송전선에서의 피부효과

피부 효과 정의

송전선에서의 피부 효과는 교류 전류가 도체 표면 근처에 집중되어 도체의 효과적인 저항을 증가시키는 현상입니다.

피부 효과는 교류 전류가 도체의 단면에 고르게 분포하지 않고, 도체 표면 근처에서 전류 밀도가 가장 높아지며 중심으로 갈수록 지수적으로 감소하는 경향을 말합니다. 이는 도체의 내부가 외부보다 적은 전류를 운반하여 도체의 효과적인 저항이 증가한다는 것을 의미합니다.

피부 효과는 전류 흐름을 위한 횡단면을 줄이고, 손실과 도체의 발열을 증가시킵니다. 이는 송전선의 임피던스를 변경하여 전압과 전류 분포에 영향을 미칩니다. 이 효과는 주파수가 높아지고, 도체 직경이 커지고, 전도성이 낮아질수록 강해집니다.

피부 효과는 직류(DC) 시스템에서는 발생하지 않습니다. 직류는 도체의 단면 전체를 고르게 흐릅니다. 그러나 교류 시스템, 특히 라디오 및 마이크로파 시스템과 같은 고주파 시스템에서는 피부 효과가 송전선 및 기타 구성 요소의 설계와 분석에 중요한 영향을 미칠 수 있습니다.

피부 효과의 원인

피부 효과는 교류 전류가 생성한 자기장과 도체 사이의 상호작용으로 인해 발생합니다. 아래 그림에서 보듯이, 원통형 도체를 통해 교류 전류가 흐르면 도체 주변과 내부에 자기장이 생성됩니다. 이 자기장의 방향과 크기는 교류 전류의 주파수와 진폭에 따라 변화합니다.

Faraday의 전자기 유도 법칙에 따르면, 변화하는 자기장은 도체에 전기장을 유도합니다. 이 전기장은 차례로 도체 내에서 원류를 유도합니다. 이러한 원류는 도체 내부에서 순환하며 원래의 교류 전류를 반대 방향으로 유도합니다.

원류는 도체의 중심부에서 더 많은 자기 유량 연관이 있어 더 강하게 발생합니다. 따라서 원류는 중심부에서 더 높은 반대 방향의 전기장을 생성하여 중심부의 전류 밀도를 줄입니다. 반면에 도체 표면 근처에서는 원류가 약해져서 반대 방향의 전기장이 낮아지므로, 표면에서 더 높은 전류 밀도가 발생합니다.

이 현상은 도체의 단면을 통해 전류가 고르게 분포하지 않고, 표면에 더 많은 전류가 흐르게 됨을 의미합니다. 이것이 송전선에서의 피부 효과입니다.

피부 효과의 양적 표현

피부 효과는 피부 깊이(δ, 델타)를 사용하여 양적으로 표현할 수 있습니다. 피부 깊이는 도체 표면 아래에서 전류 밀도가 표면 값의 약 37%까지 감소하는 깊이를 말합니다. 작은 피부 깊이는 더 심각한 피부 효과를 나타냅니다.

피부 깊이는 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다:

교류 전류의 주파수: 주파수가 높을수록 자기장의 변화가 빠르고 원류가 강해집니다. 따라서 주파수가 증가할수록 피부 깊이는 감소합니다.

도체의 전도성: 전도성이 높을수록 저항이 낮아지고 원류가 쉽게 흐릅니다. 따라서 전도성이 증가할수록 피부 깊이는 감소합니다.

도체의 투자율: 투자율이 높을수록 자기 유량 연관이 많아지고 원류가 강해집니다. 따라서 투자율이 증가할수록 피부 깊이는 감소합니다.

도체의 형태: 다른 형태는 자기장 분포와 원류에 영향을 미치는 기하학적 요인을 다르게 가지고 있습니다. 따라서 도체의 형태에 따라 피부 깊이가 다릅니다.

원형 단면을 가진 원통형 도체의 피부 깊이를 계산하는 공식은 다음과 같습니다:

δ는 피부 깊이(미터)

ω는 교류 전류의 각주파수(초당 라디안)

μ는 도체의 투자율(헤네리/미터)

σ는 도체의 전도성(시멘스/미터)

예를 들어, 원형 단면을 가진 구리 도체가 10 MHz에서 작동할 때 피부 깊이는 다음과 같습니다:

이것은 이 주파수에서 도체 표면 근처 0.066mm의 얇은 층만이 대부분의 전류를 운반함을 의미합니다.

피부 효과의 감소

피부 효과는 송전선에서 다음과 같은 문제를 일으킬 수 있습니다:

• 전력 손실과 도체의 발열 증가로 인해 시스템의 효율과 신뢰성이 감소합니다.

• 송전선의 임피던스와 전압 강하 증가로 인해 신호 품질과 전력 전달이 영향을 받습니다.

• 송전선에서 발생하는 전자기 간섭과 방사가 인근 장치와 회로에 영향을 미칩니다.

따라서 송전선에서 피부 효과를 가능한 한 줄이는 것이 바람직합니다. 피부 효과를 줄이기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 방법은 다음과 같습니다:

• 철이나 강 대신 구리나 은처럼 전도성이 높고 투자율이 낮은 도체를 사용합니다.

• 더 작은 직경 또는 단면적을 가진 도체를 사용하면 표면과 중심의 전류 밀도 차이가 줄어듭니다.

• 단일 도체 대신 스트랜드 또는 브레이드된 도체를 사용하면 도체의 효과적인 표면적이 증가하고 원류가 줄어듭니다. 특수한 종류의 스트랜드 도체인 리츠 와이어는 스트랜드를 서로 다른 위치에서 교차되게 꼬아서 피부 효과를 최소화하도록 설계되었습니다.

• 단일 도체 대신 중공 또는 관형 도체를 사용하면 도체의 무게와 비용을 줄일 수 있으며 성능에는 큰 영향을 미치지 않습니다. 피부 효과로 인해 도체의 중공 부분은 거의 전류를 운반하지 않으므로, 이를 제거해도 전류 흐름에 영향을 미치지 않습니다.

• 단일 도체 대신 병렬로 배치된 여러 도체를 사용하면 도체의 효과적인 단면적이 증가하고 저항이 줄어듭니다. 이 방법은 번들링 또는 전위법이라고도 합니다.

• 교류 전류의 주파수를 낮추면 피부 깊이가 증가하고 피부 효과가 줄어듭니다. 그러나 고주파 신호가 필요한 일부 애플리케이션에서는 이 방법이 실현 가능하지 않을 수 있습니다.

결론

피부 효과는 교류 전류가 도체를 통과할 때 송전선에서 발생하는 현상입니다. 이는 도체의 단면을 통해 전류가 고르게 분포하지 않고, 표면 근처에서 더 많은 전류가 흐르게 됨을 의미합니다. 이로 인해 도체의 효과적인 저항과 임피던스가 증가하고 효율과 성능이 감소합니다.

피부 효과는 주파수, 전도성, 투자율, 도체의 형태 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 피부 깊이라는 매개변수를 사용하여 피부 효과를 양적으로 표현할 수 있습니다. 피부 깊이는 도체 표면 아래에서 전류 밀도가 표면 값의 37%까지 감소하는 깊이를 말합니다.

피부 효과는 전도성이 높고 투자율이 낮은 도체, 작은 직경 또는 단면적, 스트랜드 또는 브레이드 구조, 중공 또는 관형 형태, 병렬 배치, 낮은 주파수 등을 사용하여 줄일 수 있습니다.

피부 효과는 교류 전류를 사용하는 송전선 및 기타 구성 요소의 설계와 분석에 중요한 개념입니다. 다양한 애플리케이션과 주파수에 적합한 도체의 유형과 크기를 선택할 때 이 효과를 고려해야 합니다.