電纜的損耗問題研究

姜峰

【摘要】：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(xiàn)電纜運行功率的最大化。

【關(guān)鍵詞】：電纜；功率損耗；運行功率；電力傳輸；電力系統(tǒng)

引言

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(xiàn)電能資源的最大化利用。

1、算法的不同對線芯導(dǎo)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(shù)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(shè)計，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(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(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，例如運行導(dǎo)體電容在其中得到了廣泛的應(yīng)用，具體的計算公式如下所示：

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(dǎo)體和護套的電流分布以及電纜載流量，實驗測試被執(zhí)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(fā)電廠的并聯(lián)單芯電纜。模擬實驗結(jié)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(yōu)化纜繩布置，以實現(xiàn)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(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為最大負荷損耗小時數(shù)，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(shè)定兩個統(tǒng)一條件的線路，即為電流、線路、導(dǎo)體數(shù)量長度、運行方式以及線路等方面的相同。同時，由于銅導(dǎo)體與鋁合金導(dǎo)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(jié)果的準確性和有效性。

2.2 交流電阻計算

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)體在長時間工作中最大溫度為90℃，由于橫截面、設(shè)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(huán)境溫度為35℃，那么電纜導(dǎo)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(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，其鋁合金電纜橫截面要擴大一個規(guī)格；在銅導(dǎo)體橫截面大于95mm2時，其鋁合金電纜要放大兩個規(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、 電纜損耗補償方案及其相應(yīng)的計算

3.1 電纜損耗補償方案設(shè)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(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?shù)倪^程中，可以通過MAX9979雙通道1100Mbps驅(qū)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。

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(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)體和護套非常小的導(dǎo)線，無皮膚或鄰近效應(yīng)。電纜護套在電氣系統(tǒng)雙方都接地?？紤]到使用卡森地面效應(yīng)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(dǎo)的，分導(dǎo)體電阻、不同分導(dǎo)體，頻率、土壤電阻率、距離、電動導(dǎo)體，護套和接地回路電流的關(guān)系為：

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。本文在計算電纜損耗的基礎(chǔ)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(jīng)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。

【參考文獻】

[1]徐云有.高速數(shù)字無屏蔽通信電纜回波損耗問題研究[D].上海交通大學(xué)，2014.