. Для расчетов используется формула:

Dpr = √(Sу/(π*µ*f)), где f – частота сигнала.

Толщина скин-слоя

Линии электропередач – характеристики и классификация

Из определения, рассмотренного в предыдущем разделе, понятна обратная зависимость плотности тока от частоты сигнала. В следующей таблице визуально показан «активный» слой медного проводника. При многократном снижении потока энергии по глубине на определенном уровне нецелесообразно использовать толстые ЛЭП.

Частота сигнала, Гц	50	60	10 000	100 000	1 000 000
Толщина слоя кожи и т.д.	9.34	8,53	0,66	0,21	0,067

Первые два столбца показывают значения для стандартной сети переменного тока. Эти данные показывают, что относительно небольшое изменение частоты (10 Гц) делает бесполезным проводник (медь) диаметром 1,62 мм. Нетрудно подсчитать существенную экономию при построении длинной линии после соответствующей оптимизации параметров сигнала.

Не следует забывать, что каждый металл отличается глубиной эффективного слоя. Какой вариант выбрать, станет ясно после тщательного изучения целевого назначения конструкции.

Аномальный скин-эффект

Тщательное изучение явления приводит к нескольким важным выводам. Как показано на конкретных примерах, скин-слой имеет небольшую глубину. Однако соответствующее расстояние намного меньше длины свободного пробега заряженных частиц.

Не следует забывать, что на соответствующее движение необходимо затратить определенное количество энергии. Преодоление электрического сопротивления материала сопровождается нагревом.

При понижении температуры проводимость увеличивается. При этом свободный пробег увеличится, а толщина рассматриваемой части проводника уменьшится. На определенном уровне стандартный механизм волновых взаимодействий станет незначительным. Аномальный скин-эффект представляет собой изменение размера слоя, где плотность тока достаточно высока для практического использования.

Применение

Скин-эффект позволяет обеспечить локальный нагрев части проводника при пропускании переменного тока. Этот принцип используется для обогрева трубопровода зимой. Правильное использование техники влечет за собой следующие преимущества:

• отсутствие сопутствующих контрольно-функциональных устройств;
• практически неограниченная длина пути;
• безопасное применение высоких температур.

Частотное распределение плотности тока используется для передачи информационных сигналов по линиям электропередач. При достаточном уменьшении длины волны близость к центральной части проводника не будет препятствием.

Модулированная микроволновая составляющая проходит через поверхностный слой. Для создания пакетов данных и расшифровки используются специальные устройства кодирования (декодирования.

К вашему сведению. Аналогичные механизмы используются в нефтяной промышленности для оценки продуктивности скважин. Скин-фактор определяет сопротивление движению жидкости в зоне пласта вблизи технологической скважины. По этому параметру производится оценка реального объема производства по сравнению с идеальными условиями.

Учёт эффекта в технике и борьба с ним

Это явление оказывает заметное влияние при увеличении частоты сигнала. Скин-эффект следует учитывать при проектировании цепей с переменным током (импульсным). В частности, вносят поправку в расчет катушки фильтра, колебательного контура, трансформатора.

Типичные пути решения выявленных проблем:

• уменьшение толщины проводника;
• создание пустотелых конструкций;
• формирование поверхностного слоя металла с лучшей проводимостью;
• устранение неровностей;
• плетение из нескольких изолированных стержней.

К вашему сведению. Радикальное устранение вредных явлений организуют посредством передачи электроэнергии постоянным током.

Способы подавления скин эффекта

Эти приемы особенно важны при работе с высокочастотными радиосигналами. Специально для улучшения проводимости поверхностный слой выполнен из серебра, платины и других драгоценных металлов. На практике при создании качественной аудиоаппаратуры используются следующие рекомендации:

• для передачи сигналов используются тонкие (0,25-0,35 мм) жилы;
• оплетка кабеля исключает значительные искажения силовых линий магнитного поля;
• надежная изоляция предотвращает окисление меди;
• проверьте наличие поблизости других линий, которые могут создавать вредные взаимные помехи.

Волоконно-оптическая линия связи

При переключении на микроволновый диапазон сигналы передаются по волноводам. Устранить возможные негативные проявления за счет передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.