電力電纜電氣參數及其電氣特性的研究

馮保龍

（華南創圖設計有限公司）

電力電纜電氣參數及其電氣特性的研究

馮保龍

（華南創圖設計有限公司）

現階段，由于電力電纜本身的輸電方式存在差異，其運行方式也同樣存在一定區別，進而導致其中的輸電方式實際適用范圍出現差別。本文即主要探討了電力電纜的結構、電纜電氣的主要參數，并以此為基礎研究了電纜運行特性和電氣特性，以供參考。

電力電纜；電氣參數；電氣特性

1 引言

在受到城市用電需求不斷增長的情況下，為了進一步適應日漸增強的環境保護意識，電力電纜的應用在我國的城市化發展進程中，發揮了重要的作用。但是因為電氣電纜的鋪設通常在達到一定長度后，其實際的容量輸出往往僅能滿足電纜自身應用功能，從而造成無功功率消耗，影響其實際使用效率，必須針對其電氣特性等問題進行研究。

2 電氣電纜電氣參數的相關概念

2.1 電氣電纜結構介紹

電氣電纜的主要結構部分包括：導體、相線、絕緣屏蔽層以及護套等（見圖1）。其中，導體的主要作用在于傳導電流，導體作為電纜的主要組成部分，按照導體結構分為實芯和絞合兩種，電纜通常采用的是銅或鋁質材料，而銅的導電性能要高于鋁。圓形絞合導體一般為幾何形狀，較為穩定，其表面電場也較為均勻。而電纜的絕緣層或屏蔽層通常包裹于導體外部，用于隔絕導體所承受的電壓，以防電流泄露。而為了減少損耗，應當采取介電系數較小、具有高耐溫且電纜燃燒過程中產生濃煙較少的介質；鎧裝層結構則主要用于保護電纜不被外力所損壞。

圖1 電氣電纜結構圖

2.2 電纜電氣參數的介紹

一般來說，電纜電氣主要參數分成一次參數和二次參數：①一次參數，即主要是指電氣參數的線芯有效電阻、電感、電容以及絕緣電阻；②二次參數則主要包括波阻抗、衰減常數以及相移常數等。二次參數主要是通過一次參數的計算而獲得的，可以說電纜電氣參數對電纜的重要性是非常大的，比如通過對電纜電氣參數的計算可以得出電纜各個部分的損耗發熱，并且通過絕緣電阻、電容的計算可以得出電纜的絕緣層，以此判定電纜的工藝以及使用安全性。

3 電力電纜的優勢和特色

3.1 線路設置占地空間小

在城市的地下鋪設了眾多的電力電纜線路，然而在城市的地下鋪設電力電纜，可以有效地減少實際的占地量。盡管這一線路鋪設在地下，但是它在地面上的空間和變電站有許多的線路出線，而且從線路的檢修和安全方面來思量，同一桿上的線路不需要設置太復雜，因為那樣會需要更多的土地和空間。同時，針對不同的變電站來分析，電力電纜的線路的電壓和電流的運行能力是強于其他線路的。

3.2 架設簡潔、美觀

目前，由于城市地下電力電纜受到外部環境因素的制約程度小，且在城市中進行各種電力電纜線路鋪設和輸送配電時，需要對其線路設置安排做出前期的規劃和設計，并以此來控制道路和工廠線路配設時做到簡潔、美觀。在一定程度上，電力電纜線路的架設若過于復雜，則會影響城市的交通狀況和后期規劃。同時，通過建設架空的電力電纜線路，可以有效地減少城市的土地空間，甚至有利于切實地緩解電力電纜架空線路的局限性。

3.3 可靠性和安全性較高

由于城市地下建設的電力電纜線路不易受到外界環境的影響，因此，通常情況下，城市地下建設的電力電纜線的可靠性和安全性是較高的。此外，由于電力電纜的線路會鋪設在土壤里，暴露在土地外面的只有表層一部分，剩余的其他部分是鋪設在有保護層的隧道、管道中的。如今，隨著現代經濟的不斷發展和進步，電網的供電安全性、線路走向、變電站的選址、抗災害能力等方面的問題也越來越受到重視，其對我國城市的用電安全以及城市經濟的整體水平的提高是至關重要的。

4 電纜的電氣參數

隨著現代電網應用的越來越廣泛，電力電纜的線路的鋪設也越來越多，人們因此需要提高對電纜的電氣參數的認識。通過加深對電纜電氣參數的了解，有利于選擇自己適合和滿意的電纜產品，以此來達到電力效用的最大化。

4.1 電力電纜的主要電氣參數

4.1.1 電纜的電阻

①線芯的有效電阻，即當電纜線芯是交流電時，電纜線芯的有效電阻會因為鄰近效應與集膚效應而出現增大，對于此時的有效電阻，通常可利用麥克斯韋方程來推導；②絕緣電阻，即電纜本身中心處所取厚度的絕緣層所具有的電阻。

4.1.2 電纜的電容

電容是電纜線路中一個非常重要的參數，它與電纜線路中電容電流的大小關系密切。在超高壓電纜線路中，電纜電容電流與額定電流成函數比例關系，限制著電纜傳輸容量和傳輸距離。

4.1.3 多相電纜的電感

電纜單相回路每單位長度電纜線芯的電感由兩部分組成：①由于線芯內部的磁通鏈所產生的，這部分電感稱之為內感；②線芯外部的磁通鏈所產生的，這部分電感稱為外感。

4.1.4 電力電纜載流量、短路電流

電纜載流量指的是電纜處于最高允許工作溫度之中，電纜線芯所允許通過的最大電流。由于電纜所選用的絕緣材料性能往往由其允許的最高工作溫度來決定，如果超過了該最高允許工作溫度且長期連續負荷，會降低絕緣材料的電氣性能和機械性能，因此，通常情況下，電纜的最高允許工作溫度將會決定其連續的負荷載流量。

短路電流則主要是相與相之間或相與地（或中性線）之間，發生非正常連接（即短路）時流過的電流。其值可遠遠大于額定電流，并取決于短路點距電源的電氣距離。發生短路時，電力系統從正常的穩定狀態過渡到短路的穩定狀態，一般需3～5s。電力電纜中發生短路時，很大的短路電流會使電器設備過熱或受電動力作用而遭到損壞，同時使網絡內的電壓大大降低，因而破壞了網絡內用電設備的正常工作。

4.2 參數計算

雖然通常會在電纜的說明手冊中標注了電纜電氣參數，但由于實際應用過程中，往往存在各種情況的限制，導致電力電纜的實際參數難以真正體現出電纜的實際功耗，因此，相關工作人員需要通過計算，來確定電力電纜的電氣參數。

4.2.1 阻抗矩陣計算原理

阻抗矩陣計算原理公式如下：

式中：ycs-導體與護套之間的導納；ySE-護套與地之間導納；gcs-內絕緣層間泄露電導；cSE-護套與地之間電容。

4.2.2 矩陣計算原理

導體和護套之間的電容、電導公式如下：

因此，相應的電納計算公式如下：

4.2.3 power-cabieparam電纜參數計算線芯導體自阻抗計算公式如下：

結合以上三種計算公式，根據公式的計算結果，從整體準確性、操作性方面考慮，建議采用第一種計算公式進行電纜的電氣參數計算較為適合。

5 電氣的特性

對分析電氣的特性來說，嚴格地計算電氣的參數是其中最為關鍵的部分。通常情況下，計算電氣參數是通過查詢以往的數據來獲得的，然而以往的數據有些是不夠精準和實際的，所以會造成一定程度上的數據偏差。在現實操作中，需要根據基本的電力理論作為研究和分析電氣參數計算的基礎和原理，從而來計算其他的各種常見的電氣參數，最終將所獲得的數據結果進行分析。

5.1 改變電纜并聯補償度

在電纜進行實際運行的過程中，并聯補償的作用是非常重要的。在此過程中，需要根據改變電纜并聯補償度值來觀測電纜線路實際運行時的電壓和電流的變化情況。因此，在合理分析電纜特性的基礎上，在傳輸矩陣的線路上并入并聯補償。與此同時，在對電纜進行適當的并聯補償時，其操作的合理性有助于減少電壓的損耗，穩定電流的變幅程度，從而促使電纜線路的平穩運行。

5.2 改變電纜阻抗

通過改變電纜的內部阻力，避免受到電流和電壓的影響，以此來改變電纜阻抗的變動幅度帶來的實際影響。同時，在實際情況下，通過有效的變動電纜線路的阻抗的相角值和變動幅度，可以有利地促進電纜線路的電壓和電流的平穩運行。電纜阻抗如圖2所示。

圖2 電纜阻抗圖

5.3 電阻r的計算

由于鄰近效應和趨膚效應，相導體中的焦耳往往在直流電流中引起損耗，相較于交流電流所引起的損耗要偏小，所以相導體中的直流電阻相較于交流電阻也較小：

式中：rac-導體某特定溫度下的直流電阻；rdc-導體某特定溫度下的交流電阻；yp-鄰近效應因數；ys-趨膚效應因數

5.4 電感I的計算

假設電流在相導體截面上均勻分布的情況下，電感I的計算公式為：

式中：S-軸間距離，單位是mm；K-系數，如果電纜呈三角形排列，則K=1，若為平面排列，則K=1.26。

5.5 電導g的計算介質的有功損耗可以用并聯電纜來表示，并聯電導的計算公式為：g=btanδ

6 結語

由于電力電纜的鋪設需要大量的土地，鋪設電力電纜能夠起到節約土地的效果，因而得到廣泛應用。在電力電纜鋪設過程中，對于其電氣特性的研究需要建立在電力電纜參數精準計算的基礎上，只有掌握了實際、準確的電纜參數數據，才能切實地指導、研究電力電纜線路的設定，保證電力電纜線路的安全運行，才能有效地推動我國電力電纜輸送工程的健康、穩定發展。

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TM247

A

1004-7344（2016）11-0049-02

2016-3-10

馮保龍（1986-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑電氣設計工作。