電纜的損耗問題研究

摘要：電纜在實際使用的過程中會有一部分的功率損耗，其損耗大小和線芯導體以及金屬套損有關。文章在研究中主要以電纜損耗為重點，探究了電纜損耗問題，進而最大程度降低電纜損耗，實現電纜運行功率的最大化。

關鍵詞：電纜；功率損耗；運行功率；電力傳輸；電力系統 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN813 文章編號：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，并在實際運行中會出現電纜損耗問題，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，電纜損耗會給電力企業造成一定的損失，若溫度過高會對電纜造成一定的破壞。

同時在輸送電能的過程中也會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系。因此在這樣的環境背景下，本文主要利用先進的計算軟件計算電纜運行中的實際功率損耗，降低電纜實際使用中的消耗量，實現電能資源的最大化利用。

1 算法的不同對線芯導體損耗的影響

1.1 電纜的最大載流能力的計算需要的熱的求解方程

這個解決方法基于IEC60278或數值方法基于分析法進行有限元分析。然而，分析方法可以更方便地進行過程設計，但是它不能被用于復雜系統，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估的計算通常運用于連接電和熱模型中，熱分析過程中使用有限元法進行多層土壤變熱傳導率分析，風力發電和電網之間電纜也使用有限元法進行計算。電纜載流量評估、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用，例如運行導體電容在其中得到了廣泛的應用，具體的計算公式如下所示：

（Σ/18u）（di/dc）=C

式中：絕緣材料的介電常數用Σ表示；絕緣直徑用di表示；導體直徑用dc表示。

因此使用有限元分析法進行電纜的熱分析，在等溫和對流熱通量邊界條件對地面進行檢查。諧波電流存在影響，它表示出不同的諧波簽名可以改變導體和護套的電流分布以及電纜載流量，實驗測試被執行以驗證電和熱分析上的真實案例分析。案例研究是一組在發電廠的并聯單芯電纜。模擬實驗結果表明，驗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化纜繩布置，以實現最大載流量。

2 電纜損耗計算

2.1 電纜損耗計算公式

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是單根導體在溫度為θ℃的情況下，集膚與鄰近效應單位長度的交流電阻，其單位為Ω/km；I為計算電流，其單位為A；NC、NP是回路導體數量與回路數；ξ為最大負荷損耗小時數，h/年；L為電纜實際長度，其單位為km。

對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，要設定兩個統一條件的線路，即為電流、線路、導體數量長度、運行方式以及線路等方面的相同。同時，由于銅導體與鋁合金導體在實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，計算電纜通電流中要選擇不同的橫截面，保證其結果的準確性和有效性。因此根據上述電纜損耗計算公式中，交流電阻Rθj的比對就是銅電纜與鋁合金電纜實際運行損耗之比。

2.2 交流電阻計算

一般情況下，Rθj的計算公式為：

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是集膚效應系數，其取值為表1所示；Klj為鄰近效應系數，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是導體電阻溫度系數，一般根據GB/T 3956-2013相關規定，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交聯聚乙烯絕緣電纜為例，其導體在長時間工作中最大溫度為90℃，由于橫截面、設計裕量以及電壓損失校驗等影響因素，其實際取值要低于最大溫度。若電纜環境溫度為35℃，那么電纜導體的實際工作溫度為70℃，即是θ取值為70，進而計算電纜的損耗。由于相同橫截面的銅電纜與鋁合金電纜會產生不同的電纜載流量，鋁合金的載流量沒有相關的制度規定，各個電力企業資料數據中載流量數值也存在一定的差距，相差率在11.8%之內。因此根據載流量進行電纜橫截面的選擇中，若銅導體的橫截面在70mm2范圍內時，其鋁合金電纜橫截面要擴大一個規格；在銅導體橫截面大于95mm2時，其鋁合金電纜要放大兩個規格，但是在此過程中，銅導體的電阻數值始終低于鋁合金導體，其銅電纜損耗比鋁合金電纜小。

3 電纜損耗補償方案及其相應的計算

3.1 電纜損耗補償方案設計

綜上所述，我們可以知道銅電纜在實際使用中可以減少電纜損耗，并對系統性能破壞程度較小，但是由于銅資源匱乏與建設成本較高，在一定程度上限制了銅電纜的廣泛應用，并將視角逐漸轉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濟性和機械性能，但是損耗比銅電纜大。以下本文主要針對鋁合金電纜的損耗問題，提出電纜損耗補償方案。在進行電纜損耗補償的過程中，可以通過MAX9979雙通道1100Mbps驅動器/PMU進行鋁合金電纜損耗的補償，圖1、圖2分別為電纜損耗修正原理和補償原理。在實際運行的過程中，電纜的損耗會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，也影響了系統性能。

3.2 電纜補償性計算分析

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和鄰近效應的頻率依賴性使諧波電流差。分導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體和護套非常小的導線，無皮膚或鄰近效應。電纜護套在電氣系統雙方都接地。考慮到使用卡森地面效應式，自阻抗（Zii）和互阻抗（ZIJ）的每個元素可以被定義為：

幾何平均距離是由每一個電流和在每一相的平行電纜是分導的，分導體電阻、不同分導體，頻率、土壤電阻率、距離、電動導體，護套和接地回路電流的關系為：

4 結語

綜上所述，不同類型的電纜導體，其電纜損耗程度也有所不同。本文在計算電纜損耗的基礎上，對銅電纜和鋁合金電纜進行了比較，綜合二者的使用性能和經濟價值，提出鋁合金電纜損耗的補償方式，進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，河北科技大學在讀研究生，研究方向：電氣工程。

（責任編輯：秦遜玉）