高周波での電気ケーブルの挙動

高周波でのシールド電線

電力伝送の分野では、過渡現象により、ラインまたはケーブルに沿って過電圧または過電流が発生する可能性があります。これらの現象は、設計段階から考慮されることはほとんどありません。過渡現象は、過電圧または過電流を引き起こし、ケーブルの完全性に影響を与え、誤動作につながる可能性があります。送電線での 2 つ目のよく知られた現象は、送電線が無負荷の場合に送電線の末端に過電圧が発生することです。固有容量がはるかに大きい地中ケーブルの場合、この現象は距離に現れます。したがって、高周波では、配電システムやモーター ドライブに見られる電源ケーブルは、表皮効果や近接効果、誘電損失、遅延など、周波数に依存する多くの特徴を適切に含める必要があるため、特別な注意を払ってモデル化する必要があります。

2 ワイヤ シールド付き電気ケーブルの SOLIDWORKS モデル

2 ワイヤ シールド電気ケーブルの SOLIDWORKS モデルは、図 1 に示すように、内部と外部の PVC とシールド層の 2 つの導体で構成されます。

図 1 -電気ケーブルの 3D モデル

高周波での 2 線シールド電線の EMS シミュレーション

EMS では、AC マグネティック スタディを使用して 2 線シールド電気ケーブルを分析し、500 KHz での渦電流のインダクタンス、抵抗、および分布を計算します。

材料

シミュレートされたモデルは、2 つの導体、内部および外部の PVC とシールド層で構成されています。材料の特性を表 1 にまとめます。

表 1 - EMS シミュレーションで使用される材料

コイル

このシミュレーションでは、2 つの導体がソリッド コイルとしてモデル化されています。
それぞれ 1 アンペア RMS の大きさの 2 つの電流は、ワイヤによって 500 kHz で反対方向に印加されます。

メッシング

メッシングは、設計解析において非常に重要なステップです。 EMS は、モデルの体積、表面積、およびその他の幾何学的詳細を考慮して、モデルの全体的な要素サイズを推定します。メッシュの品質は、結果の精度において重要な役割を果たします。

メッシュ制御とは、モデル内のさまざまな領域でさまざまな要素サイズを指定することを指します。領域内の要素サイズを小さくすると、その領域での結果の精度が向上します。

図 2 は、表 2 に示すメッシュ コントロールを使用した後のメッシュ モデルです。

インダクタンス結果

AC 磁気スタディでは、EMS はインダクタンス、抵抗、鎖交磁束、漏れインダクタンス、渦電流、誘導電圧、エネルギー、および損失を計算します。
参考文献 [1] と比較した 1 つの導体の計算された自己インダクタンスを表 3 に示します。

EMS によって生成される 3D フィールド

図 3 と図 4 は、2 つの電流がワイヤによって 500 kHz で反対方向に印加されたときの、このケーブル内の渦電流の分布を示しています。表皮効果と近接効果がよく表されています。

図 3 -電流密度分布 (正面図)

図 4 -電流密度分布 (Dimetric ビュー)

結論

この例は、EMS を使用すると、電気ケーブルが高周波で簡単にシミュレートされ、表皮効果と近接効果が調査されることを示しています。

参考文献

[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.