Переменный ток против постоянного тока: как тип тока влияет на конструкцию кабеля.

Электричество распространяется в двух основных формах:Переменный ток (AC)иПостоянный ток (DC)Переменный ток постоянно меняет направление (50 или 60 раз в секунду), в то время как постоянный ток течет стабильно в одном направлении. Можно подумать, что кабель — это просто кабель, но тип тока существенно влияет на то, как этот кабель должен быть спроектирован. От самого проводника до изоляции и экранирования инженеры принимают совершенно разные решения для систем переменного и постоянного тока. В этой статье объясняется, почему.

1. Принципиальное различие: постоянный режим против пульсирующего.

В кабеле постоянного тока электроны движутся с постоянной однонаправленной скоростью. Плотность тока равномерна по всему поперечному сечению проводника. В кабеле переменного тока электроны колеблются взад и вперед. Это изменяющееся магнитное поле создаетэффект кожииэффект близости– явления, которых нет в Вашингтоне.

Эти эффекты заставляют переменный ток течь преимущественно вблизи поверхности проводника, а не через все его поперечное сечение. Это коренным образом меняет конструкцию проводника.

2. Скин-эффект: почему в кабелях переменного тока нужны более тонкие жилы.

эффект кожиЭто тенденция высокочастотного переменного тока концентрироваться на внешней поверхности проводника. При частоте 50/60 Гц этот эффект незначителен, но не пренебрежимо мал, особенно для проводников большого сечения.

Для постоянного тока можно использовать сплошную толстую медную шину. Для переменного тока использование сплошной шины приведет к излишнему расходу внутреннего материала (она будет пропускать мало тока). Вместо этого в кабелях переменного тока используютсямногожильные проводники– множество тонких, изолированных по отдельности жил. Это увеличивает площадь поверхности и снижает потери из-за скин-эффекта. В очень толстых кабелях переменного тока может использоватьсяСтроительство Милликена(изолированные и переставленные нити) для дальнейшего смягчения воздействия на кожу.

В отличие от них, в кабелях постоянного тока можно без проблем использовать одножильные или многожильные проводники с грубой жилой.

3. Эффект близости: когда кабели расположены слишком близко друг к другу.

Когда кабели переменного тока проложены близко друг к другу, магнитные поля соседних проводников выталкивают ток на противоположную сторону каждого проводника — этот эффект называетсяэффект близостиЭто увеличивает сопротивление и нагрев, особенно в плотно упакованных кабелях.

В системах постоянного тока эффект близости отсутствует, поскольку магнитное поле постоянно.

Для борьбы с эффектом близости разработчики кабелей переменного тока:

• Соблюдайте расстояние между кабелями.

• Используйте транспозицию фаз в трехфазных системах.

• Выбирайте схемы намотки проводников, которые минимизируют взаимную индуктивность.

Для сильноточных шин переменного тока они часто бывают полыми или разделенными на несколько тонких пластин — конструкция, которая никогда не требовалась для постоянного тока.

4. Напряжение изоляции: постоянный ток против переменного тока

Изоляция должна выдерживать напряжение без пробоя. Однако переменный и постоянный ток по-разному воздействуют на изоляцию.

• кондиционерНапряжение циклически изменяется от положительного пика к отрицательному. Изоляция подвергается нагрузке в обоих направлениях. Возникают диэлектрические потери (нагрев изоляции), особенно на высоких частотах или при использовании полярных материалов (например, бумаги, некоторых полимеров).

• округ КолумбияНапряжение стабильное. Отсутствуют диэлектрические потери из-за изменения полярности. Однако со временем внутри изоляции могут накапливаться пространственные заряды, потенциально вызывая локальное усиление поля.

Длявысоковольтный постоянный ток (ВВП постоянного тока)Изоляция кабелей часто изготавливается изсшитый полиэтилен (XLPE)илибумага, пропитанная массой– материалы, выбранные с учетом низкого накопления пространственного заряда и высокой диэлектрической прочности при постоянном токе. В кабелях переменного тока используются аналогичные материалы, но также необходимо учитывать тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ), что не имеет значения для постоянного тока.

Интересно, что кабель, рассчитанный на переменный ток, может иметь более высокое номинальное напряжение постоянного тока (обычно в 1,5–2 раза превышающее среднеквадратичное значение переменного тока), поскольку пиковое напряжение переменного тока уже включает в себя запас прочности. Но это не простое правило; изоляция должна быть сертифицирована для конкретного напряжения постоянного тока.

5. Магнитные поля и экранирование

В кабелях переменного тока генерируется изменяющееся во времени магнитное поле. Это поле может:

• Вызывает возникновение токов в расположенных рядом металлических деталях (нагрев, потери).

• Создавать помехи соседним сигнальным кабелям (электромагнитные помехи – ЭМП).

Для контроля этого часто требуются кабели переменного тока.скрининг(например, медной лентой или проволочной оплеткой) для изоляции поля. Трехфазные кабели переменного тока часто бронируются с помощьюнемагнитныйматериалы (алюминий) для предотвращения вихретокового нагрева.

Кабели постоянного тока производятстатическийМагнитное поле. Оно не индуцирует ток в неподвижных объектах и ​​вызывает незначительные помехи. Поэтому кабели постоянного тока, как правило, не нуждаются в магнитной защите. Однако, если они проложены в непосредственной близости, они могут влиять на магнитные компасы или чувствительные приборы.

6. Доспехи и металлические ножны

При работе с кабелями переменного тока металлическую броню или оболочку следует обрабатывать с особой осторожностью:

• Броня из стальной проволоки (SWA)Подходит для одноядерных боевых машин только в том случае, если броня...немагнитный(алюминиевый) или кабель трехжильный, поэтому магнитные поля компенсируются. При использовании одножильного кабеля переменного тока стальная броня перегрелась бы из-за вихревых токов.

• Бронежилет из алюминиевой проволоки (AWA)Предпочтительный вариант для одножильных кабелей переменного тока.

Для кабелей постоянного тока стальная броня работает идеально – отсутствуют вихревые токи и нагрев. Это упрощает и снижает стоимость кабелей постоянного тока для железных дорог, солнечных электростанций или высоковольтных линий постоянного тока.

7. Потери и эффективность

При передаче на большие расстояния постоянный ток имеет меньшие потери, поскольку отсутствуют поверхностные и близостные эффекты, а также поток реактивной мощности. Именно поэтому высоковольтные линии постоянного тока (HVDC) предпочтительны для подводных кабелей и очень длинных воздушных линий – несмотря на более высокую стоимость преобразовательных подстанций.

8. Практические примеры

Пример 1: Бытовая электропроводка (230 В переменного тока)
Кабели многожильные, чтобы уменьшить поверхностный эффект. Они не бронированы (стальная броня подошла бы, поскольку в трехфазных цепях поля компенсируются, но однофазные цепи все равно вызывают некоторый нагрев). Изоляция выполнена из ПВХ или СШПЭ, рассчитана на переменное напряжение.

Пример 2: Кабели постоянного тока для солнечной электростанции (1500 В постоянного тока)
В кабелях используется тонкая многожильная структура (для гибкости, а не для поверхностного эффекта). Экранирование не требуется. Броня из стальной проволоки может использоваться для прокладки в грунте без риска перегрева. Изоляция выполнена из сшитого полиэтилена (XLPE) с номинальной мощностью постоянного тока.

Пример 3: Тяговое электроснабжение постоянного тока для железных дорог (750 В / 1500 В постоянного тока)
В кабелях часто используется стальная броня для механической защиты. Проводники могут быть одножильными или многожильными с грубой жильной структурой. Магнитное экранирование не требуется.

9. Развитие высоковольтных линий постоянного тока и их значение для проектирования кабелей.

Высоковольтные кабели постоянного тока (HVDC) быстро развиваются (морская ветроэнергетика, межсетевые соединения). Эти кабели должны выдерживать очень высокие напряжения (до 600 кВ). Особые конструктивные особенности включают:

• Изоляция из пропитанной бумагой или сшитого полиэтилена (XLPE).Оптимизировано для контроля постоянного тока и пространственного заряда.

• Обратные проводники(металлический или заземляющий провод) – часто интегрированный.

• Сегментированные проводникидля уменьшения изгибающих усилий во время укладки.

• Двойная бронядля защиты на больших глубинах.

Многие из этих конструкций существенно отличаются от кабелей переменного тока того же класса напряжения.

Переменный и постоянный ток могут протекать через медь, но конструкция кабеля, окружающего эту медь, должна быть совершенно иной. Переменный ток заставляет проектировщиков бороться с поверхностными эффектами и эффектами близости, управлять магнитными полями и тщательно подбирать материалы брони. Постоянный ток освобождает их от этих задач, но создает проблемы, связанные с пространственным зарядом в изоляции.

Понимание разницы помогает инженерам выбрать подходящий кабель для конкретной задачи, а нам — оценить, почему кабель ветроэлектростанции отличается от железнодорожного кабеля, даже если оба передают «электричество». В следующий раз, когда вы увидите толстый многожильный кабель переменного тока или цельный бронированный сталью кабель постоянного тока, вы поймете: тип тока сформировал каждый слой внутри.

Ассортимент конкурентоспособной продукции Ruiyang Group включает в себя:

• Низковольтный и высоковольтный силовой кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена (XLPE).

• Силовой кабель в ПВХ-изоляции

• Кабель с низким дымовыделением и низким содержанием галогенов, огнестойкий.

• Огнестойкий кабель

• Кабель из алюминиевого сплава

• Гибкий кабель кабель

• Воздушный кабель

• контрольный кабель

• Силиконовый резиновый кабель