送電線におけるスキン効果の理解

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フィールド: 基本電気

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送電線でのスキン効果とは

送電線は、電力または信号を一点から別の点へと伝送する導体です。送電線は、用途や距離に応じて異なる材料、形状、サイズで作成することができます。しかし、送電線が交流（AC）システムで使用される場合、それらの性能と効率に影響を与える現象であるスキン効果が発生することがあります。

送電線でのスキン効果とは？

スキン効果は、導体内の断面において交流電流が不均一に分布し、導体表面近くの電流密度が最も高く、中心に向かって指数関数的に減少することを指します。これは、導体の内部部分よりも外部部分の方がより多くの電流を流すことになり、結果として導体の有効抵抗が増加します。

skin effect

スキン効果により、導体の電流流れる有効な断面積が減少し、これにより電力損失と導体の発熱が増大します。また、スキン効果は送電線のインピーダンスも変化させ、送電線沿いの電圧と電流の分布に影響を与えます。スキン効果は、周波数が高い、直径が大きい、導電性が低い導体では顕著になります。

スキン効果は直流（DC）システムでは発生しません。なぜなら、直流では導体全体に均一に電流が流れます。しかし、特にラジオやマイクロ波などの高周波で動作する交流システムでは、スキン効果は送電線や他の部品の設計と分析に大きな影響を与えます。

スキン効果は、交流電流によって生成された磁界と導体自体との相互作用によって引き起こされます。下図に示すように、円筒形の導体に交流電流が流れるとき、導体の周りおよび内部に磁界が生成されます。この磁界の方向と大きさは、交流電流の周波数と振幅に応じて変化します。

ファラデーの電磁誘導の法則によれば、変動する磁界は導体に電界を誘導します。この電界は、導体に反対向きの電流（渦電流）を誘導します。渦電流は導体内で循環し、元の交流電流に対抗します。

渦電流は、導体の中心付近で最も強く、そこで元の交流電流との磁束連携が最も強いため、高い反対向きの電界を生成し、中心部のネット電流密度を減少させます。一方、導体表面近くでは、元の交流電流との磁束連携が少なく、渦電流が弱く、反対向きの電界も弱いため、表面でのネット電流密度が高くなります。

この現象により、導体の断面における電流分布が不均一になり、表面近くに比べて中心近くに流れる電流が少ない状態になります。これが送電線でのスキン効果です。

送電線でのスキン効果を定量化する一つの方法は、スキン深さまたはδ（デルタ）というパラメータを使用することです。スキン深さは、導体表面から電流密度が表面の値の約37％（1/e）に減少する深度を指します。スキン深さが小さいほど、スキン効果は深刻です。

スキン深さは以下の要因によって影響を受けます：

円筒形の導体のスキン深さを計算する式は以下の通りです：

ここで：

例えば、円形断面を持つ銅導体が10MHzで動作する場合、スキン深さは以下の通りです：

これは、この周波数では導体表面近くの0.066mmの薄い層がほとんどの電流を流すことを意味します。

スキン効果は送電線で以下のような問題を引き起こすことがあります：

したがって、送電線でのスキン効果を可能な限り減らすことが望ましいです。スキン効果を減らすためのいくつかの方法は以下の通りです：

鉄や鋼ではなく、銅や銀などの導電性が高く透磁率が低い導体を使用します。
直径や断面積が小さい導体を使用することで、表面と中心の電流密度の差を減らします。
実心導体ではなく、ストランド構造やブレイド構造の導体を使用することで、導体の有効表面積を増やし、渦電流を減らします。リッツワイヤーと呼ばれる特殊なストランド構造の導体は、各ストランドが長さにわたって断面内の異なる位置を占めるように捻られており、スキン効果を最小限に抑える設計されています。
実心導体ではなく、中空または管状の導体を使用することで、導体の重量とコストを削減できます。スキン効果により、導体の中空部分はあまり電流を流さないため、これを除去しても電流の流れにはほとんど影響ありません。
単一の導体ではなく、複数の並列導体を使用することで、導体の有効断面積を増やし、抵抗を減らします。この方法はバンドリングまたはトランスポジションとも呼ばれます。
交流電流の周波数を下げることで、スキン深さを増やし、スキン効果を減らします。ただし、一部の高周波信号が必要なアプリケーションではこれが可能ではないかもしれません。