¿Por qué los cables suelen tener un núcleo central de cobre cuando la corriente circula alrededor del borde?

Existen conductores aéreos de alta tensión con núcleos huecos. Estos no son cables completamente aislados con XLPE, pero ilustran que alguien, en algún lugar, hace conductores de alimentación con núcleos huecos.

Del libro Westinghouse T & D, Capítulo 3 "Características de las líneas aéreas", tenemos:

Porloquepuedodecir,estosconductoresdecabezahuecosestándiseñadosparareducirlaspérdidasdecorona,notantoparareducirlaspérdidasporefectodelapiel.

Encuantoaloscablesaislados,segúnlapreguntaoriginal,seaplicanlossiguientespuntos.

1. Tengoalgunosdatospara87/150kV,cobre,1,600mm²,cabledeunsolonúcleoXLPE.Esteesuncablerealmentegrande,comparablealosejemplosde1,750mm²quevisteporprimeravez.

   Losvaloresderesistenciaparaestecablesecitancomo:resistenciadeCC0.0113Ω/kma20°C( aproximadamente 0.0144 Ω / km a 90 ° C ), y 50Hz de resistencia de CA 0.0159 Ω / km a 90 ° C. Por lo tanto, la diferencia entre la resistencia de CC y CA es solo 10%: el efecto de piel solo agrega alrededor del 10% a la resistencia de este cable. (Tenga en cuenta que esto es a 50 Hz. El efecto de piel realmente no hace mucho a esta baja frecuencia).

   En el mejor de los casos, si elimina el efecto de piel por completo, solo ahorrará el 10% de sus pérdidas, que ya son bastante pequeñas.

   (Mientras tanto, la inductancia de este cable es 0.122 Ω / km a 50 Hz. Eso es 10 veces más que la resistencia).

2. Si el cable tiene un núcleo hueco, tendrá que ser más grande para llevar la misma corriente. Esto significa que el cable necesita más espacio para doblarse alrededor de las esquinas.

   El diámetro nominal del cable anterior es de 99.8mm (llámelo de 100mm). El radio de curvatura mínimo para la mayoría de los cables es de 18 × el diámetro. Así que necesitas unos dos metros para hacer un giro de 90 grados.

   Si fuera de núcleo hueco, es posible que tenga que tener un diámetro exterior de 150 mm para llevar la misma corriente. Así que ahora necesitarías tres metros para hacer un giro de 90 grados. Eso significa que cualquier tajo de cable tendría que ser de tres metros de ancho. Es difícil obtener pozos de cable de ese tamaño, ¡y aún más difícil obtener tapas para ellos! (Especialmente si desea poder conducir un automóvil o camión por encima de esas tapas).

3. Al instalar un cable de alimentación de núcleo hueco, debe tener cuidado de no doblarlo demasiado, o podría colapsarse (como un tubo de cobre).

Pararesumir,hacercablesdealimentacióndenúcleohueco(para50/60Hz)nolebrindaríamuchamejoraenelefectodelapiel(10%menosderesistenciaenelmejordeloscasos),necesitaríanmásespacioparainstalarymáscuidadoduranteinstalación.Esonosuenacomounacombinaciónganadora.

Lasituaciónesmuydiferenteparafrecuenciasmásaltas,dondeesnormaltenerdiseñosdecablesespecialesquereducenelefectodepiel,esdecir,LitzWire.

Enunatercerapista:enrelaciónconloscables"bimetálicos" mencionados por @mickkk -

Estos son bastante comunes en líneas eléctricas aéreas. Una construcción común es "ACSR", conductor de aluminio, acero reforzado.

Ejemplo del catálogo aéreo de Olex Australia:

El conductor está construido con cables de acero en el interior y cables de aluminio en el exterior.

El acero está ahí para propósitos mecánicos : para aumentar la resistencia a la tracción del conductor. Eso significa que puede colgar vanos más largos, por lo que necesita menos torres y ahorra dinero.

Cualquier reducción en el efecto de la piel es puramente un efecto secundario adicional de la resistencia mecánica mejorada.

Los conductores huecos se usan para RF de alta potencia en algunos casos.

( source )

En frecuencias industriales / civiles (50-60Hz), el efecto de la piel es insignificante, lo que significa que la corriente generalmente fluirá utilizando toda la superficie disponible. La distribución actual puede no ser uniforme pero ese es otro tema. Dicho esto, la pregunta es significativa solo para frecuencias altas donde realmente tiene un efecto de piel significativo, pero con frecuencias más altas también se produce una mayor pérdida de potencia en el núcleo de los transformadores y en cada máquina rotativa que usa campos magnéticos variables. Esa es una buena razón para no usarlo en la distribución de energía eléctrica. Básicamente, puede ahorrar algo de cobre, pero seguramente pagará en eficiencia. El ahorro no tiene sentido en primer lugar, ya que es usted quien, al usar una frecuencia más alta, básicamente reduce el "área disponible" de sus cables y, por lo tanto, aumenta la resistencia equivalente. La respuesta "correcta" es simplemente: no utilice frecuencias altas. Hay otras razones para no usar frecuencias más altas, por ejemplo:

los alternadores giran a una frecuencia que es

$$ \ Omega = 4 \ pi f / p $$

donde p es el número de polos. Una frecuencia más alta significa que cada generador síncrono debe girar más rápido (manteniendo constante el número de polos), lo que equivale a más pérdidas mecánicas ... Y así sucesivamente ...

Además de eso, los cables de las líneas aéreas deben ser robustos para soportar la tensión mecánica que puede surgir del ambiente, las sobrecargas, los cortocircuitos y las fuerzas electrodinámicas debidas a fallas eléctricas, sería muy difícil usar cables con solo La piel exterior y vacía por dentro. Los materiales plásticos en el interior pueden ser un problema debido a las pérdidas de Joule que calientan el cable.

Sin embargo, hay algunos cables (cables bimetálicos) utilizados en la distribución de energía que utilizan un material menos conductor en el interior del núcleo y uno más conductor en la "piel", como el aluminio.