Что такое скин эффект

Что такое скин-система и как она работает? | Добывающая промышленность

Широкое использование нефти и продуктов её переработки в промышленности началось со второй половины XIX века.
Развитие добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов выявило проблему необходимости подогрева трубопроводов, резервуаров и других объектов.

Проблема обогрева объектов особенно актуальна для районов Севера европейской части России и Сибири. Острая необходимость обогрева трубопроводов в условиях Крайнего Севера диктуется тем обстоятельством, что транспортировка указанных жидкостей осложняется образованием парафиновых, ледяных и газогидратных пробок.

В случае остановки по необходимости, вода в водоводе может замёрзнуть и разрушить трубу.

Углеводородное сырьё при низких температурах значительно увеличивает свою вязкость, что повышает нагрузку на насосы, а при остановке транспортировки образуются непроходимые пробки.

Наличие системы обогрева позволяет обеспечить нормальное круглогодичное функционирование газовых, нефтяных трубопроводов и водоводов. Поэтому, с одной стороны, системы обогрева обеспечивают стабильность технологических процессов на месторождении, а с другой – являются элементом обеспечения безопасности и повышения надёжности нефтегазового оборудования и систем жизнеобеспечения.

Обогрев трубопроводов снижает риски эксплуатации нефтегазоконденсатных месторождений в экстремальных климатических условиях, а также решает следующие задачи:

предотвращает загустевание и замерзание транспортируемых жидкостей;
компенсирует тепловые потери;
поддерживает температуру технологического процесса;
обеспечивает стартовый разогрев остановленного трубопровода.

Нефтяное путешествие

Вот нефть оказалась на поверхности, прошла первичную обработку и готова отправиться дальше.

Впереди у неё десятки, а то и сотни километров трубопровода, и на этом пути её температуру тоже лучше поддерживать постоянно. Это вопрос экологической безопасности.

А заодно и способ избежать больших финансовых потерь, если с трубопроводом вдруг что-то произойдёт.

Чтобы предотвратить разрушение и простой в работе, можно построить резервуарные парки на всём протяжении трубопровода и в критических ситуациях сливать застывшую нефть туда, но это очень дорого.

Ещё один вариант — сливать на рельеф, то есть просто на землю. Природа после подобных сливов может восстанавливаться несколько десятков лет.

Но есть и третий способ решения проблемы — установка на трубопроводе особых систем обогрева на основе скин-эффекта.
Именно такое решение предлагают специалисты Группы компаний «Специальные системы и технологии» (ГК «ССТ»). Это один из четырёх мировых производителей систем электрообогрева на основе скин-эффекта.

Скин-система

Система электрообогрева на основе скин-эффекта (или индукционно-резистивная система нагрева, ИРСН) является единственной конструкцией, позволяющей обогревать плечо трубопровода до 60 км и подавать питание с одного конца без сопроводительной сети.

Впервые такая технология появилась в Японии в 1960-х годах, и в настоящее время в мире всего несколько производителей сумели освоить её. Сегодня системы электрообогрева на основе скин-эффекта производятся только в Японии, США и России.

Принцип действия рассматриваемой системы основан на двух явлениях: эффекте близости и скин-эффекте (поверхностном эффекте).

Нагревательным элементом системы электрообогрева выступает труба из ферромагнитной стали наружным диаметром 15-60 мм и толщиной стенки не менее 3,0 мм, в которую свободно помещён изолированный проводник из немагнитного материала сечением 8–40 мм2. Проводник в конце плеча обогрева электрически соединяется с трубкой, а в начале плеча между трубкой и проводником подается переменное напряжение от источника электропитания.

Ток, протекающий по жиле проводника, индуцирует магнитное поле, взаимодействующее с током обратного направления, протекающим по трубе. Вследствие чего в ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубке) возникает ярко выраженный скин-эффект: ток протекает не по всей толщине стенки трубки, а в тонком (около 1 мм) поверхностном слое. Причём этот слой расположен у внутренней поверхности стальной трубки.

Так как на внешней поверхности трубки ток практически отсутствует, потенциал наружной поверхности остаётся нулевым, что делает ИРСН электробезопасной.

Системы на основе скин-эффекта получили применение на крупнейших объектах Total, ПАО «НК «Роснефть», ПАО «Газпром», ПАО «ЛУКОЙЛ», среди которых Харьягинское, Южно-Шапкинское, Ванкорское, Песцовое, Заполярное, Новопортовское месторождения, и другиx.

В общей сложности такими системами инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж» (входит в ГК «ССТ») оснастила более 1 000 км трубопроводов в России и за рубежом.

К слову

Инжиниринговая компания «ССТэнергомонтаж» — российский разработчик и поставщик систем электрообогрева и теплоизоляции для различных отраслей промышленности. «ССТэнергомонтаж» входит в Группу компаний «Специальные системы и технологии», которая является лидером российского рынка электрообогрева более 25 лет.

По опыту

За годы работы «ССТэнергомонтаж» накопила существенный опыт в решении задач обогрева трубопроводов.

В портфолио компании — участие в крупнейших проектах, в числе которых магистральные трубопроводы ВСТО, Заполярье-Пурпе, Куюмба-Тайшет, БТС-2.

Так, «Заполярье-Пурпе» является самым северным нефтепроводом России.

Из 488 км — а именно такова его общая протяжённость объекта — 170 проложено за Полярным кругом.

«ССТэнергомонтаж» обеспечила объект системами электрообогрева на основе скин-эффекта и саморегулирующимися нагревательными кабелями.

«По проекту, созданному совместно с заказчиком — компанией «Транснефть» — мы обеспечили скин-системами более 10 км. На всём протяжении стабильно поддерживается температура +5 °C», — рассказали в ГК «ССТ».

Такой объект, как Ванкорское месторождение, в представлении не нуждается. Его называют величайшим нефтяным открытием послед-них 25 лет.

Специалистам ГК «ССТ» довелось поработать и здесь: они выполняли услуги по проектированию, производству, поставке, монтажу и вводу в эксплуатацию систем электрообогрева. Здесь также была установлена ИРСН, длина обогреваемого трубопровода составила 11 417 м. Экспертам пришлось работать с трубами разного диаметра — от 89 до 325 мм. Система функционирует уже более 10 лет, по трубопроводам транспортируется вода, нефть и газ, а благодаря точным расчётам поддерживается температура +2+20 °C.

Источник: https://dprom.online/oilngas/chto-takoe-skin-sistema-i-kak-ona-rabotaet/

Скин эффект

Каждый опытный электротехник знает, что распределение плотности тока в проводнике нелинейно. Чем ближе к центральной оси, тем меньше амплитуда сигнала. При высокой частоте для корректного расчета вполне достаточно учитывать прохождение волн через определенный поверхностный слой. Это явление, скин эффект, способно выполнять полезные функции. Для успешного применения на практике, кроме общей теории, нужно изучить методику вычислений.

На основе скин эффекта создают экономичные системы обогрева трубопроводов

Объяснение поверхностного эффекта

Следует подчеркнуть одинаковую плотность тока при подключении проводника к источнику питания с постоянным напряжением. Однако ситуация изменяется при прохождении волнового сигнала.

Распределение плотности тока в проводнике

Физическая картина возникновения

Для объяснения причин явления можно использовать вторую часть пояснительной картинки выше. В графической форме показаны силовые воздействия, которые образуются переменным полем. Электрическая составляющая (Е) направлена противоположно току (I), что объясняет возникающее сопротивление и соответствующее уменьшение амплитуды. По мере приближения к поверхности будет проявляться обратный эффект. Он вызван совпадением векторов напряженностей.

Уравнение, описывающее скин-эффект

Для выражения амплитуды через плотность тока берут определяющие соотношения из классических уравнений закона Ома и формул Максвелла. Дифференциалом по заданному временному интервалу можно вычислить значения магнитной и электрической компонент поля. В упрощенном виде рассматривают бесконечный проводящий образец, созданный из однородного материала.

Формула определения частоты среза диаметра проводника

Для практических вычислений отдельными незначительными факторами пренебрегают. Например, чтобы определить частоту среза (Fср), цепь радиотехнического устройства рассчитывают по диаметру (D) соответствующего проводника. В формулу добавляют важнейшую характеристику определенного материала – удельное сопротивление (Rу) или проводимость (Sу). Зависимость отмеченных параметров показывает следующее выражение:

Fср = 4/ (π*μ*Sу*D2),

где μ – постоянная величина (μ = 4* Sу*10-7 Генри на метр).

Глубина проникновения

От чего зависит индуктивность

Аналогичным образом, в упрощенном виде, можно рассчитать критичное расстояние от поверхности. Подразумевается, что в соответствующей области плотность тока уменьшается до минимальной значимой величины (-8,69 дБ, по сравнению с номиналом). Этот параметр (Dпр) называют глубиной проникновения. Для вычислений применяют формулу:

Dпр = √( Sу/( π*μ*f)), где f – частота сигнала.

Толщина скин-слоя

Из рассмотренного в предыдущем разделе определения понятна обратная зависимость плотности тока от частоты сигнала. Следующая таблица демонстрирует наглядно «активный» слой медного проводника. При многократном уменьшении энергетического потока в глубине на определенном уровне нецелесообразно применение толстых линий электропередач.

ПараметрЗначения

Частота сигнала, Гц	50	60	10 000	100 000	1 000 000
Толщина скин слоя, мм	9,34	8,53	0,66	0,21	0,067

В первых двух столбцах приведены значения для стандартных сетей переменного тока. Эти данные демонстрируют, что сравнительно незначительное изменение частоты (10 Гц) делает бесполезным 1,62 мм диаметра проводника (медь).

Нетрудно вычислить значительную экономию при создании длинной линии после соответствующей оптимизации параметров сигнала. Следует не забывать, что каждый металл отличается глубиной эффективного слоя.

Какой выбрать вариант, будет понятно после тщательного изучения целевого назначения конструкции.

Аномальный скин-эффект

Внимательное изучение явления позволяет сделать несколько важных выводов. Как показано на конкретных примерах, скин слой отличается небольшой глубиной. Однако соответствующее расстояние намного меньше средних значений свободного пробега заряженных частиц. Следует не забывать, что на соответствующее перемещение нужно затратить определенную энергию. Преодоление электрического сопротивления материала сопровождается нагревом.

Если снижать температуру, проводимость увеличится. Одновременно станет больше свободный пробег, и уменьшится толщина рассматриваемой части проводника. При определенном уровне стандартный механизм волновых взаимодействий станет ничтожным. Аномальный скин эффект – это изменение размеров слоя, в котором обеспечивается достаточно высокая для практического использования плотность тока.

Применение

Поверхностный эффект позволяет обеспечить локальный нагрев части проводника при пропускании переменного тока. Этот принцип используют, чтобы обогреть трубопровод в зимний период. Правильное применение технологии подразумевает следующие преимущества:

отсутствие сопроводительных контрольных и функциональных устройств;
практически неограниченная длина трассы;
возможность безопасного применения высоких температур.

Частотное распределение плотности токов используют для передачи информационных сигналов по силовым линиям электропередач. При достаточном уменьшении длины волны близость центральной части проводника не будет помехой. Модулированная СВЧ составляющая проходит в поверхностном слое. Для создания пакетов данных и расшифровки применяют специальные кодирующие (декодирующие) устройства.

К сведению. Подобные механизмы используют в нефтяной отрасли для оценки продуктивности скважины. Скин фактор определяет сопротивление перемещению жидкости в близкой технологическому отверстию области пласта. По этому параметру делают оценку реального объема добычи, по сравнению с идеальными условиями.

Учёт эффекта в технике и борьба с ним

Это явление оказывает заметное влияние по мере увеличения частоты сигнала. Следует учитывать скин эффект при проектировании схем с переменными (импульсными) токами. В частности, делают коррекцию расчета катушки фильтра, колебательного контура, трансформатора.

Типовые способы решения обозначенных проблем:

уменьшение толщины проводника;
создание полых конструкций;
образование поверхностного слоя из металла с лучшей проводимостью;
устранение неровностей;
плетение из нескольких изолированных жил.

К сведению. Радикальное устранение вредных явлений организуют с помощью передачи электроэнергии постоянным током.

Способы подавления скин эффекта

Перечисленные методики имеют особое значение при работе с высокочастотными радиосигналами. В частности, для улучшения проводимости поверхностный слой создают из серебра, платины, других благородных металлов. Следующие рекомендации применяют на практике при создании качественной аудио аппаратуры:

для пропускания сигналов используют тонкие (0,25-0,35 мм) жилы;
плетением кабеля устраняют значительные искажения силовых линий магнитного поля;
надежной изоляцией предотвращают окисление меди;
проверяют наличие поблизости других линий, способных оказывать вредное взаимное влияние.

Оптоволоконная линия связи

При переходе в СВЧ диапазон сигналы передают по волноводам. Устраняют возможные негативные проявления с помощью передачи данных сигналами в оптическом диапазоне.

Источник: https://amperof.ru/teoriya/skin-effekt.html

Скин-эффект

Силовая полупроводниковая техника работает на частотах, при которых становятся заметными волновые эффекты. В частности, на частотах, использующихся для широтно-импульсной модуляции становится существенным влияние скин-эффекта, которое необходимо учитывать при проектировании силовых проводников конденсаторных блоков и выводных шин силовых модулей.

Если постоянный ток I протекает через проводник диаметром d, то плотность тока (A/мм2) и постоянна по всему сечению проводника. В случае переменного тока это не так. Мы можем представить себе это как проводник (см. рис. 1) состоящий из n концентрических цилиндров, в каждом из которых течет часть полного тока I. Ток, текущий в каждом цилиндре создает магнитное поле, как показано на рис. 2 для цилиндров 1 и 2.

Рисунок 1. Твердый проводник с током Рисунок 2. Цилиндры 1 и 2 с рисунка 1

Чем меньше номер цилиндра по порядку на рис. 1 (1, 2, n), тем больше соответствующих ему линий магнитного поля и тем больше индуктивность этого цилиндра. В случае переменного тока, импеданс меньшего цилиндра при этом будет большим, чем у большего цилиндра. Другими словами, импеданс растет с уменьшением диаметра цилиндра. Плотность тока будет больше у поверхности проводника: этот эффект называется скин-эффектом.

Чем больше частота, тем более выраженным является это явление. Полезная площадь поперечного сечения проводника с током снижается с увеличением частоты тока.

Например, для импульсных источников питания и преобразователей частоты, которые работают на высоких частотах (от 50 до 100 кГц) использовать для обмоток катушек и трансформаторов вместо одного проводника большее число параллельных проводников с меньшей площадью сечения. Свыше 100 кГц для намотки катушек используются так называемые провода Лица.

Этот провод лица фактически является кабелем, состоящим из большого числа тонких проводников, включенных параллельно. Проводящее сечение провода Лица очевидно намного больше, чем у единого проводника того же внешнего диаметра.

На очень высоких частотах ток протекает в очень тонком внешнем слое проводника. При таких обстоятельствах можно использовать полый проводник (волновод в применениях радиолокации от 3 до 10 ГГц).

Выраженный и невыраженный скин-эффект

Рисунок Fig. 3 показывает плотность тока соответственно для невыраженного и выраженного скин-эффекта.

Рисунок 3. Плотность тока в проводнике

Можно определить коэффициент u который будет показывать, является ли скин-эффект выраженным или нет:

d — диаметр проводника (м);

μ = 4π х 10-7 (Гн/м);

μr — относительная магнитная проницаемость;

ρ — удельное сопротивление (Ом/м);

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Вру что это такое

f — частота (Гц).

Если u > 6 имеет место выраженный скин-эффект.

Для медного проводника (ρ = 1.72 x 10-8 Ом/м) и d в мм, а f в кГц имеем:

Омическое сопротивление R переменному току вычисляется как RAC = RDC · K.AC=RDC⋅K

при u > 6 : K=u22√+0.25

при u < 6: K приведен в таблице 1

Таблица 1. величины К для невыраженного скин-эффекта

Величина глубины скин-эффекта

Рисунок 4 показывает распределение тока внутри проводника по отношению к плотности тока на внешней поверхности проводника.

Рисунок 4. Плотность тока для выраженного скин-эффекта

Интерпретацией для глубины скин-эффекта является расстояние до внешней поверхности, на котором плотность тока снижается в е раз. Другим подходом является замена распределенной плотности тока на среднюю постоянную плотность тока (с учетом амплитуды и фазы) в слое sdi на поверхности проводника. Можно считать таким образом, что полезное сечение проводника определяется формулой .

Для случая медного проводника и частоты f выраженной в кГц для sdi в мм имеем: .

Источник: http://skb-proton.ru/publ/teorija/fizika/skin_ehffekt/5-1-0-3

Общее объяснение

При постоянном токе его плотность по всему поперечному сечению проводника одинакова. Но переменный ток регулярно меняет свое направление и силу, что генерирует изменяющееся магнитное поле.

Изменение потока индуцирует вихревые токи в проводнике, направленные на противодействие току внутри провода. На поверхности их направления совпадают. В результате плотность тока экспоненциально уменьшается по направлению к центру.

Ток смещения увеличивается с частотой переменного тока и диаметром проводника.

При высокочастотных сигналах центр проводника практически обесточивается. Сопротивление провода при этом значительно увеличивается за счет смещения тока. Однако это только упрощенная модель.

Распределение плотности тока в проводнике

Помимо скин эффекта, существует эффект близости, который создает дополнительную концентрацию плотности тока на стороне поперечного сечения линии, лежащей в области магнитного поля наибольшей силы. Она проявляется, например, на внутренних поверхностях при двухтактном возбуждении или на внешних сторонах в синхронной возбужденной двойной линии.

Глубина проникновения

Расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока упала до коэффициента 1 / e = 0,37, или -8,69 дБ, называется глубиной проникновения и рассчитывается по формуле:

d = √ (ρ / (π × μ × f)), где:

d – глубина проникновения, мм;
ρ – удельное сопротивление материала;
μ – постоянная проницаемости = 4 × p × 10 -7 Генри / м;
f – частота;

Отсюда можно составить эмпирическое правило для меди:

d = 66 × √ (ρ r / (μ r × f)), где:

ρ r = ρ / ρ Cu = 1;
μ r – для немагнитных материалов, таких как медь, равно 1.

Глубина скин слоя для э/м полей

Из формулы следует, что глубина проникновения для каждой частоты у сверхпроводников равна 0, то есть весь перенос заряда идет по поверхности, а для плохого проводника глубина проникновения очень велика. Глубина проникновения также пропорциональна потерям, возникающим в проводе.

Расчет увеличения сопротивления, возникающего во время скин эффекта, немного сложнее:

Для круглой сплошной медной проволоки с диаметром 2 мм, что соответствует S = 3,15 мм², полученное сопротивление на частоте 100 кГц, по сравнению с таким же значением для частоты 32 кГц, возрастает в 1,5 раза;
Для проводника с d = 0, 2 мм удвоение сопротивления происходит только на частоте 10 мГц.

Важно! Для исключения скин эффекта в звуковом диапазоне до 20 кГц проводник может иметь диаметр не более 1 мм. Если диапазон аудиосигнала величин до 50 кГц, диаметр проводника не может превышать 0,6 мм.

Приблизительная формула для определения частоты среза для данного диаметра проводника:

f c = 4 / (π × μ × s Cu × D 2) = 1 / (π 2 × 5,8 × D 2), где:

f c – частота среза;
D – диаметр проводника;
s Cu= удельная проводимость меди = 5,8 × 10 7 (Ω × м) -1;

Несколько значений частоты среза для меди:

0,1 мм – 1,75 мГц;
0,3 мм – 194 кГц;
0,5 мм – 70 кГц;
0,8 мм – 27 кГц;
1 мм – 17 кГц;
2 мм – 4,4 кГц.

Фактический поверхностный эффект не является чистым увеличением сопротивления.

Часть э/м поля, которая не отражается на проводимости из-за неидеальных свойств провода, но проникает в него, можно назвать полем потерь. Компонента электрического поля ориентирована в осевом направлении вдоль длины проводника, а электромагнитная энергия распространяется радиально, начиная с поверхности. Это является причиной скин эффекта.

Таким образом, поле потерь напрямую зависит от проводимости, магнитной проницаемости и частоты сигнала и в конечном итоге преобразуется в тепло.

Способы подавления скин эффекта

Поверхностный эффект можно подавить или значительно уменьшить, используя вместо сплошной проволоки пучок тонких проводов, покрытых специальным изоляционным лаком. В высокочастотной технологии часто используются тонкостенные трубки, поверхность которых покрыта хорошо проводящим слоем, например, серебром.

Основные особенности подавления скин эффекта:

Идеальные проводники для аудиодиапазона – не толще 0,3 мм;
Структура кабеля должна быть такой, чтобы по всей длине образовывалось однородное магнитное поле между проводниками;
Провод должен быть максимально чистым и однородным, с поверхностью, абсолютно свободной от оксида меди;
Следует избегать рядом лежащих неэкранированных шнуров питания из-за генерируемых магнитных полей;
В качестве диэлектрика лучше использовать материал с возможно меньшей диэлектрической постоянной.

Многожильные провода часто используются и для передачи токов низкой частоты. Сталь или углеродное волокно применяется для передачи мощности на большие расстояния. Широкие дорожки на печатной плате обеспечивают большую площадь поверхности и низкое сопротивление.

С учетом этих простых предложений скин-эффекта можно избежать в большинстве случаев применения электроэнергии. Но правильное функционирование конструкций, работающих на сотнях мегагерц и даже гигагерцах, требует тщательного планирования и инженерных решений.

Оптоволоконные кабели, в которых для передачи данных используется неметаллическая среда, обычно требуются, чтобы глубина поверхностного слоя стандартных проводников оставалась низкой.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/skin-ehffekt.html

Системы электрообогрева на основе индукционно-резистивного греющего кабеля (СКИН — системы)

Индукционно-резистивная система обогрева (СКИН-система) предназначена для защиты от замерзания, поддержания температуры и разогрева протяженных трубопроводов от 3-5 км и длиннее, оснований резервуаров и платформ.

Нагревательный элемент СКИН системы представляет собой конструцию, состоящую из следующих элементов:

Стальной цельнотянутой трубки или индукционно-резистивный нагревателя (ИРН). ИРН изготавливается из особой углеродистой стали с заданными ферромагнитными параметрами наружным диаметром от 16-60мм и толщиной стенки 2,5-4 мм. ИРН крепится к наружной стенке обогреваемого объекта.

СКИН-проводника или индукционно-резистивного проводника (ИРП). ИРП состоит из медной многопроволочной жилы и изоляционной оболочки. Наружная изоляционная оболочка проводника выполнена из термостойкого пластиката или фторполимера. Напряжение питания СКИН проводника составляет от 2 до 5кВ(50-60Гц), а максимальная рабочая температура от -60С до 260С. ИРП прокладывается внутри ИРН.

Нагревательный элемент СКИН-системы способен выделять мощность обогрева до 100Вт/м. Конструкция СКИН-проводника условно показана на рис.1

Рис.1

Принцип работы:

Тепловыделение от нагревательного элемента СКИН-системы происходит благодаря наличию так называемого СКИН-эффекта. СКИН-нагреватель (ИРН) монтируется так, чтобы обеспечить надежный тепловой контакт с объектом обогрева.

СКИН-проводник (ИРП) помещается в ферромагнитный стальной СКИН-нагреватель. На дальнем конце СКИН-проводник накоротко соединяется со СКИН-нагревателем. На обоих концах СКИН-нагреватель заземляется.

На ближнем конце между СКИН-проводником и СКИН-нагревателем прикладывается питающее напряжение промышленной частоты (50-60Гц).

Питающее напряжение прикладывается таким образом, что по ИРП ток течет в одном направлении, а по ИРН возвращается. При этих условиях сопротивление ИРП практически не отличается от сопротивления на постоянном токе. Иные процессы происходят в ИРН.

Так как относительная магнитная проницаемость стали равна 800-1000, за счет взаимного влияния протекающих токов происходит вытеснение тока к внутренней поверхности ИРН. За счет магнитных свойств ИРН в нем имеет место быть хорошо выраженный поверхностный эффект (СКИН-эффект), т.е.

ток протекает не по всей толще стенки ИРН, а в тонком поверхностном слое толщиной около 1 мм у внутренней поверхности ИРН. Поверхностный эффект приводит к тому, что сопротивление ИРН на переменном токе заметно больше, чем на постоянном. При протекании тока происходит выделение тепла в ИРП и в ИРН. Это тепло вместе с теплом от внутреннего проводника передается обогреваемому объекту.

При правильном конструировании системы 60-80% тепла выделяется в ИРН и только 20-40% в ИРП. В результате тепловой режим работы ИРП, проходящего внутри ИРН, не вызывает его существенного перегрева, что служит фундаментом высокой надежности системы.

Важным свойством СКИН-системы является ее электрическая безопасность. Ток протекает по внутренней поверхности ИРН, а на внешней ее поверхности ток практически отсутствует, и нет электрических потенциалов. Электрически система строится так, чтобы обеспечить непрерывность, как ИРП, так и ИРН, представляющего собой обратный проводник. ИРН, как было указано выше, надежно заземляется.

Крепление нагревательного элемента к объекту обогрева производится металлическими хомутами при помощи специального инструмента или точечной сваркой. Поверх нагревательного элемента монтируется слой теплоизоляции с защитным покрытием.

Принцип работы системы на примере обогрева участка трубопровода показан на рис.2-4.

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Преимущества СКИН-систем:

Экономичность. Экономия капитальных затрат на покупку оборудования и материалов системы обогрева при создании систем обогрева протяженностью 3-5 км и более по сравнению с затратами на внедрение саморегулирующихся систем и Long Pipe систем за счет возможности питания системы обогрева с одного конца.
Возможность обогрева протяженного трубопровода. Высокое напряжение питания (до 5кВ) в сочетании с малым сопротивлением системы на метр длины позволяет питать от одного источника плечи обогрева длиной до 20 км.
Электробезопасность. Наружная поверхность обогреваемого элемента заземлена и имеет нулевой потенциал, что гарантирует электробезопасность СКИН-системы.
Хороший тепловой контакт. Металлический нагревательный элемент приваривается или крепится непосредственно к трубопроводу.
Простота монтажа. Основной тепловыделяющий элемент (ИРН) не имеет наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
Надежность. Стальной ИРН обеспечивает механическую прочность и защиту ИРП от повреждений, что особенно важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой. Подходящие для применения при высокой температуре до 200 °C материалы для использования в процессе поддержания температуры. Рабочий диапазон температур СКИН-проводника от -60°C до +260°C. Диапазон температур окружающей среды при эксплуатации систем от -55°C до 0°C.
Ремонтопригодность. Наличие достаточного количества протяжных коробок упрощает доступ к СКИН-проводнику без повреждения теплоизоляции.

Состав системы:

СКИН-система обогрева состоит из двух подсистем:

1. Подсистема электрообогрева.

2. Подсистема питания и управления.

Подсистемы электрообогрева, питания и управления условно показаны на рис. 5-6.

Рис.5

Рис.6

Специалисты ООО «Пром-А Урал» всегда готовы проконсультировать Вас по вопросам применения СКИН-систем электрообогрева, а также оказать услуги по расчету, проектированию и внедрению систем электрообогрева на базе оборудования представленных заводов-изготовителей.

Источник: http://www.prom-a.ru/industrial/delivery/12-delivery/306

ThermTracНагревательная система на основе Скин-эффекта

→Thermon→Система скин-эффекта

Обогрев магистральных трубопроводов длинной до 25 километров.

Система обогрева ThermTrac обеспечивает рентабельную альтернативу традиционным резистивным системам теплообогрева длинных трубопроводов, исключая необходимость громоздкой системы распределения энергии. Один электрический ввод позволяет обогревать трубопровод длиной до 25 километров. Система ThermTrac идеально подходит для поддержания температур, защиты от замерзания и нагрева трубопроводов.

Система генерирует тепло благодаря переменному току, проходящему по внутренней поверхности нагревательной трубки. Система электро- и взрывобезопасна — на наружной поверхности ток отсутствует.

Основой системы обогрева с использованием скин-эффекта является изолированный проводник «ThermTrac».

Компания «Энергия Тепла» поставляет индивидуально под конкретный проект никелированный медный проводник с диэлектрической изоляцией и защитной оболочкой. В системах защиты от замерзания и поддержания низких температур используются медные луженые проводники с тефлоновой изоляцией. Медные никелированные проводники с полиолефиновой изоляцией обеспечивают наилучшие температурные характеристики, гибкость и прочность, необходимые для многих высокотемпературных применений.

Характеристики

Варианты удельной мощности: до 165 Вт/м
Напряжение питания: до 3.5 кВ
Максимальная температура подержания: 2000C
Максимальная температура непрерывного воздействия:Фторополимерная изоляция: 2600CПолиолефиновая изоляция: 1250C
Минимальная температура установки: 460C
Размеры проводника ThermTrac от 8 AWG до 1 AWG
Номинальные размеры трубок от 1/2» до 1-1/2»
Т-класс от Т6 до T2

Максимальная мощность ограничивается допустимыми температурами проводника. Максимальная мощность у проводников с тефлоновой изоляцией, но проводник с полиэтиленовой изоляцией существенно дешевле. Поэтому, если не хватает мощности одной нагревательной трубки – устанавливается несколько.

Чем длиннее система ThermTrac – тем больше необходимо напряжение для поддержания необходимого тока. Рабочее напряжение (а соответственно и количество систем – точек запитки) ограничено допустимым напряжением для изоляции проводника.

Увеличение числа нагревательных трубок снижает требуемый ток в каждой, а соответственно и рабочее напряжение в каждой трубке. Следовательно, увеличивая количество трубок, мы уменьшаем и количество точек запитки.

Напряжение питающей сети непринципиально для системы – трансформаторы могут быть изготовлены под практически любое напряжение.

Описание системы обогрева

Принцип действия системы обогрева ThermTrac основывается на двух явлениях: эффекте близости и скин-эффекте.

Нагревающим устройством является ферромагнитный трубопровод, называемый «нагревательной трубкой», через которую протягивается специально разработанный проводник. На одном конце нагревательная трубка и изолированный проводник соединены между собой. На другом конце они соединены через источник переменного тока (обычно 50 или 60 Гц).

Приложенное напряжение переменного тока вызывает в проводнике генерацию тока, который возвращается по внутренней поверхности трубки. Концентрация обратного тока на внутренней поверхности трубки происходит благодаря магнитному потокосцеплению, создаваемому токами в изолированном проводнике и ферромагнитном трубопроводе. Этот ток проникает в трубку на расстояние, называемое «толщиной скин-слоя».

Благодаря описанному выше явлению, на внешней поверхности трубки измеримое напряжение фактически отсутствует, что позволяет заземлять трубопровод. Теплота, создаваемая в системе ThermTrac, является результатом сопротивления внутренней поверхности нагревательной трубки. (В проводнике ThermTrac возникает неизбежный нагрев I2R, который является результатом протекания тока источника питания к устройству концевой заделки).

Пока электрический ток концентрируется на внутренней поверхности нагревательной трубки, создаваемое тепло будет рассеиваться на присоединенном обогреваемом трубопроводе, увеличивая температуру поверхности трубы и ее содержимого до требуемого уровня.

Внутренний скин-эффект

Скин-эффект и эффект близости. Встречные токи «притягиваются».

Ток не течёт по наружной поверхности трубки, а если нет тока – нет и напряжения.

Система электро- и взрывобезопасна.

1.Нагревающее устройство — нагревательная трубка (ферромагнитный трубопровод)

Трубка должны быть из обычной углеродистой стали
Партия трубки должна быть протестирована компанией Thermon
Типичный размер от 3/4“ до 1.5»
Толщина трубки должна быть больше глубины скин-эффекта
С края трубки должна быть снята фаска
Соединение трубки сварное, муфтами
Крепится бандажом или сваркой

2. Проводник ThermTrac, который протягивается через нагревательную трубку.

С полиэтиленовой и тефлоновой изоляцией
Напряжение до 4кВ
Протягивается через трубку
Сращивается специальными муфтами
Комплектуется наконечниками для подключения

3. Трансформаторная подстанция КТП — спроектирована для удовлетворения требований каждого конкретного проекта на основании используемого напряжения, требований к нагрузке, числа сетей и рабочей среды. КТП для системы ThermTrac обычно состоит из водонепроницаемого сухого трансформатора и снабжен первичными отпайками сверху/снизу и дополнительными отпайками на вторичной обмотке для регулирования энергии.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Закалка твч что это такое

Вакуумные пускатели, рубильники и прочие защитные устройства также являются частью узла нагрузки. Индивидуальные трансформаторы с жидким диэлектриком используются в соответствии с пожеланиями заказчика. Если существует несколько цепей скин-эффекта (с подачей питания из одной точки), для балансировки трехфазного питания, подаваемого на две цепи ThermTrac, могут быть использованы трансформаторы, соединенные по схеме Скотта.

Панели управления и контроля для системы ThermTrac обычно включают управление и контроль температуры с аварийной сигнализацией по высокой и низкой температуре, предохранитель на дифференциальном токовом реле и контроль напряжения/тока. Управляющее и следящее оборудование содержится в водонепроницаемых кожухах (для наружного использования) или пыленепроницаемых кожухах (для использования в помещениях).

4. Датчики температуры PTD-100.
Датчик PTD-100 специально разработан для улучшения точности передачи данных от сенсора датчика до электронного контроллера. Конструкция датчика позволяет не использовать дополнительных искрозащитных барьеров, когда сам датчик находится во взрывоопасной зоне, а контроллер устанавливается в невзрывоопасной зоне.

Датчик может быть подсоединен к соединительным коробкам с маркировкой взрывозащиты EEx e или EExd и применяется вместе с контроллерами типа TC816 или другими типами электронных контроллеров.

5. Бандаж для крепления трубки

6. Коробки подвода питания, протяжки/соединения и концевой заделки являются неотъемлемыми частями системы обогрева с использованием скин-эффекта, в которой они переносят ток так же как и нагревательная трубка.

Поэтому эти устройства изготавливаются из толстенных ферромагнитных материалов и привариваются к нагревательной трубке для непрерывности электроцепи системы скин-эффекта.

Конструкция коробок разрабатывается с учетом характеристик обогреваемого трубопровода и обеспечения водонепроницаемости с помощью закрепляемых на болтах крышек с уплотнением.

6.1. Коробка вводная: Расположенная со стороны подачи силового питания цепи вводная коробка позволяет осуществить подвод питания и подключение нагревательной трубки. Внешний зажим на коробке позволяет выполнить заземление системы.

6.2. Коробка протяжки/соединения: Расположенные периодически вдоль обогреваемого трубопровода, эти коробки обеспечивают доступ для установки проводника ThermTrac. Размер коробки обеспечивает возможность температурных растяжений/сжатий проводника, а разновидность коробок позволяет трубке пересекать обогреваемый трубопровод, если это необходимо, в точках подъема или изменения направления.

6.3. Коробка концевой заделки: Схема и конструкция коробки концевой заделки обеспечивают соединение проводника и нагревательной трубки, позволяя, таким образом, электрическому току возвращаться в коробку подсоединения питания по внутренней поверхности трубки. Внешний зажим на коробке позволяет выполнить заземление системы.

Источник: http://www.teplina.ru/thermon/skin-effect/

Скин эффект в проводнике — смерть для звука?

В погоне за максимальной достоверностью звука, аудиофилы начали яро пытаться подавить скин эффект в звуковых проводах. Но что на самом деле такое этот пресловутый скин эффект? Давайте выясним действительно ли это серьезное препятствие на пути качественного звука или же магия глянцевых журналов.

Что такое скин эффект?

Если вы не сильны в английском, то скин (skin) переводится как кожа или в данном случае скорее слой. В русскоязычной литературе, скин эффект называют поверхностным эффектом.

Говоря простым языком, скин эффект заключается в том, что протекающий по проводнику переменный ток, вытесняется к поверхности проводника с ростом частоты.

Чем выше частота сигнала F тем сильнее он вытесняется к поверхности и тем тоньше становится слой по которому он протекает. Этот слой называется скин слой. Красная область на рисунке — область по которой сигнал не течет.

Это приводит к тому, что скорость протекания сигнала на разной частоте различна. Происходит это потому, что для разных частот используется разная площадь поперечного сечения проводника, а разная площадь это разное сопротивление. Все это приводит к появлению фазовых искажений в сигнале.

Толщина скин слоя

Толщина скин слоя — это толщина слоя поверхности, углубившись на которую сигнал ослабевает в 2.71 раз (константа е). Говоря проще — это полезная площадь проводника, через которую сигнал проходит без изменений.

Представьте только. мы тратим колоссальные деньги на микросхемы и конденсаторы, а какой-то кусочек дешевого провода портит весь эффект. Грусть. печаль

А какая частота считается высокой?

Как уже было сказано, скин эффект проявляется только на переменном сигнале и только на высоких частотах. До этого я специально обходил числовые значения частоты стороной. Но что же означает высокая частота?

Тут стоит заострить внимание на том, что под «высокими частотами» подразумеваются высокие по меркам электроники, а не человеческого слуха. Бороться с проявлением скин эффекта начинают на частотах выше 1МГц. Там может доходить и до того, что проводники делаются не сплошными, а полыми в виде трубок. Т.к. в центральная часть проводника становится не просто ненужной, но еще и вредной для сигнала.

Конечно скин эффект проявляется и в слышимой области частот. Не зря же об этом пестрят все Хай-Энд издания. Но вот только хитрые маркетологи не говорит о том, насколько проявляется это влияние.

Скин эффект для конкретных частот

Сегодня существует довольно много онлайн калькуляторов, считающих толщину скин слоя для конкретной частоты. Мне приглянулся этот. На нем и будем считать.

А теперь давайте узнаем толщину скин слоя для максимальной слышимой частоты. Считается что мы слышим в лучшем случае до 20кГц. Но есть данные, что в улитке слухового аппарата есть специальные волоски, погруженные в лимфу, которые чувствуют частоты до 100кГц. Эти частоты, хоть мы их и не слышим влияют на восприятие слышимого диапазона

Да не важно) вообщем, для 100 кГц толщина скин слоя составляет 0.2 мм.

Если взять провод с радиусом равным толщине скин слоя, то на скин эффект можно наплевать. Ибо его толщина это весь провод.

Толщину проводков, применяемых в наушниках можно посмотреть зарезав одни из своих наушников или, например, в статье «как починить наушники без паяльника». Сегодня уже практически стандарт делать такие провода из литцендрата.

Литцендрат это многожильный провод, каждая жилка которого имеет отдельную лаковую изоляцию.

Так что толщина каждого проводка много меньше полученного результата. Вот таким нехитрым образом страницы красивых журналов нас красиво разводят.

Может другие эффекты?

Конечно есть еще один поверхностный эффект. Суть его сводится к тому, что все протекающие в проводнике заряды — электроны имеют одинаковый знак. А как известно, одинаковые заряды отталкиваются. В результате протекающий ток подобно скин эффекту прижимается к краю проводника.

Но этот эффект проявляется только при токах намного больших 10-20 ампер, и ни к межблочным ни к наушниковым кабелям никакого отношения не имеет

Заключение

Провод действительно может влиять на звук. Так или иначе он обладает такими паразитными характеристиками как индуктивность, емкость и сопротивление. Но у любого качественного провода эти паразитные величины настолько мизерны, что грешно косить на кабель, если что-то плохо звучит.

Материал подготовлен исключительно для сайтаAudioGeek.ru

Follow @AudioGeek_ru

Источник: https://audiogeek.ru/skin-effect/

Система ИРСН-15000 на основе скин-эффекта

Обогрев трубопроводов неограниченной длины
Не требуется сопроводительная сеть
Высокие рабочие температуры
Электробезопасность
Высокая механическая прочность системы обогрева
Эксплуатация во взрывоопасных зонах

Назначение

Индукционно-резистивная система нагрева ИРСН или скин-система предназначена для поддержания температуры продукта, защиты от замерзания и стартового разогрева магистральных трубопроводов большой длины. Система допускает надземную, подземную, подводную прокладку, в том числе и во взрывоопасных зонах.

Единственная система, позволяющая обогревать трубопровод длиной до 60 км (без сопроводительной сети). Данная система обогрева может быть использована для обогрева трубопроводов неограниченной длины при условии устройства сопроводительной питающей сети.

Конструкция

ИР-нагреватель — Труба из низкоуглеродистой стали диаметром 15–60 мм с толщиной стенки 3–4 мм
ИР-проводник — Специальный проводник, устойчивый к воздействию высокого напряжения (до 5 кВ), к тепловым нагрузкам (до 260 °С) и механическим нагрузкам при монтаже
ИРПК, ИРСК, ИРКК, ИРС, КТП — Соединительные, питающие, концевые коробки, соединители, Комплектная трансформаторная подстанция

Принцип действия

Нагревательный элемент системы состоит из индукционно- резистивного нагревателя (ИР-нагревателя) наружным диаметром 15–60 мм и толщиной стенки не менее 3,0 мм и проложенного в ней изолированного индукционно- резистивного проводника (ИР-проводника) из меди сечением 8–40 мм². ИР-проводник в конце плеча обогрева электрически соединяется с ИР-нагревателем, а в начале плеча между ИР-нагревателем и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.

Токи ИР-проводника и ИР-нагревателя направлены встречно, и в системе имеют место поверхностный эффект и эффект близости. В результате ток в ИР-нагревателе протекает по внутреннему слою вблизи внутренней поверхности ИР-нагревателя, а напряжение на ИР-нагревателе отсутствует.

ИР-проводник выполняется немагнитным (медь, алюминий), заметного поверхностного эффекта в нем не возникает, а переменный ток течет по всему сечению ИР-проводника.

Основным тепловыделяющим элементом ИРСН является ИР-нагреватель, на него приходится до 80% мощности системы.

Источник: https://energybase.ru/equipment/sistema-irsn-15000-na-osnove-skin-effekta

Поверхностный эффект в проводнике. Скин-эффект. Частотные свойства

Переменный ток сопровождается электромагнитными явлениями, которые приводят к вытеснению электрических зарядов с центра проводника на его периферию. Этот эффект называется — поверхностным эффектом, или скин-эффектом.

В результате этого эффекта ток становится неоднородным. На периферии ток оказывается большим по величине, чем в центре.

Это происходит из-за различия в плотности свободных носителей зарядов в перпендикулярном сечении проводника относительно направления тока.

Глубина проникновения тока определяется согласно выражению:

Используя приведённую выше формулу для медного проводника получаем, что при частоте тока в 50 Гц глубина проникновения составит приблизительно 9,2 мм. Фактически это означает, что имея проводник с круглым сечением с радиусом более 9,2 мм, ток в центре проводника будет отсутствовать, потому как там не будет свободных носителей зарядов.

Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения. Увеличение частоты тока в два раза повлечет за собой уменьшение глубины проникновения в корень квадратный из двух. Если частота тока увеличится в 10 раз, то, соответственно, глубина проникновения уменьшится в корень из 10 раз.

График распределения тока

На графике наглядно показано распределение плотности тока J в проводнике круглого сечения (цилиндрический). За пределами глубины проникновения плотность тока равна нулю или же ничтожно мала, потому как в этих местах проводника отсутствуют свободные электроны. Ток в этих местах отсутствует.

Если из центра такого проводника где отсутствует ток, извлечь проводящий материал, то мы получим полый проводник в виде трубки (трубчатый). Проводящие характеристики от этого не изменятся, потому как тока там и не было, сопротивление такого проводника не изменится, но могут поменяться такие характеристики как индуктивность и емкость проводника.

Сопротивление проводника в цепи переменного тока зависит не только от материала проводника, но также от частоты тока. При высоких частотах, за счет скин-эффекта, весь ток начинает протекать практически по границе проводника, там где он контактирует со внешней, не проводящей средой.

Практическое использование скин-эффекта

Распределение плотности тока в проводнике в зависимости от частоты тока позволяет по одному проводу передавать электрические сигналы разных частот. Сигналы более высокой частоты проходят по внешнему радиусу (большему) проводника, а сигналы меньшей частоты по меньшему радиусу. Получается нечто вроде слоенного пирога цилиндрической формы, где начинка распределяется сферически. Каждый вид начинки — это как бы отдельная частота тока.

Учитывая глубину проникновения тока для разных частот, если требуется проводник с радиусом большим, чем глубина проникновения, то разумно применять многожильный кабель.

Скажем так, для 50 Гц частоты тока, предельный радиус примерно 9 мм, а это значит, что нет смысла эксплуатировать цельный проводник с радиусом больше 9 мм.

Это не даст никакого увеличения проводимости, потому как ток в центре проводника будет отсутствовать, что является нерациональным использованием дорогостоящей меди. Вот поэтому при больших сечениях применяют многожильные провода и кабели.

При передачи высокочастотных сигналов, в целях экономии цветного металла, основной несущий провод изготавливают из дешевого стального сплава, который затем покрывают тонким слоем меди. Благодаря скин-эффекту ток протекает практически только по медной оболочке, а в стальном основании он отсутствует. Это позволяет значительно удешевить провода и кабели для высокочастотных средств связи.

Дата: 27.05.2016

Valentin Grigoryev (Валентин Григорьев)

Источник: http://electricity-automation.com/page/poverkhnostnyy-effekt-v-provodnike-skin-effekt-chastotnyye-svoystva

Преимущества

Обогрев трубовпроводов неограниченной длины
Электробезопасность
Не требуется сопроводительная сеть
Высокие рабочие температуры
Высокая механическая прочность системы
Эксплуатация во взрывоопасных зонах

Конструкция

1. Высоковольтная линия

2. Комплектная трансформаторная подстанция (КТП)

3. ИР-нагреватель

4. ИР-проводник

5. Теплоизоляция

6. Обогреваемый трубопровод

Принцип действия

ИР-проводник в конце плеча обогрева электрически соединяется с ИР-нагревателем, а в начале плеча между ИР-нагревателем и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.

ИР-проводник выполняется немагнитным (медь, алюминий), заметного поверхностного эффекта в нем не возникает, а переменный ток течет по всему сечению ИР-проводника.

Основным тепловыделяющим элементом ИРСН является ИР-нагреватель, на него приходится до 80 % мощности системы.

Безопасность системы обеспечивается поверхностным эффектом, за счет которого ток протекает по внутренней поверхности ИР-нагревателя. При этом на наружной поверхности потенциал равен нулю.

Отвод тепла от скин-системы к трубопроводу обеспечивается за счет хорошего контакта и применения специальной тепловодной пасты Silarm.

Технические характеристики

Длина обогреваемого трубопровода	до 60 км без сопроводительной сети
Мощность системы обогрева	до 150 Вт/м
Максимальная рабочая температура	200 °С
Минимально допустимая температура (без нагрузки)	260 °С
Диапазон температур окружающей среды	-60+55 °С
Напряжение на нагревательном элементе	до 5 кВ
Сечение проводника ИР-нагревателя	до 40 мм²

Сертификат соответствия IECEx на нагревательную систему № IECEx CCVE 18.0002X

Источник: https://sstprom.ru/products/skin_system/

Высокочастотные токи. Скин-эффект

Определение 1

Токами высокой частоты считают токи, которые имею частоту выше, чем $10000 Гц$. Для этих токов не выполняются условия квазистационарности. В процессе протекания такого тока по проводнику, в проводнике появляются вихревые токи, которые порождаются изменениями магнитного поля с высокой скоростью.

Изменения магнитного поля в проводнике происходят такие, что на его оси вихревой ток имеем направление встречное к основному току, а у поверхности проводника течение этого тока совпадает с направлением основного тока.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Клеммы wago как пользоваться

Значит, ток высокой частоты имеет непостоянную плотность по поперечному сечению. Плотность тока в центре сечения проводника почти равна нулю. Она увеличивается при движении в направлении к наружной поверхности.

При очень высокой частоте ток течет по тонкому наружному слою проводника.

Сейчас токи высокой частоты широко применяются. Высокочастотные плавильные печи применяют для быстрого прогрева металлических тел. С помощью высокочастотных токов проводят закаливание стальных деталей. Объект на короткое время размещают внутри катушки с током высокой частоты.

Поверхностный слой детали разогревается вихревыми токами, ее внутренность при этом остается холодной. Деталь вынимают из катушки, внутренняя часть быстро отнимает тепло у поверхностного слоя, поверхность быстро охлаждается и закаляется. Глубину прогрева регулируют временем выдержки детали в катушке и частотой тока.

После такой процедуры поверхность детали становится твердой и прочной, внутри металл сохраняет упругость и пластичность.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Скин —эффект

Определение 2

Постоянный ток по поперечному сечению проводника распределяется равномерно. У переменного тока из-за индукционного взаимодействия разных элементов тока проходит перераспределение плотности тока по поперечному сечению проводника. Явление, при котором ток преимущественно сосредотачивается в поверхностном слое проводника, называется скин-эффектом.

Пусть мы имеем цилиндрический проводник, по которому течет ток. Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Силовые линии этого поля — концентрические окружности, центр которых лежит на оси проводника.

Если силу тока увеличить, то повысится индукция магнитного поля, но форма силовых линий не изменится.

Соответственно, производная $\frac{\partial \overrightarrow{B}}{\partial t}$ направлена по касательной к линии индукции магнитного поля, линии производной также — окружности, которые совпадают с силовыми линиями. Мы знаем из закона электромагнитной индукции, что:

Вектор напряженности индукционного поля в областях расположенных ближе к оси проводника имеет направление противоположное вектору напряженности электрического поля, которое создает ток, в дальних областях направления этих векторов совпадают. В результате плотность тока уменьшается около оси и увеличивается ближе к поверхности проводника, то есть появляется скин-эффект.

В металлах в виду их высокой проводимости током смещения можно пренебречь в сравнении с током проводимости. Из-за чего проникновение магнитного поля в металл аналогично процессу диффузии в математическом отношении. За основу возьмем уравнение (1) и уравнение (2):

Используем закон Ома:

приравняем правые части выражений (2) и (3) и продифференцируем полученное выражение, в результате имеем:

Или учитывая формулу (1):

Используем известные соотношения:

окончательно получим:

Если ток течет по однородному бесконечному проводнику, который занимает полупространство y$>$0 вдоль оси X, причем поверхность проводника плоская, и можно записать:

В таком случае уравнение (7) преобразуется к виду:

Можно предположить, что:

Подставив выражение (11) в уравнение (10) получим:

Решением уравнения (12) является функция:

где $\alpha =\sqrt{\frac{\omega \sigma {\mu }_0\mu }{2}}$. Возьмем действительную часть выражения (13) и перейдем к плотности тока, используя закон Ома, получим:

Если считать, что амплитуда плотности тока $j_0=j_x\left(0,0\right)$, то выражение (14) примет вид:

Толщина скин-слоя

Объёмная плотность тока максимальна у поверхности проводника. На расстоянии $\triangle =\frac{1}{\alpha }\ \ от\ поверхности\ $она становится в e раз меньше. Почти весь ток находится в $\triangle $ слое, который называют толщиной скин — слоя. Толщина скин — слоя равна:

При высокой частоте тока толщина скин — слоя весьма мала.

Пример 1

Задание: Во сколько раз уменьшится толщина скин — слоя меди, если ${\omega }_1={10}4с{-1}$, а ${\omega }_2={10}6с{-1}$.

Решение:

Толщина скин — слоя проводника рассчитывается по формуле:

\[\triangle =\sqrt{\frac{2}{\sigma \mu {\mu }_0\omega }}\left(1.1\right).\]

Если дважды записать выражение (1.1) для разных частот тока, то получим:

\[\frac{{\triangle }_1}{{\triangle }_2}=\sqrt{\frac{{\omega }_2}{{\omega }_1}}\left(1.2\right).\]

Проведем вычисления:

\[\frac{{\triangle }_1}{{\triangle }_2}=\sqrt{\frac{{10}6}{{10}4}}=10.\]

Ответ: Толщина уменьшится в 10 раз.

Пример 2

Задание: Почему при высокой частоте тока можно убрать проводящий материал из цилиндрической области внутри проводника и оставить только проводящую оболочку?

Решение:

Как было показано в предыдущем примере, с увеличением частоты тока, глубина слоя в котором распространяется ток, становится очень небольшой. То есть ток течет лишь в малой части поперечного сечения проводника около его поверхности (скин — эффект).

Следовательно, ничего не изменится, если убрать проводящий материал из цилиндрической области внутри проводника и оставить только цилиндрическую оболочку толщиной скин — слоя. Если проводник толстый, а частота его невелика, то ток течет по всему поперечному сечению и только немного ослабевает к оси провода.

Так, при технической частоте в $50 Гц$ скин — эффект в обычных проводниках выражается очень слабо.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/vysokochastotnye_toki_skin-effekt/

Расчет скин-эффекта сжатия и кольматации по реальным данным эксплуатации

Для оперативной работы при регулировании режима работы скважины, а также для подсчета запасов и для проектирования разработки нужно иметь по каждой скважине фактические данные о скин-эффекте, который снижает дебит нефти и газа.

На практическом примере показана методика определения скин-эффекта кольматации и скин-эффекта сжатия . Оказывается, что для коллекторов повышенной проницаемости (более 300 мД) при реальных депрессиях эксплуатации величина много больше значения .

В то же время на практике величина определяется неточно по одиночным замерам КВД, а величина просто игнорируется, так как о ней ничего не известно.

Ключевые слова: скин-эффект кольматации, скин-эффект сжатия, проектирование разработки, нефть, газ.

Линии «нормальных» продуктивностей и дебитов, линия средних продуктивностей

Нами рассмотрены данные эксплуатации карбонатного нефтеносного коллектора.

По данным эксплуатации (рис. 1) выделяются временные интервалы со «спокойной» работой скважины. Из рассмотрения исключаются точки, перед которыми (по времени) были резкие изменения депрессии, что сказывается на резком изменении дебитов.

Рис. 1. Изменение во времени давлений и дебитов при эксплуатации скважины

По выбранным точкам строятся два графика в координатах продуктивность – депрессия (рис. 2) и дебит — депрессия (рис. 3). Поскольку на всех графиках точки перенумерованы, то поведение каждой из них можно проследить в тех или иных координатах.

Рис. 2. Зависимость продуктивности от депрессии

Рис. 3. Зависимость дебита от депрессии

На графиках (рис. 2 и 3) проведены линии, которые огибают точки сверху. Эти линии названы соответственно линией «нормальных» продуктивностей и линией «нормальных» дебитов.

«Нормальные» линии соответствуют тем периодам работы скважины, в которых она была менее всего засорена, то есть с минимальной кольматацией. В процессе эксплуатации величина кольматации менялась, что проявлялось на изменении продуктивности, а стало-быть и дебита. Для проектирования разработки месторождения целесообразно оценить среднее значение кольматации, которое будет соответствовать линии средних значений продуктивности. Именно такая линия проведена на графике продуктивностей (рис. 2).

Построение «нормальных» линий облегчается наличием двух обстоятельств.

Во-первых, для эксплуатационных нефтяных и газовых скважин, работающих в «спокойном» режиме, имеется практически линейная (см. рис. 2) зависимости логарифма продуктивности () от депрессии (), то есть

или . (1)

Во-вторых, при уменьшении депрессии до нуля дебит флюида (нефть, газ, вода) также практически уменьшается до нуля (рис. 3). Из (1) следует, что дебит флюида определяется выражением

. (2)

Отметим, что при наличии экстремума в интервале рабочих депрессий следует выделять максимум дебита и соответствующую этому максимуму депрессию, которая названа оптимальной. При прочих равных условиях следует рекомендовать это значение депрессии для эксплуатации.

Скин-эффект кольматации

Снижение дебита флюида при неизменности депрессии объясняется засорением прискваженной зоны пласта, то есть скин-эффектом кольматации ().

Из (1) можно [1] вывести формулу для скин-эффекта кольматации

. (3)

Здесь присутствуют радиусы контура воронки депрессии и скважины .

В формуле (3) значения продуктивности и должны находиться на «нормальной» линии продуктивности, а значение должно быть расположено на пересечении линии средних продуктивностей и той же депрессии, которая соответствует продуктивности .

Скин-эффект сжатия

Уменьшение продуктивности с увеличением депрессии можно объяснить скин-эффектом сжатия горных пород (). При сжатии пород уменьшаются их фильтрационные свойства и в том числе продуктивность.

Из формулы (1) можно вывести формулу для скин-эффекта сжатия

. (4)

В формуле (4) значения дебитов и должны находиться на «нормальной» линии продуктивностей (рис. 2) причем точка I находится при депрессии, стремящейся к нулю, а точка II может находиться на произвольной депрессии, например на оптимальной депрессии.

Расчет скин-эффектов

На уменьшение дебита влияет сумма двух компонент скин-эффекта: скин-эффекта кольматации и скин-эффекта сжатия .

Для определения скин-эффекта кольматации следует воспользоваться формулой (3). Пусть радиус контура воронки депрессии равен 200 м, а радиус скважины равен 0,1 м. Продуктивность (рис. 2) в точке равна , в точке равна , а в точке равна . Теперь подставим численные значения в формулу (3) и получим

. (5)

Из (5) следует, что за счет скин-эффекта кольматации равного 1,05 дебит уменьшился (на рис. 3 дебиты в точках II и III) на относительную величину . (6)

Для определения скин-эффекта сжатия следует воспользоваться формулой (4) и подставить в нее соответствующие данные, которые уже были использованы в выражении (5), получаем

. (7)

Влияние скин-эффекта сжатия на дебит

Посмотрим, насколько скин-эффект сжатия сказался на уменьшении дебита по сравнению с тем, когда этот скин-эффект не учитывается, то есть при условии, что продуктивность не зависит от депрессии или Для рассчитываемый дебит будет равен . Фактический дебит (рис. 3) равен 75,9 .

По аналогии с расчетом для снижения дебита за счет кольматации (6) имеем снижение дебита за счет скин-эффекта сжатия

. (8)

Итак, за счет скин-эффекта сжатия равного 13,08 относительное уменьшение дебита по сравнению с его отсутствием составит величину , то есть почти на 100 %, что существенно больше по сравнению с влиянием на дебит скин-эффекта кольматации.

Заключение

В статье на численном примере подробно описана методика расчета скин-эффектов кольматации и сжатия, показано как эти скин-эффекты сказываются на дебите, показана важность учета скин-эффекта сжатия. Игнорирование скин-эффекта сжатия приводит к неверным прогнозам дебитов.

Литература

Начало страницы

ГДИ-эффект

Публикации

Контакты

страница

2011—2013, ООО «ГИС-ГДИ-эффект»

Источник: http://gisgdieffect.narod.ru/publish/2011/6/

Что такое СКИН-система и как она работает

Безопасная и надежная система обогрева трубопроводов любой длины при надземной, подземной, подводной прокладке, в том числе во взрывоопасных зонах.

Единственный способ обогрева трубопроводов длиной до 30 км без сопроводительной сети
Самый эффективный способ обогрева любых магистральных трубопроводов неограниченной длины
Высокая прочность и надежность, присущие конструкции системы
Возможность использования во взрывоопасных зонах
Тепловыделение нагревательных элементов до 120 Вт/м
Рабочие температуры до 200°С
Отсутствие потенциала на наружных поверхностях тепловыделяющих элементов, они заземлены, и не требуют электрической изоляции

Назначение скин-системы

Индукционно-резистивная система (СКИН-ЭФФЕКТ) предназначена для поддержания температуры продукта, защиты от замораживания и стартового разогрева магистальных трубопроводов большой длины.

СКИН-ЭФФЕКТ — единственная система, позволяющая обогреть плечо трубопровода длиной до 30 км с подачей электропитания с одного конца, без сопроводительной сети и самое эффективное и экономичное решение для обогрева магистральных трубопроводов неограниченной длины с сопроводительной питающей сетью.

Принцип действия СКИН-ЭФФЕКТА

В СКИН-СИСТЕМЕ применяются специальные нагревательные элементы, использующие явление скин-эффекта и эффекта близости в проводниках из ферромагнитных материалов на переменном токе промышленной частоты.

Нагревательный элемент представляет собой трубу из низкоуглеродистой стали с наружным диаметром 20–60 мм и толщиной стенки не менее 2-х мм, внутри которой располагается проводник из немагнитного материала (меди или алюминия) сечением 25–50 кв.мм.

Проводник в конце плеча обогрева надежно соединяется со стальной трубой, а в начале плеча между трубой и проводником подается переменное напряжение, величина которого рассчитывается исходя из необходимого тепловыделения и длины участка обогрева.

Переменный ток течет по всему сечению внутреннего проводника, поскольку на промышленной частоте в немагнитном материале с хорошей проводимостью заметного поверхностного эффекта не возникает. В ферромагнитном внешнем проводнике (стальной трубе) скин-эффект ярко выражен и весь ток течет по внутреннему слою трубы толщиной около 1 мм, а потенциал наружной поверхности трубы остается практически нулевым. В силу малой толщины скин-слоя, основное тепловыделение (до 80%) происходит в стальной трубе.

Преимущества скин-эффекта

Большая длина обогреваемого участка трубопровода. Это связано с тем, что токонесущий проводник большого сечения разгружен от функции тепловыделения и выполняет фактически функцию встроенной сопроводительной цепи питания.
Запитка с одного конца. По своей природе конструкция СКИН-СИСТЕМЫ предназначена для подачи питания с одного конца обогреваемого участка.
Электробезопасность.
Наружная поверхность тепловыделяющего элемента имеет нулевой потенциал относительно земли, она заземлена и полностью экранирует находящийся внутри токонесущий проводник.
Хороший тепловой контакт. Металлический тепловыделяющий элемент непосредственно приваривается к трубопроводу или прикрепляется к нему с помощью специальных элементов.
Простота монтажа.

Тепловыделяющие элементы не имеют наружной электрической изоляции, которую можно повредить при монтаже.
Надежность. Прочные тепловыделяющие элементы в виде стальных труб обеспечивают механическую прочность и защиту токонесущих проводников от повреждений. Это важно для трубопроводов, проложенных под землей или под водой.

В зависимости от требуемой мощности обогрева и длины трубопровода скин-система может состоять из одного, двух или трех нагревательных элементов.

Комплексная система

СКИН-системапоставляется и монтируется в полном комплекте, включающем: — элементы системы обогрева — систему контроля и управления — систему электропитания Система электропитания выполняется в виде комплектной трансформаторной подстанции (КТП), включающей в себя распределительные ячейки высокой и низкой стороны, специализированный симметрирующий трансформатор. КТП размещается в специализированном обогреваемом и освещаемом контейнере. Кроме того, имеется возможность оснастить КТП охранно-пожарной сигнализацией и системой охлаждения.

Тепловыделение

Рабочий диапазон температур: -50°С +200°С

Электропитание

до 6 кВ ~ 50 Гц

Конструкция

Тепловыделяющий элемент: труба из низкоуглеродистой стали диаметром 20–60 мм с толщиной стенки 3–4 мм Токонесущий проводник: специальный проводник, устойчивый к воздействию высокого напряжения (до 5кВ), к тепловым нагрузкам (до 200°С) и механическим нагрузкам при монтаже

Расчетное распределение температур

Пример обогрева теплоизолированного трубопровода двумя нагревательными элементами системы с суммарной мощностью 120 Вт/м. Диаметр трубы 108 мм, t окр. возд. = –35°C.

Источник: http://hot.company/articles/obogrev-trub/skin-effekt/