Was ist der Näheneffekt?

Definition: Wenn Leiter hohe Wechselspannungen führen, ist die Stromverteilung über den Querschnitt des Leiters ungleichmäßig. Dieses Phänomen wird als Nachbarschaftseffekt bezeichnet. Der Nachbarschaftseffekt führt zu einer Zunahme des scheinbaren Widerstands eines Leiters aufgrund der Anwesenheit anderer stromführender Leiter in seiner Nähe.

Wenn zwei oder mehr Leiter dicht beieinander angeordnet sind, wechselwirken ihre elektromagnetischen Felder. Als Ergebnis dieser Wechselwirkung wird der Strom in jedem Leiter neu verteilt. Insbesondere häuft sich eine höhere Stromdichte in dem Teil des Leiterstrangs an, der am weitesten vom störenden Leiter entfernt ist.

Führen die Leiter den Strom in die gleiche Richtung, so heben sich die magnetischen Felder der benachbarten Hälften der Leiter gegenseitig auf. Folglich fließt kein Strom durch diese benachbarten Halbteile der Leiter, und der Strom drängt sich stattdessen in die entfernten Halbteile.

Führen die Leiter den Strom in entgegengesetzte Richtungen, verstärken sich die magnetischen Felder in den näheren Bereichen der Leiter gegenseitig, was zu einer höheren Stromdichte in diesen benachbarten Regionen führt. Im Gegensatz dazu heben sich die magnetischen Felder in den weiter entfernten Hälften der Leiter gegenseitig auf, was zu minimalen oder gar keinen Stromflüssen in diesen entfernten Bereichen führt. Infolgedessen konzentriert sich der Strom in den näheren Teilen der Leiter, während die weiter entfernten Hälften einen deutlich reduzierten Strom aufweisen.

Fließt Gleichstrom durch einen Leiter, ist der Strom gleichmäßig über den Querschnitt des Leiters verteilt. Daher tritt kein Nachbarschaftseffekt an der Oberfläche des Leiters auf.

Der Nachbarschaftseffekt ist nur für Leiterquerschnitte größer als 125 mm² von Bedeutung. Um dies zu berücksichtigen, müssen Korrekturfaktoren angewendet werden.

Beim Berücksichtigen des Nachbarschaftseffekts wird der Wechselstromwiderstand des Leiters:

Bezeichnungen:

• Rdc: Unkorrigierter Gleichstromwiderstand des Leiters.

• Ys: Hautwirkungsfaktor (der prozentuale Anstieg des Widerstands aufgrund der Hautwirkung).

• Yp: Nachbarschaftswirkungsfaktor (der prozentuale Anstieg des Widerstands aufgrund des Nachbarschaftseffekts).

• Re: Effektiver oder korrigierter ohmscher Widerstand des Leiters.

Der Gleichstromwiderstand Rdc kann aus Tafeln für gestrickte Leiter ermittelt werden.

Faktoren, die den Nachbarschaftseffekt beeinflussen

Der Nachbarschaftseffekt hängt primär von Faktoren wie dem Leitermaterial, dem Durchmesser, der Frequenz und der Struktur ab. Diese Faktoren werden im Folgenden detailliert erläutert:

• Frequenz – Der Nachbarschaftseffekt verstärkt sich mit zunehmender Frequenz.

• Durchmesser – Größere Leiterdurchmesser führen zu einem ausgeprägteren Nachbarschaftseffekt.

• Struktur – Dieser Effekt ist bei festen Leitern stärker ausgeprägt als bei gestrickten Leitern (z.B., ASCR). Gestrickte Leiter haben eine kleinere effektive Oberfläche als feste Leiter, was die Stromballung reduziert.

• Material – Leiter aus hochferromagnetischen Materialien zeigen aufgrund der Wechselwirkung der magnetischen Felder eine stärkere Nachbarschaftswirkung an ihrer Oberfläche.

Methoden zur Minderung des Nachbarschaftseffekts

Eine wirksame Methode zur Reduzierung des Nachbarschaftseffekts besteht darin, ACSR-Leiter (Aluminiumleiter mit Stahlverstärkung) zu verwenden. Bei einem ACSR-Leiter:

• Stahl befindet sich im Kern, um mechanische Stabilität zu gewährleisten.

• Aluminiumstränge umgeben den Stahlkern und bilden die äußere leitfähige Schicht.

Diese Konstruktion minimiert die Fläche, die den Wechselwirkungen der magnetischen Felder ausgesetzt ist. Dadurch fließt der Strom hauptsächlich durch die äußeren Aluminiumschichten, während der Stahlkern kaum bis gar keinen Strom führt. Diese Konfiguration reduziert den Nachbarschaftseffekt im Leiter erheblich.