谐波电流对配电线路发热影响的分析

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1、谐波电流对配电线路发热影响的分析1!屮国建筑科学研究院建筑防火研究所沈金波北京电力工程公司魏士峰摘要：不管是相线还是屮性线，只要谐波电流的畸变率大，导线截面积大，集肤效应和邻近效应的影响就必须考虑。对于某些截面较大的导线，集丿庆效应和邻近效应共同作用导致导体电阻增犬，对线路发热所带来的影响已经较为明显了。本文从谐波电流的高频特性出发，在考虑集肤效应和邻近效应影响的基础上，定量分析了谐波电流对正常情况下电气线路发热的影响。关键词：谐波电流集肤效应邻近效应电气火灾随着电了设备的大量应用，电气线路中的谐波含量越来越严重了，谐波电流对

2、电气火灾的影响引起了业内人士的普遍关注。3、6、9……次谐波均为零序性谐波，它们在配电线路中性线中呈现出相互叠加的特性，因此很容易造成中性线过载，甚至超过相线电流。目前国内关于谐波电流和电气火灾关系的文献主要集屮在屮性线上，谐波电流对相线发热影响的相关文献较少。1谐波电流的高频特性1.1集肤效应(SkinEffect)集肤效应是指导体中有交流电流流过或者处于交变电磁场中时，由于电磁感应，使电流或磁通在导体屮分布不均匀，越接近表而处电流密度或者磁通密度越大的现象。电流频率越高，导体的电导率和磁导率越大，趋肤厚度就越小，这时只要导

3、休的截面积稍大，集肤效应就会相当严重，使导休的电阻增大。1.2邻近效应(ProximityEffect)相互靠近的导体中流过交流电流吋，每一个导体不仅处于自身电流产生的磁场中，同吋还处丁•其他导体产生的磁场中，这时各个导体中电流的分布和它单独存在时不一样，会受到邻近导体的影响，这种现象叫做邻近效应。电流频率愈高,导体靠得愈近，邻近效应愈显著。邻近效应和集肤效应是共存的，它会使导体屮电流的分布更加不均匀，使导体的电阻更加增大。以上两个特点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

4、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。2高频特性和导体的交流电阻电流流过导体，其热效应会引起导体发热，其犬小由下面的公式决定：P=卩瓦(1)［为线路电流的有效值，用下式表示：I=+/；+*+……+=片J*丁亦(2)其中：〃血为电流总谐波畸变率；IhI2fA……厶为1、2、3……n次谐波的电流冇效值。可以看岀，没有谐波电流时，电流的有效值就是基波电流的大小，但是当谐波畸变率达到100%时，电流的有效值则比基波电流增大将近50%。心是导体的交流电阻，用下式表示【込心#心=(1+5+一

5、)心⑶式中：厶是交流电阻和直流电阻的比值，也叫附加损耗系数；九是集肤效应引起的电阻增大系数；心是邻近效应引起的电阻增大系数；心是导体的直流电阻。从式（1）可以看出影响线路损耗的因素有两个：电流和电阻，它们同时乂分别受其他因素制约。电流的大小主要由负载情况所决定，电阻则受电流频率、导体材质和尺寸的影响。一般情况下，由于谐波含量很低，可以忽略高频信号的影响，认为总等于lo但是当谐波畸变率高时，高频信号的影响就必须考虑了。前面已经提到，电流频率越高，集肤效应和邻近效应就越明显，丘也越大。下面以建筑物内电线电缆为例，分析集肤效应和邻近

6、效应的影响。建筑物内的电线电缆从2.5mm2的电线到240mm2的电缆都可能涉及，因为尺寸的不同，它们在不同频率情况下受集肤效应和邻近效应的影响也有所不同。500kcmil>4/OAWG、1/OAWG、12AWG四种尺寸的电缆在不同频率下力值的变化曲线如下图1所示⑵。这四种电缆尺寸为美制电线标准,转换为公制分别为:253.5mm107.2mm2>53.5mm2>3.3mm2o可以看出,随着线缆截面的增加,斤<也随之变大。3001020谐波次数40谐波次数(a)12AWG的电缆K邻近效应•集肤效应*1-X补*图1不同电缆kc值

7、随谐波次数的变化曲线12AWG和4/0AWG两种尺寸的电缆的心和厶随谐波次数变化的曲线如卞图2所示。从图屮可以看出，对于像12AWG这样截而尺寸较小的电缆，在任何频率下都是邻近效应的影响占主导地位。对于4/0AWG这样截面尺寸的电缆，情况则不一样，在频率较低的时候，邻近效应的影响占据主导地位，而在频率较高的时候则是集肤效应的影响更大一些。160140-1201008060・40200•・••0102030谐波次数(b)4/0AWG的电缆图2两种电缆九和心值随谐波次数变化的曲线3线路损耗计算从上而的分析可以看出，由于集肤效应和邻

8、近效应的影响，频率较高时导体的电阻会有一定程度的增大，那么线路的损耗会因此增加多少呢？首先分析12AWG的电缆，从图1和2可以看出，该尺寸的电缆受集肤效应和邻近效应的影响非常小。因此可以认为对该尺寸及更小尺寸的电缆，线路含有谐波和线路不含谐波时的损耗没有明显差异。对于4/0A