Verhalten elektrischer Leitungen bei hohen Frequenzen

Geschirmtes elektrisches Kabel bei hohen Frequenzen

Im Bereich der elektrischen Energieübertragung können transiente Phänomene zu Überspannungen oder Überströmen entlang der Leitungen oder Kabel führen. Diese Phänomene werden in der Entwurfsphase selten berücksichtigt. Vorübergehende Phänomene können Überspannung oder Überstrom verursachen, die Integrität des Kabels beeinträchtigen und zu Fehlfunktionen führen. Ein zweites bekanntes Phänomen auf den Übertragungsleitungen ist das Auftreten einer Überspannung am Ende der Leitung, wenn diese entladen wird. Für ein Erdkabel, dessen Eigenkapazität viel größer ist, tritt dieses Phänomen für Entfernungen auf. Daher müssen in Hochfrequenzkabeln, die in Stromverteilungssystemen und Motorantrieben zu finden sind, mit besonderer Vorsicht modelliert werden, da viele frequenzabhängige Merkmale, einschließlich Haut- und Näherungseffekt, dielektrische Verluste und Verzögerung, angemessen berücksichtigt werden müssen.

Solidworks-Modell eines zweiadrigen abgeschirmten Stromkabels

Das Solidworks-Modell eines zweiadrigen abgeschirmten Elektrokabels besteht aus zwei Leitern, internem und externem PVC und einer Abschirmschicht, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 - 3D-Modell des elektrischen Kabels

EMS Simulation eines zweiadrigen abgeschirmten elektrischen Kabels bei hohen Frequenzen

Im EMS wird das zweiadrige abgeschirmte Elektrokabel mithilfe einer magnetischen Wechselstromstudie analysiert, um die Induktivitäten, Widerstände und die Verteilung der Wirbelströme bei 500 kHz zu berechnen.

Material

Das simulierte Modell besteht aus zwei Leitern, internem und externem PVC und einer Abschirmschicht. Die Eigenschaften der Materialien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1 - In der EMS-Simulation verwendete Materialien

Spulen

In dieser Simulation werden die beiden Leiter als Massivspulen modelliert.
Die beiden Ströme von jeweils 1 Ampere RMS werden von den Drähten mit 500 kHz in entgegengesetzter Richtung angelegt.

Ineinander greifen

Die Vernetzung ist ein sehr wichtiger Schritt bei der Entwurfsanalyse. EMS schätzt eine globale Elementgröße für das Modell unter Berücksichtigung seines Volumens, seiner Oberfläche und anderer geometrischer Details. Die Qualität des Netzes spielt eine Schlüsselrolle für die Genauigkeit der Ergebnisse.

Die Netzsteuerung bezieht sich auf die Angabe unterschiedlicher Elementgrößen in verschiedenen Regionen des Modells. Eine kleinere Elementgröße in einem Bereich verbessert die Genauigkeit der Ergebnisse in diesem Bereich.

2 ist das Maschenmodell nach Verwendung der in Tabelle 2 gezeigten Maschenkontrollen.

Induktivität resultieren

In der magnetischen Wechselstromstudie berechnet EMS Induktivitäten, Widerstände, Flusskopplung, Streuinduktivität, Wirbelstrom, induzierte Spannung, Energie und Verluste.
Die berechnete Selbstinduktivität in einem Leiter im Vergleich zur Referenz [1] ist in Tabelle 3 gezeigt.

Von EMS erzeugte 3D-Felder

Die Verteilung der Wirbelströme in diesem Kabel, wenn die beiden Ströme von den Drähten mit 500 kHz in entgegengesetzter Richtung angelegt werden, ist in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt. Die Haut- und Nachbarschaftseffekte sind gut dargestellt.

Abbildung 3 - Stromdichteverteilung (Vorderansicht)

Abbildung 4 - Stromdichteverteilung (dimetrische Ansicht)

Fazit

Dieses Beispiel zeigt, dass mit Hilfe von EMS Elektrokabel einfach mit hoher Frequenz simuliert und die Auswirkungen auf Haut und Nähe untersucht werden können.

Verweise

[1] Duc Quang NGUYEN, “ Développement d’un outil d’investigation pour le diagnostic des phénomènes hautes fréquences dans des câbles électriques ‘’, Doctorat Paris Tech THÈSE pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers Spécialité “ Génie électrique ”, le 19 novembre 2013.