谐波对电力电缆使用寿命的影响

谐波对电力电缆使用寿命的影响
近年来，随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，大量的非线性负荷如电弧炉、晶闸管调压及变频调速装装置投入运行，向电力系统注入大量谐波电流，对电网中的各种电气设备造成了不同程度的影响。

本文将对谐波影响下电力电缆的使用寿命进行分析。

1.电力系统中的谐波
造成系统正弦波形畸变、产生高次谐波的设备，称为谐波源。

一切非线性设备和负荷都是谐波源。

1.1 谐波源的类型
谐波源产生的谐波与其非线性特性有关，其非线性特性主要分为三大类：
（1）铁磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性；
（2）电子开关型：主要为各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等；
（3）电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。

1.2 谐波的危害
谐波在电力系统中传播产生的主要危害有：
（1）增加输、供和用电设备的额外附加损耗，增加设备温升；
（2）引起继电保护及自动装置误动或拒动。

使其动作失去选择性，可靠性降低，严重威胁系统的安全运行；
（3）对通讯系统工作产生干扰。

影响通信线路通话清晰度，甚至还会威胁通信设备及人员的安全；
（4）对用电设备的影响。

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。

此外，电力谐波还会使测量和计量仪器的指示不准确及对整流装置等产生不良影响。

它已经成为当前电力系统中影响电能质量的一大公害。

2.谐波对电力电缆损耗的影响
谐波电流流过导体表面会产生集肤效应和邻近效应，这两种现象都会使线路或设备产生更多的附加发热，从而影响绝缘寿命。

除此之外，由于谐波电流会产生较高频率的电场，这种情况下绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使温升增加，也会影响绝缘寿命。

电流流过导体，其热效应会引起导体发热，其大小由下面的公式决定：
I为线路电流的有效值，用下式表示：
式中：THDi ——谐波电流畸变率
I2、I3、…I n —— 2、3、…n谐波有效值
I1 ——基波电流
R ac是导体的交流电阻，用下式表示：
式中：Kc ——交流电阻和直流电阻的比值，也叫附加损耗系数
Kse ——集肤效应引起的电阻增大系数
Kpe ——邻近效应引起的电阻增大系数
Rdc ——导体的直流电阻
从式中可以看出影响线路损耗的因数有两个：电流和电阻，它们同时又分别受其他因数制约：
（1）电流大小主要由负荷运行情况决定。

当谐波含量很低时，电流有效值就是基波电流的大小；当谐波畸变率达到100%时，电流的有效值则比基波电流增大近0.5倍。

（2）电阻则受电流频率、导体材质和尺寸的影响。

当谐波含量很低时，Kc约等于 1；当谐波畸变率高时，Kc随电流谐波频率的增大而递增。

综上所述：电流谐波的存在将增加电力电缆的损耗，电流谐波有效值越大，电力电缆损耗越大；电流谐波频率越高，电力电缆损耗越大。

3.谐波对电力电缆温升的影响
线路损耗的增加必然导致线路温度的升高，导线外面包有绝缘层和保护层，温度的分析较为复杂，这里通过分析裸导体实现导线温度的定性判断。

对于裸导体，流过一定电流时，其稳定温升有下面的公式：
式中：I ——流过导体的电流； Rac ——导体的交流电阻；
α ——导体的总换热系数；F ——导体的换热面积。

从式中可以看出，对于具体的电线电缆来说，如果假定两种情况下流过电流的有效值相同，那么稳定温升的差异只取决于电阻的大小，如流过导体的电流存在谐波将增加其等效阻值，增加程度取决于谐波电流的大小及频率。

对于电缆和电线来说，由于有厚厚的绝缘层和保护层，热交换的效率必然没有裸导体高，因此流过相同电流时，稳定温升要高一些，谐波电流引起的温升增加量相应也要增大。

4.谐波对电力电缆使用寿命的影响
在化学反应动力学中,由反应速率方程及Amhenius方程,可知高分子材料的热老化方程为：
式中: τ、T ——分别表示材料的寿命(h)和老化温度(K);
a ——与规定失效性能相关的常数;
b ——(0.401×E/R)是与活化能E有关的常数,R是气体常数(8.314
J·mol-1·K-1)。

根据资料记载，对于丁苯橡胶热b=5346；对于阻燃电缆b=5394；对于聚氯乙烯电缆
b=5807。

假设温度为T1时的老化寿命为τ1，T2时的老化寿命为τ2，则对于丁苯橡胶：
对于阻燃电缆：
对于聚氯乙烯电缆：
假设温度为50°时三种材料的老化寿命都为20年，那么每升高1°，电缆的寿命如下表，表中的数据表示老化寿命，单位为年：
由表中的数据可以看出，三种材料的电缆，随着温度的升高，老化寿命急剧下降，当平均温度升高10°后，老化寿命仅为正常工作温度下寿命的1/4。

5.改进措施
5.1 改善电缆的结构设计
（1）采用多股导线，增加表面积，减少阻抗；
（2）以圆形电缆代替扇形等异形结构，增加导体距离，减少阻抗。

5.2 滤除谐波，减少电缆谐波流通量
在主要谐波源设备处就地安装谐波滤除装置，从源头遏制谐波对电缆的影响。

Sinxcel有源滤波器滤波能力大于95%、体积小巧、具有多种容量等级（25A、35A、50A、60A、100A及150A）、安装方式灵活（壁挂与机架可选），是设备级滤波装置的首选。

6.小结
文中对谐波环境下电力电缆的阻值、运行损耗及温升进行了量化，并估算了运行温度对电力电缆的使用寿命的影响，最后提出了改进措施。

参考文献
[1] 吕润馀．电力系统高次谐波[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[2] 林海雪，孙树勤．电力网中的谐波[M]．北京；中国电力出版社，1998．
[3] 乔琨，肖湘宁．谐波对电力电缆的影响．北京；电力学报，2008年2月．
[4] 刘振海．分析化学手册第八分册（热分析）[M]．北京；化学工业出版社，2000．
[4] 郑肇骥，王明．高压电缆线路[M]．北京：电力水利水电出版社，1983．
[5] 马国栋．电线电缆载流量[M]．北京：中国电力出版社，2003．。