馮保龍

（華南創(chuàng)圖設(shè)計(jì)有限公司）

電力電纜電氣參數(shù)及其電氣特性的研究

馮保龍

（華南創(chuàng)圖設(shè)計(jì)有限公司）

現(xiàn)階段，由于電力電纜本身的輸電方式存在差異，其運(yùn)行方式也同樣存在一定區(qū)別，進(jìn)而導(dǎo)致其中的輸電方式實(shí)際適用范圍出現(xiàn)差別。本文即主要探討了電力電纜的結(jié)構(gòu)、電纜電氣的主要參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)研究了電纜運(yùn)行特性和電氣特性，以供參考。

電力電纜；電氣參數(shù)；電氣特性

1 引言

在受到城市用電需求不斷增長(zhǎng)的情況下，為了進(jìn)一步適應(yīng)日漸增強(qiáng)的環(huán)境保護(hù)意識(shí)，電力電纜的應(yīng)用在我國(guó)的城市化發(fā)展進(jìn)程中，發(fā)揮了重要的作用。但是因?yàn)殡姎怆娎|的鋪設(shè)通常在達(dá)到一定長(zhǎng)度后，其實(shí)際的容量輸出往往僅能滿足電纜自身應(yīng)用功能，從而造成無(wú)功功率消耗，影響其實(shí)際使用效率，必須針對(duì)其電氣特性等問(wèn)題進(jìn)行研究。

2 電氣電纜電氣參數(shù)的相關(guān)概念

2.1 電氣電纜結(jié)構(gòu)介紹

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

圖1 電氣電纜結(jié)構(gòu)圖

2.2 電纜電氣參數(shù)的介紹

一般來(lái)說(shuō)，電纜電氣主要參數(shù)分成一次參數(shù)和二次參數(shù)：①一次參數(shù)，即主要是指電氣參數(shù)的線芯有效電阻、電感、電容以及絕緣電阻；②二次參數(shù)則主要包括波阻抗、衰減常數(shù)以及相移常數(shù)等。二次參數(shù)主要是通過(guò)一次參數(shù)的計(jì)算而獲得的，可以說(shuō)電纜電氣參數(shù)對(duì)電纜的重要性是非常大的，比如通過(guò)對(duì)電纜電氣參數(shù)的計(jì)算可以得出電纜各個(gè)部分的損耗發(fā)熱，并且通過(guò)絕緣電阻、電容的計(jì)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(yōu)勢(shì)和特色

3.1 線路設(shè)置占地空間小

在城市的地下鋪設(shè)了眾多的電力電纜線路，然而在城市的地下鋪設(shè)電力電纜，可以有效地減少實(shí)際的占地量。盡管這一線路鋪設(shè)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(lái)思量，同一桿上的線路不需要設(shè)置太復(fù)雜，因?yàn)槟菢訒?huì)需要更多的土地和空間。同時(shí)，針對(duì)不同的變電站來(lái)分析，電力電纜的線路的電壓和電流的運(yùn)行能力是強(qiáng)于其他線路的。

3.2 架設(shè)簡(jiǎn)潔、美觀

目前，由于城市地下電力電纜受到外部環(huán)境因素的制約程度小，且在城市中進(jìn)行各種電力電纜線路鋪設(shè)和輸送配電時(shí)，需要對(duì)其線路設(shè)置安排做出前期的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，并以此來(lái)控制道路和工廠線路配設(shè)時(shí)做到簡(jiǎn)潔、美觀。在一定程度上，電力電纜線路的架設(shè)若過(guò)于復(fù)雜，則會(huì)影響城市的交通狀況和后期規(guī)劃。同時(shí)，通過(guò)建設(shè)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(shí)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(shè)的電力電纜線路不易受到外界環(huán)境的影響，因此，通常情況下，城市地下建設(shè)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(huì)鋪設(shè)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(shè)在有保護(hù)層的隧道、管道中的。如今，隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，電網(wǎng)的供電安全性、線路走向、變電站的選址、抗災(zāi)害能力等方面的問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，其對(duì)我國(guó)城市的用電安全以及城市經(jīng)濟(jì)的整體水平的提高是至關(guān)重要的。

4 電纜的電氣參數(shù)

隨著現(xiàn)代電網(wǎng)應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，電力電纜的線路的鋪設(shè)也越來(lái)越多，人們因此需要提高對(duì)電纜的電氣參數(shù)的認(rèn)識(shí)。通過(guò)加深對(duì)電纜電氣參數(shù)的了解，有利于選擇自己適合和滿意的電纜產(chǎn)品，以此來(lái)達(dá)到電力效用的最大化。

4.1 電力電纜的主要電氣參數(shù)

4.1.1 電纜的電阻

①線芯的有效電阻，即當(dāng)電纜線芯是交流電時(shí)，電纜線芯的有效電阻會(huì)因?yàn)猷徑?yīng)與集膚效應(yīng)而出現(xiàn)增大，對(duì)于此時(shí)的有效電阻，通?？衫名溈怂鬼f方程來(lái)推導(dǎo)；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(gè)非常重要的參數(shù)，它與電纜線路中電容電流的大小關(guān)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(shù)比例關(guān)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(zhǎng)度電纜線芯的電感由兩部分組成：①由于線芯內(nèi)部的磁通鏈所產(chǎn)生的，這部分電感稱之為內(nèi)感；②線芯外部的磁通鏈所產(chǎn)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(guò)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(lái)決定，如果超過(guò)了該最高允許工作溫度且長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷，會(huì)降低絕緣材料的電氣性能和機(jī)械性能，因此，通常情況下，電纜的最高允許工作溫度將會(huì)決定其連續(xù)的負(fù)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(fā)生非正常連接（即短路）時(shí)流過(guò)的電流。其值可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定電流，并取決于短路點(diǎn)距電源的電氣距離。發(fā)生短路時(shí)，電力系統(tǒng)從正常的穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)渡到短路的穩(wěn)定狀態(tài)，一般需3～5s。電力電纜中發(fā)生短路時(shí)，很大的短路電流會(huì)使電器設(shè)備過(guò)熱或受電動(dòng)力作用而遭到損壞，同時(shí)使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電壓大大降低，因而破壞了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)用電設(shè)備的正常工作。

4.2 參數(shù)計(jì)算

雖然通常會(huì)在電纜的說(shuō)明手冊(cè)中標(biāo)注了電纜電氣參數(shù)，但由于實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，往往存在各種情況的限制，導(dǎo)致電力電纜的實(shí)際參數(shù)難以真正體現(xiàn)出電纜的實(shí)際功耗，因此，相關(guān)工作人員需要通過(guò)計(jì)算，來(lái)確定電力電纜的電氣參數(shù)。

4.2.1 阻抗矩陣計(jì)算原理

阻抗矩陣計(jì)算原理公式如下：

式中：ycs-導(dǎo)體與護(hù)套之間的導(dǎo)納；ySE-護(hù)套與地之間導(dǎo)納；gcs-內(nèi)絕緣層間泄露電導(dǎo)；cSE-護(hù)套與地之間電容。

4.2.2 矩陣計(jì)算原理

導(dǎo)體和護(hù)套之間的電容、電導(dǎo)公式如下：

因此，相應(yīng)的電納計(jì)算公式如下：

4.2.3 power-cabieparam電纜參數(shù)計(jì)算線芯導(dǎo)體自阻抗計(jì)算公式如下：

結(jié)合以上三種計(jì)算公式，根據(jù)公式的計(jì)算結(jié)果，從整體準(zhǔn)確性、操作性方面考慮，建議采用第一種計(jì)算公式進(jìn)行電纜的電氣參數(shù)計(jì)算較為適合。

5 電氣的特性

對(duì)分析電氣的特性來(lái)說(shuō)，嚴(yán)格地計(jì)算電氣的參數(shù)是其中最為關(guān)鍵的部分。通常情況下，計(jì)算電氣參數(shù)是通過(guò)查詢以往的數(shù)據(jù)來(lái)獲得的，然而以往的數(shù)據(jù)有些是不夠精準(zhǔn)和實(shí)際的，所以會(huì)造成一定程度上的數(shù)據(jù)偏差。在現(xiàn)實(shí)操作中，需要根據(jù)基本的電力理論作為研究和分析電氣參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)和原理，從而來(lái)計(jì)算其他的各種常見(jiàn)的電氣參數(shù)，最終將所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 改變電纜并聯(lián)補(bǔ)償度

在電纜進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，并聯(lián)補(bǔ)償?shù)淖饔檬欠浅Ｖ匾?。在此過(guò)程中，需要根據(jù)改變電纜并聯(lián)補(bǔ)償度值來(lái)觀測(cè)電纜線路實(shí)際運(yùn)行時(shí)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(chǔ)上，在傳輸矩陣的線路上并入并聯(lián)補(bǔ)償。與此同時(shí)，在對(duì)電纜進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)補(bǔ)償時(shí)，其操作的合理性有助于減少電壓的損耗，穩(wěn)定電流的變幅程度，從而促使電纜線路的平穩(wěn)運(yùn)行。

5.2 改變電纜阻抗

通過(guò)改變電纜的內(nèi)部阻力，避免受到電流和電壓的影響，以此來(lái)改變電纜阻抗的變動(dòng)幅度帶來(lái)的實(shí)際影響。同時(shí)，在實(shí)際情況下，通過(guò)有效的變動(dòng)電纜線路的阻抗的相角值和變動(dòng)幅度，可以有利地促進(jìn)電纜線路的電壓和電流的平穩(wěn)運(yùn)行。電纜阻抗如圖2所示。

圖2 電纜阻抗圖

5.3 電阻r的計(jì)算

由于鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)，相導(dǎo)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(dǎo)體中的直流電阻相較于交流電阻也較?。?/p>

式中：rac-導(dǎo)體某特定溫度下的直流電阻；rdc-導(dǎo)體某特定溫度下的交流電阻；yp-鄰近效應(yīng)因數(shù)；ys-趨膚效應(yīng)因數(shù)

5.4 電感I的計(jì)算

假設(shè)電流在相導(dǎo)體截面上均勻分布的情況下，電感I的計(jì)算公式為：

式中：S-軸間距離，單位是mm；K-系數(shù)，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(dǎo)g的計(jì)算介質(zhì)的有功損耗可以用并聯(lián)電纜來(lái)表示，并聯(lián)電導(dǎo)的計(jì)算公式為：g=btanδ

6 結(jié)語(yǔ)

由于電力電纜的鋪設(shè)需要大量的土地，鋪設(shè)電力電纜能夠起到節(jié)約土地的效果，因而得到廣泛應(yīng)用。在電力電纜鋪設(shè)過(guò)程中，對(duì)于其電氣特性的研究需要建立在電力電纜參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，只有掌握了實(shí)際、準(zhǔn)確的電纜參數(shù)數(shù)據(jù)，才能切實(shí)地指導(dǎo)、研究電力電纜線路的設(shè)定，保證電力電纜線路的安全運(yùn)行，才能有效地推動(dòng)我國(guó)電力電纜輸送工程的健康、穩(wěn)定發(fā)展。

[1]石磊，楊智偉.電力電纜故障檢測(cè)及故障點(diǎn)定位方法分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2014，32（1）：97～100.

[2]王軍，周偉民，段發(fā)強(qiáng)，等.電力電纜故障分析及探測(cè)技術(shù)研究[J].智富時(shí)代，2015（5）：45～46.

[3]高云鵬，譚甜源，劉開(kāi)培.電力電纜溫度監(jiān)測(cè)方法的探討[J].絕緣材料，2014，47（6）：13～17.

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(shè)計(jì)工作。