Skin effect and active resistance of power transmission line wires

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The study aims to analyze the skin effect as applied to the active resistance of aluminum wires using a mathematical model based on the theory of electromagnetic fields. The study uses the Elcut finite element simulation software. The simulated object includes round aluminum and cylindrical steel-aluminum wires with a cross-section of 339 mm2 each, as well as AS 300/39 wire. The nonuniformity of a real power transmission line with steel-aluminum wires is considered. Calculations were verified in the Elcut software by dividing the aluminum wire into two components: a circle with a cross-section of 39 mm2 and an outer ring with a cross-section of 300 mm2. The results of aluminum wire simulation at different harmonics have established a coincidence of the obtained skin effect coefficients with the mathematical model. This coefficient reflects an increase in the active resistance of the wire at the highest harmonic in relation to direct current resistance. For an aluminum wire with a cross-section of 339 mm2, the active resistance at the 5th, 7th,11th, and 13th harmonic has increased by 24, 40, 71, and 84%, respectively. This circumstance confirmed the need to consider the skin effect in the assessment of power losses in power transmission lines at higher harmonics. We propose to simulate the AS wire as a cylindrical nonuniform wire consisting of a steel circle inside an aluminum ring. For AS 300/39 wire, the error of determining the skin effect coefficient using this method is below 5% in the studied harmonic range. Thus, the proposed research method considering AS wires as round cylindrical shows the possibility of refining their mathematical model.

About the authors

A. V. Belosvetov

Siberian State University of Water Transport

Email: belosvetov-anton@mail.ru

V. Z. Manusov

Yugra State University

Email: Manusov36@mail.ru

References

  1. Levačić G., Župan A., Čurin M. An overview of harmonics in power transmission networks // First International Colloquium on Smart Grid Metrology. 2018. https://doi.org/10.23919/SMAGRIMET.2018.8369828.
  2. Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах / пер. с англ. Е.А. Васильчикова; под ред. Ю.С. Железко. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.
  3. Шандрыгин Д.А., Довгун В.П., Егоров Д.Э., Маньшин М.В. Анализ резонансных режимов в электро энергетических системах с тяговой нагрузкой // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 396–407. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-396-407. EDN: MPFYPK.
  4. Буй Нгок Хунг, Коверникова Л.И. Анализ возможности применения активных фильтров для снижения несинусоидальности напряжения в системе электроснабжения одного из угольных карьеров Вьетнама // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 318–332. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-318-332. EDN: KCTRQU.
  5. Пантелеев В.И., Кузьмин И.С., Завалов А.А., Тихонов А.В., Умецкая Е.В. Качество электрической энергии в системах электроснабжения горно-перерабатывающих предприятий России // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25. № 3. С. 356–368. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-3-356-368. EDN: SRSSJA.
  6. Бебихов Ю.В., Егоров А.Н., Матул Г.А., Семенов А.С., Харитонов Я.С. Поиск путей повышения эффективно сти применения высоковольтного частотно-регулируемого электропривода в условиях горного производства // Естественные и технические науки. 2018. № 8. С. 228–234. EDN: XYUMDB.
  7. Ashraf N., Abbas G., Abbassi R., Jerbi H. Power quality analysis of the output voltage of AC voltage and frequency controllers realized with various voltage control techniques // Applied Sciences. 2021. Vol. 11. Iss. 2. P. 538. https://doi.org/10.3390/app11020538. EDN: BSGOVR.
  8. Dutta N., Kaliannan P., Subramaniam U. Experimental analysis of PQ parameter estimation of VFD drives // Materials Science and Engineering: IOP Conference Series. 2020. Vol. 937. Iss. 1. Р. 012042. https://doi.org/10.1088/1757-899X/937/1/012042.
  9. Jyothi R., Sumitgupta, Rao K.U., Jayapal R. IoT application for real-time condition monitoring of voltage source inverter driven induction motor // Innovative Data Communication Technologies and Application. 2021. Vol. 59. P. 97–105. https://doi.org/10.1007/978-981-15-9651-3_8.
  10. Ахмедов С.Б., Климов П.Л. Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энер гии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 1. С. 97–111. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-1-97-111. EDN: JZCIJV.
  11. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Моделирование резонансных процессов на высших гармониках в тяговых сетях переменного тока // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3. С. 214–221. EDN: WMELHD.
  12. Hu Haitao, Shao Yang, Tang Li, Ma Jin, He Zhengyou, Gao Shibin. Overview of harmonic and resonance in railway electrification systems // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 54. Iss. 5. P. 5227–5245. https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2813967.
  13. Анненков Е.О., Зубова Е.В., Селезнев А.С., Федосов Д.С. Оценка эффективности метода двух измерений при определении параметров схем замещения элементов электрической сети для высших гармонических составляющих токов и напряжений // iPolytech Journal. 2022. Т. 26. № 3. С. 401–414. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2022-3-401-414.
  14. Silvério E.T., Macedo Junior J.R. Measuring and modeling the skin effect for harmonic power flow studies // Energies. 2023. Vol. 16. Iss. 23. Р. 7913. https://doi.org/10.3390/en16237913.
  15. Zhang Xiao-Ping, Yan Zuanhong. Energy quality: a definition // IEEE Open Access Journal of Power and Energy. 2020. Vol. 7. P. 430–440. https://doi.org/10.1109/OAJPE.2020.3029767.
  16. Боровиков В.С., Волков М.В., Иванов В.В., Литвак В.В., Мельников В.А., Погонин А.И.. Режимные свойства электрических сетей 110 кВ юга России в обеспечении эффективности транспорта электроэнергии: монография. Томск: STT, 2013. 268 с. EDN: TZMHRJ.
  17. Боровиков В.С., Волков М.В., Иванов В.В., Литвак В.В., Мельников В.А., Погонин А.И., Харлов Н.Н. Опыт корпоративного обследования электрических сетей 110 кВ Сибири: монография. Томск: Томский политехнический университет, 2010. 227 с. EDN: QMLILB.
  18. Харлов Н.Н. Резонансные режимы многопроводных линий электропередачи // Электричество. 2009. № 12. С. 9–13.
  19. Харлов Н.Н., Иванов В.В., Погонин А.В., Мельников В.А. Формирование уравнений установившихся несину соидальных режимов электрических систем с учетом распределенности параметров ЛЭП // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314. № 4. С. 56–59. EDN: KVYIBF.
  20. Харлов Н.Н., Боровиков В.С., Литвак В.В., Погонин А.В., Мельников В.А. Энергетическое обследование не синусоидальных режимов многопроводных линий электропередачи // Электричество. 2011. № 12. С. 12–15.
  21. Боровиков В.С., Харлов Н.Н., Акимжанов Т.Б. О необходимости включения добавочных потерь от высших гармоник тока в технологические потери при передаче электрической энергии // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322. № 4. С. 91–93. EDN: QAREGB.
  22. Akimzhanov T.B., Kharlov N.N., Borovikov V.S., Ushakov V.Y. Development of calculation methods for additional electrical power losses during transportation // The 9th International Forum on Strategic Technology (Cox’s Bazar, 21–23 October 2014). Cox’s Bazar: IEEE, 2014. P. 351–354. https://doi.org/10.1109/IFOST.2014.6991138. EDN: UFWCJV.
  23. Payne A. Skin effect, proximity effect and the resistance of circular and rectangular conductors. 2021. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/351306996_SKIN_EFFECT_PROXIMITY_EFFECT_AND_THE_RESISTANCE_OF_CIRCULAR_AND_RECTANGULAR_CONDUCTORS (дата обращения: 25.09.2024).
  24. Ramo S., Whinnery J.R., Van Duzer T. Fields and waves in communication electronics. 3rd ed. John Wiley & Sons, 1994. 858 р.
  25. Ramo S., Whinnery J.R. Fields and waves in modern radio. 2nd ed. John Wiley & Sons, 1953. 576 p.
  26. Monteiro J.H.A., Costa E.C.M., Pinto A.J.G., Kurokawa S., Gatous O.M.O., Pissolato J. Simplified skin-effect formulation for power transmission lines // IET Science, Measurement & Technology. 2014. Vol. 8. Iss. 2. P. 47–53. 10.1049/iet-smt.2013.0072' target='_blank'>https://doi: 10.1049/iet-smt.2013.0072.
  27. Raven M.S. Skin effect in the time and frequency domain–comparison of power series and Bessel function solutions // Journal of Physics Communications. 2018. Vol. 2. No. 3. Р. 035028. https://doi.org/10.1088/2399-6528/aab4a8.
  28. Terman F.E. Radio engineer’s handbook. Electrical and electronic engineering series. 1st еd. New York; London: McGraw-Hill Book Company, 1943. 1015 р.
  29. Кафтанова Ю.В. Специальные функции математической физики. Харьков: Новое слово, 2009. 596 с.
  30. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров / пер. с фр.; под общей ред. К.С. Шифрина. М.: Наука, 1965. 780 с.
  31. Kennelly A.E., Laws F.A., Pierce P.H. Experimental researches on skin effects in conductors // Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 1915. Vol. 34. Iss. 2. Р. 1953–2021. https://doi.org/10.1109/T-AIEE.1915.4765283.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).