電纜的損耗問題研究

摘要：電纜在實(shí)際使用的過程中會(huì)有一部分的功率損耗，其損耗大小和線芯導(dǎo)體以及金屬套損有關(guān)。文章在研究中主要以電纜損耗為重點(diǎn)，探究了電纜損耗問題，進(jìn)而最大程度降低電纜損耗，實(shí)現(xiàn)電纜運(yùn)行功率的最大化。

關(guān)鍵詞：電纜；功率損耗；運(yùn)行功率；電力傳輸；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN813 文章編號(hào)：1009-2374（2017）02-0120-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.057

電纜是電力傳輸中的重要載體，并在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)電纜損耗問題，其損耗的主要原因是電纜輸電過程造成電纜溫度升高，由于電纜自身屬性，電纜損耗會(huì)給電力企業(yè)造成一定的損失，若溫度過高會(huì)對(duì)電纜造成一定的破壞。

同時(shí)在輸送電能的過程中也會(huì)造成電纜電功率的消耗，這種消耗程度的大小和電纜線芯有很大的關(guān)系。因此在這樣的環(huán)境背景下，本文主要利用先進(jìn)的計(jì)算軟件計(jì)算電纜運(yùn)行中的實(shí)際功率損耗，降低電纜實(shí)際使用中的消耗量，實(shí)現(xiàn)電能資源的最大化利用。

1 算法的不同對(duì)線芯導(dǎo)體損耗的影響

1.1 電纜的最大載流能力的計(jì)算需要的熱的求解方程

這個(gè)解決方法基于IEC60278或數(shù)值方法基于分析法進(jìn)行有限元分析。然而，分析方法可以更方便地進(jìn)行過程設(shè)計(jì)，但是它不能被用于復(fù)雜系統(tǒng)，且簡化了在電纜上的許多重要的因素。

高壓電纜損耗和熱評(píng)估的計(jì)算通常運(yùn)用于連接電和熱模型中，熱分析過程中使用有限元法進(jìn)行多層土壤變熱傳導(dǎo)率分析，風(fēng)力發(fā)電和電網(wǎng)之間電纜也使用有限元法進(jìn)行計(jì)算。電纜載流量評(píng)估、地下不均勻的溫度式與使用分析模型的公式：

交流電力電纜絕緣損耗計(jì)算分析：

W×C×Uo2×tans

式中：施工場地電壓通常用Uo表示；電源系統(tǒng)與工作溫度下絕緣損耗因素用tans表示；單位長度電力電纜用C表示。

1.2 電纜熱場是非線性的，依賴其他的電纜

因此疊加理論在使用分析熱公式不能被應(yīng)用，例如運(yùn)行導(dǎo)體電容在其中得到了廣泛的應(yīng)用，具體的計(jì)算公式如下所示：

（Σ/18u）（di/dc）=C

式中：絕緣材料的介電常數(shù)用Σ表示；絕緣直徑用di表示；導(dǎo)體直徑用dc表示。

因此使用有限元分析法進(jìn)行電纜的熱分析，在等溫和對(duì)流熱通量邊界條件對(duì)地面進(jìn)行檢查。諧波電流存在影響，它表示出不同的諧波簽名可以改變導(dǎo)體和護(hù)套的電流分布以及電纜載流量，實(shí)驗(yàn)測試被執(zhí)行以驗(yàn)證電和熱分析上的真實(shí)案例分析。案例研究是一組在發(fā)電廠的并聯(lián)單芯電纜。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驗(yàn)證了有限元仿真一致，使用這些精確的FEM模擬使得能夠精確地優(yōu)化纜繩布置，以實(shí)現(xiàn)最大載流量。

2 電纜損耗計(jì)算

2.1 電纜損耗計(jì)算公式

式中：ΔP為功率消耗，其單位為kW；ΔQ為能源消耗，其單位為kWh；Rθj是單根導(dǎo)體在溫度為θ℃的情況下，集膚與鄰近效應(yīng)單位長度的交流電阻，其單位為Ω/km；I為計(jì)算電流，其單位為A；NC、NP是回路導(dǎo)體數(shù)量與回路數(shù)；ξ為最大負(fù)荷損耗小時(shí)數(shù)，h/年；L為電纜實(shí)際長度，其單位為km。

對(duì)于銅電纜與鋁合金電纜的功率損耗中，為了比較二者的損耗程度大小，要設(shè)定兩個(gè)統(tǒng)一條件的線路，即為電流、線路、導(dǎo)體數(shù)量長度、運(yùn)行方式以及線路等方面的相同。同時(shí)，由于銅導(dǎo)體與鋁合金導(dǎo)體在實(shí)際使用中的工作電流存在很大的差距，也就是載流量不同，在這樣的情況下，計(jì)算電纜通電流中要選擇不同的橫截面，保證其結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。因此根據(jù)上述電纜損耗計(jì)算公式中，交流電阻Rθj的比對(duì)就是銅電纜與鋁合金電纜實(shí)際運(yùn)行損耗之比。

2.2 交流電阻計(jì)算

一般情況下，Rθj的計(jì)算公式為：

式中：Rθj主要是指在溫度為θ的情況下的交流電阻，其單位為Ω；Kjf是集膚效應(yīng)系數(shù)，其取值為表1所示；Klj為鄰近效應(yīng)系數(shù)，通常取值為1.0；Rθ是在溫度為θ的情況下的直流電阻，單位用Ω表示；R20為溫度是20℃的滯留電阻，單位用Ω表示；a是導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，一般根據(jù)GB/T 3956-2013相關(guān)規(guī)定，銅取值為0.00393，鋁為0.00403。

從式（3）與式（4）中，為了確定θ，本文以XLPE交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜為例，其導(dǎo)體在長時(shí)間工作中最大溫度為90℃，由于橫截面、設(shè)計(jì)裕量以及電壓損失校驗(yàn)等影響因素，其實(shí)際取值要低于最大溫度。若電纜環(huán)境溫度為35℃，那么電纜導(dǎo)體的實(shí)際工作溫度為70℃，即是θ取值為70，進(jìn)而計(jì)算電纜的損耗。由于相同橫截面的銅電纜與鋁合金電纜會(huì)產(chǎn)生不同的電纜載流量，鋁合金的載流量沒有相關(guān)的制度規(guī)定，各個(gè)電力企業(yè)資料數(shù)據(jù)中載流量數(shù)值也存在一定的差距，相差率在11.8%之內(nèi)。因此根據(jù)載流量進(jìn)行電纜橫截面的選擇中，若銅導(dǎo)體的橫截面在70mm2范圍內(nèi)時(shí)，其鋁合金電纜橫截面要擴(kuò)大一個(gè)規(guī)格；在銅導(dǎo)體橫截面大于95mm2時(shí)，其鋁合金電纜要放大兩個(gè)規(guī)格，但是在此過程中，銅導(dǎo)體的電阻數(shù)值始終低于鋁合金導(dǎo)體，其銅電纜損耗比鋁合金電纜小。

3 電纜損耗補(bǔ)償方案及其相應(yīng)的計(jì)算

3.1 電纜損耗補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

綜上所述，我們可以知道銅電纜在實(shí)際使用中可以減少電纜損耗，并對(duì)系統(tǒng)性能破壞程度較小，但是由于銅資源匱乏與建設(shè)成本較高，在一定程度上限制了銅電纜的廣泛應(yīng)用，并將視角逐漸轉(zhuǎn)移到鋁合金電纜的使用與推廣方面。鋁合金電纜相比于銅電纜來說具有極高的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)械性能，但是損耗比銅電纜大。以下本文主要針對(duì)鋁合金電纜的損耗問題，提出電纜損耗補(bǔ)償方案。在進(jìn)行電纜損耗補(bǔ)償?shù)倪^程中，可以通過MAX9979雙通道1100Mbps驅(qū)動(dòng)器/PMU進(jìn)行鋁合金電纜損耗的補(bǔ)償，圖1、圖2分別為電纜損耗修正原理和補(bǔ)償原理。在實(shí)際運(yùn)行的過程中，電纜的損耗會(huì)讓電能傳輸波形更加平滑，這種平滑性降低了電纜中有效功率，也影響了系統(tǒng)性能。

3.2 電纜補(bǔ)償性計(jì)算分析

電纜的金屬部件的電阻損耗是主要的熱源，這樣精確計(jì)算損失是必要的電力電纜載流量分析。另外，在并行電纜的電流分布是不均勻的，也可能由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的頻率依賴性使諧波電流差。分導(dǎo)體的方法被用于確定的電流、電阻和不同金屬部件的損失。此方法是基于劃分導(dǎo)體和護(hù)套非常小的導(dǎo)線，無皮膚或鄰近效應(yīng)。電纜護(hù)套在電氣系統(tǒng)雙方都接地。考慮到使用卡森地面效應(yīng)式，自阻抗（Zii）和互阻抗（ZIJ）的每個(gè)元素可以被定義為：

幾何平均距離是由每一個(gè)電流和在每一相的平行電纜是分導(dǎo)的，分導(dǎo)體電阻、不同分導(dǎo)體，頻率、土壤電阻率、距離、電動(dòng)導(dǎo)體，護(hù)套和接地回路電流的關(guān)系為：

4 結(jié)語

綜上所述，不同類型的電纜導(dǎo)體，其電纜損耗程度也有所不同。本文在計(jì)算電纜損耗的基礎(chǔ)上，對(duì)銅電纜和鋁合金電纜進(jìn)行了比較，綜合二者的使用性能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提出鋁合金電纜損耗的補(bǔ)償方式，進(jìn)而保證電纜的正常使用。

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作者簡介：劉雅麗（1992-），女，河北石家莊人，河北科技大學(xué)在讀研究生，研究方向：電氣工程。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）