Сети для установок повышенной частоты

6-12. СЕТИ ДЛЯ УСТАНОВОК ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ

На промышленных предприятиях наряду с промыш­ленной частотой 50 Гц для питания различных электро­приемников применяются повышенные частоты (до 10 000 Гц включительно) и высокие частоты (более 10000 Гц). При увеличении частоты уменьшается маг­нитная индукция и в связи с этим уменьшаются размеры и масса электрических машин и трансформаторов. Одна­ко электрические сети повышенной частоты имеют зна­чительно большее сечение, чем при частоте 50 Гц, так как при повышении частоты переменного тока резко уве­личивается поверхностный эффект. Вследствие вытеснения тока к наружным частям проводников рабочая часть сечения ограничивается глубиной проникновения электромагнитной волны в металл Z₀, при которой амплитуда ее уменьшается в е раз. Для волны, падающей на плоскую поверхность металла, глубина проникновения

                                                                   (6.-1)

где w = 2pf — угловая частота;  f —- частота, Гц; m — магнитная проницаемость материала проводника (для меди и алюминия (m =1); m₀ —магнитная проницаемость вакуума, 4p×10^-9 Г/см;      r — удельное сопротивление при t=8O°C, для меди 2,1×10^-6 Ом×см и алюминия 3,6´10^-6 Ом×см.

Значения глубины проникновения приведены ниже:

f,  Гц ................................  50            200      500      1000    2500    8000    10000  100000

Z_o меди, мм .................... 10,5          5,3       3,5       2,4       1,5       0,85     0,76     0,024

Z_o алюминия, мм ........... 13,5          6,8       4,3       3,0       1,9       1,0       0,9       0,03

При повышении частоты использование сечения алюминия получается более высоким, чем медного. При круглом сечении проводника фронт электромагнитной волны по мере прохождения вглубь сужается, благодаря чему глубина проникновения Z₀ увеличивается. Оптимальное сечение уединенного проводника, полностью заполненного током и не подверженного действию эффекта близости, получается диаметром pZ₀, что при частоте 50 Гц соответствует: для меди 33 и для алюминия 42 мм.

В установках повышенной частоты сопротивление часто подсчитывается, исходя из реально используемого сечения, ограниченного глубиной проникновения Z₀, однако этот метод применим только для уединенного проводника с круглым сечением. В этом случае реальное сечение, пропускающее ток повышенной частоты, действительно будет равно площади кольца, толщиной Z₀, с наружным диаметром, равным диаметру провода. При прямоугольном сечении одиночного проводника ток пойдет не по периметру (как это часто ошибочно излагается в технической литературе), а будет вытесняться к торцевым частям, и в средней части ток проходить не будет. Кривая плотности тока при повышенной частоте показана на рис. 6-52. Если такую шину сложить пополам, то ток опять пойдет только по крайним граням шины, как указано на  рис. 6-52, б; заставить его проходить по боковым граням можно только путем использования эффекта близости.

При частотах до 1000 Гц сечения проводников разме­ром до 16 мм² имеют диаметр не более 5,1 мм, т. е. не более 2 Zo, благодаря чему их активное сопротивление при частоте до 1000 Гц мало отличается от активного сопротивления при частоте 50 Гц. Поэтому для проводов и кабелей сечением до 16 мм² включительно допустимые нагрузки при частоте до 1000 Гц могут быть приближенно приняты такими же, как и при частоте 50 Гц. Для провод­ников и кабелей сечением 25 мм² и выше при повышении частоты допустимые токи будут уменьшаться в соответствии с величиной рабочей части сечения проводников. Эта величина определяется глубиной проникновения в условиях эффекта близости, заставляющего ток прохо­дить по граням, смежным с другими несущими ток обратного направления проводниками.

Не рекомендуется использовать металлические трубы при частотах выше 400 Гц для электропроводки из-за наведения в них ЭДС и последующего нагрева.

При прокладке проводов и кабелей в стальных тру­бах при частотах 200—400 Гц их допустимые значения, принятые из справочника, необходимо снижать на 10%.

Рис. 6-52. Эпюры плотности тока для уединенной

шины прямоугольного сечения при высоких частотах

В трехфазных сетях повышенной частоты резко увеличивается эффект переноса мощности, и проводники в них должны располагаться только симметрично по вершинам треугольника. Величина К_д (снижения пропускной способности проводника) возрастает с увеличением размеров проводника и частоты, например, при сечении алюминиевого кабеля 3 ´ 240 мм² и частоте 8000 Гц  допустимый ток должен быть снижен примерно в 2,68 раз, что свидетельствует о весьма неэкономичном использовании металла проводника. Принимая условно в первом при­ближении допустимым уменьшение допустимого тока в 1,41 раза, приходим к пределу рационального использования существующих конструкций кабелей с алюминиевой жилой при повышенных частотах до 1000 Гц — в однофазных сетях сечением 2´95 и в трехфазных 3´95 мм² [Л. 6-10].