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¿Qué es el efecto piel?Causas, factores, controles y desventajas de las líneas eléctricas
¿Qué es el efecto piel?
Cuando la corriente alterna “CA” fluye a través de un conductor, tiende a distribuirse de manera desigual por todo el conductor y permanecer cerca de la superficie del conductor. Este fenómeno se denomina efecto pelicular y se aplica solo a CA porque para CC el flujo de corriente es uniforme en la sección X del conductor.
Este efecto aumenta la resistencia del cable, aumentando la pérdida de línea (pérdida de energía generada por la resistencia de la línea de alimentación).2R). Las pérdidas de línea ocurren en forma de calor, aumentando aún más la resistencia del conductor. Reduce la eficiencia de la línea de transmisión.
El efecto pelicular ocurre en líneas de transmisión largas. Si la distancia es corta, no importa y apenas cuenta. Sin embargo, la transmisión de energía a largas distancias tiene un efecto superficial mucho más significativo.
A medida que aumenta el número de veces, aumenta el efecto piel. A frecuencias muy altas, la distribución de carga o densidad de corriente permanece máxima en la superficie misma, formando una capa delgada, mientras que la sección transversal interna o densidad de corriente en el núcleo permanece en cero.
El efecto pelicular mantiene el flujo de corriente entre la superficie exterior y una profundidad constante desde la superficie denominada profundidad pelicular δ. La profundidad de la piel varía inversamente con la frecuencia.
La profundidad de la piel se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
Profundidad de la piel = δ = 7.6 ÷ √ (pedo) … (cm)
La corriente continua CC no tiene frecuencia, por lo que la distribución del flujo de corriente es uniforme en todo el conductor. Minimice las pérdidas de línea utilizando toda el área transversal del conductor. Sin embargo, la transmisión de energía moderna utiliza corriente alterna de 50/60 Hz y las aplicaciones de alta frecuencia en el rango de gigahercios también se ven significativamente afectadas.
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Causas del efecto piel
Considere usar un conductor sólido para conducir corriente alterna. El área de la sección transversal del conductor se divide en círculos concéntricos muy pequeños que pueden transportar corrientes muy pequeñas, como se muestra a continuación.
Cuando una corriente alterna pasa a través de un conductor, cada cilindro transporta parte de la corriente y crea un flujo magnético. Por lo tanto, existe un vínculo de flujo entre los cilindros individuales en todo el conductor.
El enlace de flujo en el cilindro central es mayor que cerca de la superficie del conductor. Esto se debe a que el cilindro central está rodeado por flujo magnético tanto interno como externo, mientras que el cilindro de superficie se ve afectado por el flujo magnético externo. Por lo tanto, el enlace de flujo aumenta a medida que se acerca al núcleo.
Dado que la inductancia es directamente proporcional al enlace de flujo, la inductancia también aumenta hacia el núcleo. Los cilindros más cercanos al núcleo tienen mayor inductancia que los que están más cerca de la superficie. Por lo tanto, el núcleo tiene una reactancia inductiva más alta que cerca de la superficie. La corriente sigue un camino reactivo bajo.
Por lo tanto, la corriente alterna tiende a la superficie del conductor debido a su baja reactancia. La densidad de corriente es baja cerca del núcleo y aumenta hacia la superficie del conductor, creando una distribución de carga desigual conocida como efecto piel.
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Factores que afectan el efecto de la piel
Hay ciertos factores que afectan el efecto de la piel, tales como:
frecuencia
La frecuencia actual es el principal factor que afecta el efecto piel y es directamente proporcional al efecto piel.Como sabemos, la reactancia inductiva es
Xl = 2π pedo l
La reactancia de inductancia es directamente proporcional a la frecuencia. El aumento de la frecuencia aumenta la reactancia y disminuye la profundidad de la piel del conductor. Por lo tanto, la corriente se queda más en la superficie o aumenta el efecto pelicular.
Dado que DC no tiene frecuencia, su reactancia es cero y la corriente se distribuye uniformemente por todo el conductor.
forma de conductor
El efecto piel también depende de la forma del conductor. Los conductores son sólidos o estándar. Un cable trenzado tiene un área de superficie más grande que un cable sólido del mismo tamaño. Los conductores trenzados tienen menos efecto piel que los conductores sólidos porque la CA tiende a permanecer en la superficie. Esto significa que la CA tiene una mayor eficiencia de transmisión con cable trenzado que con cable sólido.
diámetro del conductor
El efecto piel es directamente proporcional al diámetro del conductor. aumenta a medida que aumenta el diámetro. Esto significa que es mínimo para conductores de pequeño diámetro. De hecho, si el radio del conductor permanece más pequeño que la profundidad de la piel, el efecto de piel será mínimo o nulo.
material
El material del conductor también afecta el efecto piel. En realidad depende de la permeabilidad del material. Es la propiedad del material que soporta el flujo magnético. Los materiales altamente permeables son más susceptibles al efecto piel que los materiales menos permeables. Permite un mayor enlace de flujo, aumenta la reactancia inductiva y hace que la corriente alterna permanezca en la superficie.
temperatura
Dado que la temperatura afecta directamente la resistencia de un conductor, la temperatura de un conductor también es directamente proporcional al efecto de piel de ese conductor.
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Desventajas del efecto piel
El efecto pelicular afecta negativamente a la transferencia de potencia. Aquí se describen algunos inconvenientes a continuación.
resistencia del conductor: Como sabemos, el efecto piel reduce el área efectiva de un conductor. Esto se debe a que la mayor parte de la corriente fluye a través de la superficie, dejando vacío el núcleo del conductor. La resistencia viene dada por la fórmula:
R = ρyo/A
La resistencia R es inversamente proporcional al área del conductor. Dado que el área efectiva del conductor disminuye, la resistencia efectiva del conductor aumenta.
Pérdida de transmisión: También conocida como pérdida de cobre, es la disipación de energía en un conductor debido a su resistencia.es medido por mi2R. La energía se desperdicia en forma de calor. Las pérdidas aumentan cuando aumenta la resistencia del conductor debido al efecto pelicular. dañando así el conductor.
Caída de tensión: Hay una caída de tensión en la línea de transmisión debido a la resistencia del conductor. Como sabemos, la resistencia aumenta, la caída de tensión en los conductores también aumenta, lo que reduce la tensión de transmisión.
precio: El efecto piel aumenta el costo de las líneas de transmisión. Esto se debe a que la resistencia de la línea aumenta y para compensar la resistencia se coloca otro conductor en paralelo para distribuir la carga. Por lo tanto, el costo aumenta.
eficiencia: El efecto pelicular reduce la eficiencia de las líneas de transmisión a medida que aumenta la caída de voltaje y la pérdida de energía a lo largo de la línea de transmisión.
Residuos materiales: La mayor parte de nuestra sección transversal tiene una densidad de corriente muy baja o nula, por lo que no se utilizan conductores. El área no efectiva, es decir, el material en el núcleo del conductor, se desperdicia.
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¿Cómo reducir el impacto en la piel?
Hay ciertas formas de minimizar el efecto piel en los conductores durante la transmisión.
Uso de cables trenzados: Los conductores trenzados tienen un diámetro pequeño y una gran superficie. Los conductores de núcleo sólido, por otro lado, tienen un área de superficie más pequeña. Por lo tanto, el uso de cables trenzados reduce el efecto piel.
Las líneas eléctricas aéreas utilizan conductores de haz ACSR (Aluminum Conductor Steel Reinforced). Un conductor agrupado son múltiples conductores conectados en estrecha proximidad y en fase sustancial.
Uso de conductores huecos: Los conductores huecos se utilizan en aplicaciones de RF de alta frecuencia para eliminar el núcleo y aumentar el área superficial del conductor.reduciendo así el efecto piel
Disminuir frecuencia: La alternancia de frecuencias aumenta el efecto piel. La CC de corriente continua tiene una frecuencia cero, por lo que no hay efecto de piel. Mantener la frecuencia baja para la transmisión a larga distancia reduce en gran medida el efecto pelicular.
Tipo de material: Los materiales con baja permeabilidad magnética tienen baja inductancia de reactancia y baja resistencia, lo que resulta en un bajo efecto pelicular.
distancia: El efecto piel se vuelve más pronunciado cuando se transmite potencia a largas distancias. Por lo tanto, para reducir el efecto pelicular y aumentar la eficiencia, los circuitos de alta frecuencia deben colocarse muy cerca.
Alto voltaje: El uso de alto voltaje para transmitir energía reduce la corriente en la línea de transmisión. Reducir la cantidad de corriente también reduce la reactancia de línea, lo que reduce el efecto pelicular.
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