电力电缆电气参数及其电气特性的研究

冯保龙

（华南创图设计有限公司）

电力电缆电气参数及其电气特性的研究

冯保龙

（华南创图设计有限公司）

现阶段，由于电力电缆本身的输电方式存在差异，其运行方式也同样存在一定区别，进而导致其中的输电方式实际适用范围出现差别。本文即主要探讨了电力电缆的结构、电缆电气的主要参数，并以此为基础研究了电缆运行特性和电气特性，以供参考。

电力电缆；电气参数；电气特性

1 引言

在受到城市用电需求不断增长的情况下，为了进一步适应日渐增强的环境保护意识，电力电缆的应用在我国的城市化发展进程中，发挥了重要的作用。但是因为电气电缆的铺设通常在达到一定长度后，其实际的容量输出往往仅能满足电缆自身应用功能，从而造成无功功率消耗，影响其实际使用效率，必须针对其电气特性等问题进行研究。

2 电气电缆电气参数的相关概念

2.1 电气电缆结构介绍

电气电缆的主要结构部分包括：导体、相线、绝缘屏蔽层以及护套等（见图1）。其中，导体的主要作用在于传导电流，导体作为电缆的主要组成部分，按照导体结构分为实芯和绞合两种，电缆通常采用的是铜或铝质材料，而铜的导电性能要高于铝。圆形绞合导体一般为几何形状，较为稳定，其表面电场也较为均匀。而电缆的绝缘层或屏蔽层通常包裹于导体外部，用于隔绝导体所承受的电压，以防电流泄露。而为了减少损耗，应当采取介电系数较小、具有高耐温且电缆燃烧过程中产生浓烟较少的介质；铠装层结构则主要用于保护电缆不被外力所损坏。

图1 电气电缆结构图

2.2 电缆电气参数的介绍

一般来说，电缆电气主要参数分成一次参数和二次参数：①一次参数，即主要是指电气参数的线芯有效电阻、电感、电容以及绝缘电阻；②二次参数则主要包括波阻抗、衰减常数以及相移常数等。二次参数主要是通过一次参数的计算而获得的，可以说电缆电气参数对电缆的重要性是非常大的，比如通过对电缆电气参数的计算可以得出电缆各个部分的损耗发热，并且通过绝缘电阻、电容的计算可以得出电缆的绝缘层，以此判定电缆的工艺以及使用安全性。

3 电力电缆的优势和特色

3.1 线路设置占地空间小

在城市的地下铺设了众多的电力电缆线路，然而在城市的地下铺设电力电缆，可以有效地减少实际的占地量。尽管这一线路铺设在地下，但是它在地面上的空间和变电站有许多的线路出线，而且从线路的检修和安全方面来思量，同一杆上的线路不需要设置太复杂，因为那样会需要更多的土地和空间。同时，针对不同的变电站来分析，电力电缆的线路的电压和电流的运行能力是强于其他线路的。

3.2 架设简洁、美观

目前，由于城市地下电力电缆受到外部环境因素的制约程度小，且在城市中进行各种电力电缆线路铺设和输送配电时，需要对其线路设置安排做出前期的规划和设计，并以此来控制道路和工厂线路配设时做到简洁、美观。在一定程度上，电力电缆线路的架设若过于复杂，则会影响城市的交通状况和后期规划。同时，通过建设架空的电力电缆线路，可以有效地减少城市的土地空间，甚至有利于切实地缓解电力电缆架空线路的局限性。

3.3 可靠性和安全性较高

由于城市地下建设的电力电缆线路不易受到外界环境的影响，因此，通常情况下，城市地下建设的电力电缆线的可靠性和安全性是较高的。此外，由于电力电缆的线路会铺设在土壤里，暴露在土地外面的只有表层一部分，剩余的其他部分是铺设在有保护层的隧道、管道中的。如今，随着现代经济的不断发展和进步，电网的供电安全性、线路走向、变电站的选址、抗灾害能力等方面的问题也越来越受到重视，其对我国城市的用电安全以及城市经济的整体水平的提高是至关重要的。

4 电缆的电气参数

随着现代电网应用的越来越广泛，电力电缆的线路的铺设也越来越多，人们因此需要提高对电缆的电气参数的认识。通过加深对电缆电气参数的了解，有利于选择自己适合和满意的电缆产品，以此来达到电力效用的最大化。

4.1 电力电缆的主要电气参数

4.1.1 电缆的电阻

①线芯的有效电阻，即当电缆线芯是交流电时，电缆线芯的有效电阻会因为邻近效应与集肤效应而出现增大，对于此时的有效电阻，通常可利用麦克斯韦方程来推导；②绝缘电阻，即电缆本身中心处所取厚度的绝缘层所具有的电阻。

4.1.2 电缆的电容

电容是电缆线路中一个非常重要的参数，它与电缆线路中电容电流的大小关系密切。在超高压电缆线路中，电缆电容电流与额定电流成函数比例关系，限制着电缆传输容量和传输距离。

4.1.3 多相电缆的电感

电缆单相回路每单位长度电缆线芯的电感由两部分组成：①由于线芯内部的磁通链所产生的，这部分电感称之为内感；②线芯外部的磁通链所产生的，这部分电感称为外感。

4.1.4 电力电缆载流量、短路电流

电缆载流量指的是电缆处于最高允许工作温度之中，电缆线芯所允许通过的最大电流。由于电缆所选用的绝缘材料性能往往由其允许的最高工作温度来决定，如果超过了该最高允许工作温度且长期连续负荷，会降低绝缘材料的电气性能和机械性能，因此，通常情况下，电缆的最高允许工作温度将会决定其连续的负荷载流量。

短路电流则主要是相与相之间或相与地（或中性线）之间，发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需3～5s。电力电缆中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。

4.2 参数计算

虽然通常会在电缆的说明手册中标注了电缆电气参数，但由于实际应用过程中，往往存在各种情况的限制，导致电力电缆的实际参数难以真正体现出电缆的实际功耗，因此，相关工作人员需要通过计算，来确定电力电缆的电气参数。

4.2.1 阻抗矩阵计算原理

阻抗矩阵计算原理公式如下：

式中：ycs-导体与护套之间的导纳；ySE-护套与地之间导纳；gcs-内绝缘层间泄露电导；cSE-护套与地之间电容。

4.2.2 矩阵计算原理

导体和护套之间的电容、电导公式如下：

因此，相应的电纳计算公式如下：

4.2.3 power-cabieparam电缆参数计算线芯导体自阻抗计算公式如下：

结合以上三种计算公式，根据公式的计算结果，从整体准确性、操作性方面考虑，建议采用第一种计算公式进行电缆的电气参数计算较为适合。

5 电气的特性

对分析电气的特性来说，严格地计算电气的参数是其中最为关键的部分。通常情况下，计算电气参数是通过查询以往的数据来获得的，然而以往的数据有些是不够精准和实际的，所以会造成一定程度上的数据偏差。在现实操作中，需要根据基本的电力理论作为研究和分析电气参数计算的基础和原理，从而来计算其他的各种常见的电气参数，最终将所获得的数据结果进行分析。

5.1 改变电缆并联补偿度

在电缆进行实际运行的过程中，并联补偿的作用是非常重要的。在此过程中，需要根据改变电缆并联补偿度值来观测电缆线路实际运行时的电压和电流的变化情况。因此，在合理分析电缆特性的基础上，在传输矩阵的线路上并入并联补偿。与此同时，在对电缆进行适当的并联补偿时，其操作的合理性有助于减少电压的损耗，稳定电流的变幅程度，从而促使电缆线路的平稳运行。

5.2 改变电缆阻抗

通过改变电缆的内部阻力，避免受到电流和电压的影响，以此来改变电缆阻抗的变动幅度带来的实际影响。同时，在实际情况下，通过有效的变动电缆线路的阻抗的相角值和变动幅度，可以有利地促进电缆线路的电压和电流的平稳运行。电缆阻抗如图2所示。

图2 电缆阻抗图

5.3 电阻r的计算

由于邻近效应和趋肤效应，相导体中的焦耳往往在直流电流中引起损耗，相较于交流电流所引起的损耗要偏小，所以相导体中的直流电阻相较于交流电阻也较小：

式中：rac-导体某特定温度下的直流电阻；rdc-导体某特定温度下的交流电阻；yp-邻近效应因数；ys-趋肤效应因数

5.4 电感I的计算

假设电流在相导体截面上均匀分布的情况下，电感I的计算公式为：

式中：S-轴间距离，单位是mm；K-系数，如果电缆呈三角形排列，则K=1，若为平面排列，则K=1.26。

5.5 电导g的计算介质的有功损耗可以用并联电缆来表示，并联电导的计算公式为：g=btanδ

6 结语

由于电力电缆的铺设需要大量的土地，铺设电力电缆能够起到节约土地的效果，因而得到广泛应用。在电力电缆铺设过程中，对于其电气特性的研究需要建立在电力电缆参数精准计算的基础上，只有掌握了实际、准确的电缆参数数据，才能切实地指导、研究电力电缆线路的设定，保证电力电缆线路的安全运行，才能有效地推动我国电力电缆输送工程的健康、稳定发展。

[1]石磊，杨智伟.电力电缆故障检测及故障点定位方法分析[J].内蒙古电力技术，2014，32（1）：97～100.

[2]王军，周伟民，段发强，等.电力电缆故障分析及探测技术研究[J].智富时代，2015（5）：45～46.

[3]高云鹏，谭甜源，刘开培.电力电缆温度监测方法的探讨[J].绝缘材料，2014，47（6）：13～17.

TM247

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1004-7344（2016）11-0049-02

2016-3-10

冯保龙（1986-），男，助理工程师，本科，主要从事建筑电气设计工作。