谐波对电缆传输能效影响研究

谐波对电缆传输能效影响研究摘要电缆在电力传输系统中担任了主要的传输载体，它的损耗问题也越来越被重视。电缆损耗是降低电缆传输能效的主要原因，它给电能的输配造成了不小的经济损失。谐波对电力系统的危害是很严重的，它增大了电力设备的损耗，降低了电能的传输能效，而且还严重危害电力系统和人员的安全。随着国家工业现代化建设的进步，电力工业在不断发展，居民日常生活也越来越离不开电能。电缆作为把电能从发电厂输送到千家万户的重要角色，谐波对其造成的影响不容忽视，研究谐波对电缆的能效影响评估极其重要。研究对于提高电缆的运行稳定性、减少电能在传输过程中的损耗方面具有重大意义。本文根据谐波对电力电缆的影响机理进行展开分析研究，运用谐波叠加分析原理，建立电力电缆谐波损耗计算模型，建立谐波影响下的基波功率传输效率计算模型。同时利用DIgSILENTPowerFactory软件进行仿真计算，利用matlab软件进行数据分析的方法，验证谐波影响下的电缆电阻损耗和介质损耗以及基波功率传输效率。并在文章结尾根据分析结果提出一种电缆在谐波影响下的能效评估方法。关键词：电力电缆；谐波；传输能效；交流电阻；介质损耗；导体损耗；

目录21014_WPSOffice_Level11.绪论 414003_WPSOffice_Level21.1.研究的背景与意义 415331_WPSOffice_Level21.2.电缆的发展史 47729_WPSOffice_Level21.3.电缆的结构 416604_WPSOffice_Level21.4.电缆相比于架空线的特点： 524202_WPSOffice_Level21.5.电缆的功率损耗 53365_WPSOffice_Level21.6.谐波的产生原因： 624661_WPSOffice_Level21.7谐波的危害 610224_WPSOffice_Level21.8.谐波的特性与度量方法 813070_WPSOffice_Level12.谐波造成的电力电缆电能损耗 1015252_WPSOffice_Level22.1.导体损耗 1130034_WPSOffice_Level22.2.介质损耗： 146997_WPSOffice_Level22.3.涡流损耗 162058_WPSOffice_Level22.4.电缆的选择原则 1923648_WPSOffice_Level22.5.本文理论计算 191.绪论1.1.研究的背景与意义随着我国工业发展越来越迅速，国民的生活水平也在不断提高，生活中的各种设备、工具也越来越智能化。由于电能便于储存且易于转换成其他形式的能量，如今越来越多的生活设备都需要电能来驱动，电能逐渐成为我们的主要能源，也是推动科学技术和国民经济发展的主要动力，所以我们对电能的质量要求也在不断提高。近年来许多非线性电力电子设备广泛投入使用，虽然给我们的生活带来便利，但也制造了很多谐波并流入到电网系统中，严重影响了电能的质量，给电网内的发电、变点、输电、配电、用电等环节都带来了巨大的影响。为了让电力工业能更好地发展，我们应深入了解谐波对电网的影响，对传输能效进行探讨，探索减小谐波电能含量的方法。1.2.电缆的发展史电力电缆至今已有100多点历史。由于架空输电线受地形、空间等诸多因素影响，难以在特殊地点拉设，俄国人在1812年发明了简易的电缆并在矿山的爆破中投入使用。1879年，美国著名科学家爱迪生用黄麻缠绕铜棒并用沥青等绝缘混合材料填充制作成电缆，制作成第一款量产的输电电缆，成为了地下电缆输电的开端，但该电缆重量太大且制作需要耗费大量原料。1889年英国人费兰提研发了10kV油浸纸绝缘电缆，从此电缆正式进入到输电网中。此后，60kV、380kV、500kV等不同的电压等级电缆不断被开发出来，电缆输电效率也在不断提高。电缆的产品种类十分繁多，其在电力、建筑、通信等行业内都有不同型号及功能。我国的电力电缆开发也在不断推陈出新，陆续研发了聚乙烯电缆、聚氯乙烯电缆、交联聚乙烯电缆、橡胶绝缘电缆、六氟化硫绝缘电缆等等。电缆被称为电力工业和国民经济的基根，它不仅能高效地传输电能、传送信息，还是电磁转换必不可少的基础性器材，是电气工业和日常生活的必须工具。目前中国的电线和电缆的总产值已经超越了美国，称为全球最大的电线电缆生产国。电线电缆行业也逐步成为中国的最大行业之一。随着电线电缆行业的发展，国内的电缆制造企业的数量也在不断地增加，电缆制造的技术水平也在不断地提高。在改革开放后的几十年里，中国生产出的电线电缆的种种优点以及可观的未来发展前景吸引了许多国内外的注意，中国线缆强大的生产和优良的品质赢得了世界各地的认可。同时中国的电力工业、通讯工业、轨道交通业和汽车工业等行业的规模也在不断扩大，对电缆的需求越来越大，对电缆质量的要求也越来越高，未来还可以设计出输电性能更好，有功功率损耗更低的电缆。电缆行业目前基本上不需要担心市场问题，中国各行业都迎来了极好的发展时期，电线电缆行业作为推动国民经济发展的重要产业，未来市场前景是极好的。1.3.电缆的结构电力电缆的基本结构由线芯（导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分组成。1.3.1.线芯。线芯是电力电缆的导电部分，位于电缆中心，是用来输送电能的导体，是电力电缆的主要部分。常见的线芯材料有铜和铝合金。常见的线芯数有单芯、2芯、3芯和3+1芯，其中3+1芯电缆由3根主芯和1根中性线芯构成。1.3.2.绝缘层。绝缘层是包裹在导体表面的绝缘介质，它的材料有油浸纸、聚氯乙烯、交联聚乙烯、橡皮等。绝缘层是将导电线芯与大地和另外两相的线芯之间彼此电气隔绝，保证电能的正常输送，防止发生短路的介质，是电力电缆结构中不可缺少的组成部分。1.3.3.屏蔽层。屏蔽层分为导体屏蔽、绝缘屏蔽和金属屏蔽，它的作用是将电缆内的电磁场与外界的电磁场进行隔离，可以帮助改善缆芯的电场分布。导体屏蔽为一层挤包型的半导电层；绝缘屏蔽是包裹在绝缘层表面的半导电层，可以采用挤包型、包带型等。15KV及以上的电力电缆一般都有导体屏蔽层和绝缘屏蔽层。1.3.4.保护层。电缆保护层分为铠装层和外护套，其中铠装层为金属钢带或钢丝构成，外护套则为非金属塑料PVC构成。保护层的作用是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入，以及防止外力直接损坏电力电缆。1.4.电缆相比于架空线的特点：电力电缆和架空输电线路的作用都是传输和分配电量。电缆线路的成本一般要高于架空线，但电缆可埋设于土壤下的特性使其在许多结构复杂的地点去完成输配电的使命，例如河道、山林和城市等地方。电缆逐年增加的使用量说明了电力工业在创新上不断取得成就，同时也反映出社会正在发展。1.4.1.电缆通常埋设在地下土壤内，或者敷设在室内、沟渠和隧道中，缆线之间绝缘性能好，电缆可以埋设紧密，占地空间很小。电缆拉设时不需要杆塔，不影响地面建设，节省地面空间，美化景观，适合城市的整体规划布局。1.4.2.电缆可埋设在管道中，不易受雷击、人为破坏、外力损伤等外界因素的影响，而且电缆受雾霾灰尘堆积、酸雨腐蚀等恶劣自然环境的影响较小，可以稳定高效地输配电能，可靠性高。而且电缆不易发生人畜触电事故，安全性高。1.4.3.新研发的电缆技术的绝缘性能更好，缆芯的阻抗值更低，可以推动电力工业向超高压和大容量发展，例如超导电缆和低温电缆。1.5.电缆的功率损耗电缆在电力传输系统中担任了主要的传输载体，它的损耗问题也越来越被重视。电缆损耗是降低电缆传输能效的主要原因，它给电能的输配造成了不小的经济损失。电缆的损耗主要有导体交流损耗、金属屏蔽层的涡流损耗和环流损耗、绝缘介质损耗。当电缆中流过交流电时，电缆周围会产生电磁场，电缆外层的金属套内将会产生涡流损耗。而金属套的两端都连接大地时，由于各相的金属套上的电动势不相等，金属套上会产生环流而引起损耗，该环流损耗甚至比电缆缆芯的交流损耗还大。1.6.谐波的产生原因：1.6.1.电源处产生的谐波。电源主要是指发电机。发电机在生产制造过程中，由于三相绕组不可能做到完全均匀对称，且在发电机正常运行时外界环境也会对其造成一定程度的影响，故在发电机运行时会产生少量谐波。1.6.2.电力变压器产生的谐波。变压器在工作时在铁心接近饱和时变压器的磁化曲线会变成非线性。同时，在设计变压器的时候出于经济性的考虑，使变压器一般工作在磁化曲线的临近饱和段上，所以变压器的磁化电流呈尖顶波形式，即含有奇次谐波。产生的谐波大小与磁路的结构形式以及铁心的饱和程度有关，铁心的饱和程度越高，则变压器磁化曲线上的工作点非线性越严重，谐波电流也就越大。1.6.3.非线性负载产生的谐波。随着时代发展，工业和商业电力系统中非线性负载在电力总负载中所占比例越来越大。非线性负载可分为三大类。第一类是铁磁饱和型负载，例如变压器铁心、电抗器等等；第二类是电子开关型负载，主要是直流电变换成交流电的逆变器、交流电变换成直流电的整流器和晶闸管可控型开关；第三类是电弧型负载，即炼钢电弧炉以及交流电弧焊机在工作期间点燃电弧及剧烈变动形成的高度非线性，使电流失稳，产生谐波。晶闸管作为开关电源、充电装置和机电控制设备的必要元件，其广泛的应用给电网带来了大量的谐波。非线性负载使电网中的电流及电压正弦波形发生变形，成为尖顶波，即在电网中出现谐波成分。此外，电力公司使用大量电容器组以改善功率因数，工业界广泛使用电力电子变流器以提高系统的效率和可靠性，这些设备都会加重电压、电流波形的畸变。同时，最近研发出的高精密度的半导体电子设备对电能质量的要求更高，另一方面也会导致电压和电流波形的畸变，使电压和电流的正弦波形变成含有大量谐波成分的尖顶波型。非线性负载是电力系统中最大的谐波源，其产生的谐波在总谐波中占比为40%。1.7谐波的危害在电力电子设备广泛应用之前，人们就已经对谐波及其危害展开过研究，但在当时的工业发展下谐波还没对电网造成较大的影响，所以没有引起足够的重视。在随后的几十年间，电能在日常生活中逐渐发展成不可缺少的成分，各种电力电子设备也随着迅速发展并被广泛投入使用，使得电网被电力电子设备所产生的大量谐波污染，由谐波引起的各种故障和事故也在不断发生，谐波的危害才引起人们的高度重视。谐波的危害非常严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、发生振动和噪声，使电器绝缘老化，缩短使用寿命，甚至使电器发生故障或烧毁。1.7.1.谐波对变压器的影响主要表现在增加铁损耗、增加变压器铁心的磁滞损耗和涡流损耗。谐波流入电网后，会增加输电、供电和用电设备的损耗，使电能传输能效降低，同时增加设备工作时的温升，会导致设备过热，加快设备的老化，缩短设备的使用寿命。特别是3次、5次和7次谐波等占比较大的谐波成分。谐波电流流过变压器时，会增加变压器的铜耗，引起局部过热和噪声，增加绕组的发热。变压器的绕组的漏磁通也会在油箱和结构件等地方造成涡流损耗。另外，谐波电压会增加变压器的磁滞损耗和涡流损耗，当电力系统运行在过电压状态或三相电压不对称等暂态稳定运行状态时，励磁电流中也会出现谐波成分，该谐波电流在发生谐振时会危害变压器的安全运行。最后，对三角形连接的绕组而言，3N次的零序谐波在三角形绕组内形成环流，使变压器温升增加而温度过高，使变压器的绝缘加速老化，从而缩短变压器的使用寿命，甚至使变压器损坏。1.7.2.谐波会引起谐振现象。电力系统中的谐波源大部分是电流源，在系统中发生并联谐振后，电缆上的谐波电压会升高，同时使各并联支路的谐波电流增大。在电网中发生并联谐振的情况比串联谐振要多。引起谐振现象的情况有很多，其中最容易碰到的是把谐波源和电容器接在同一电压等级的母线上时，系统阻抗和电容器可能会发生并联谐振。在发生谐振时，电缆的绝缘层中的泄漏电流将会升高至原本的几十倍，同时谐波电压也会很大，该谐振过电压和谐振过电流会对电网造成严重的损害。如果电缆长期处在谐振情况下，将会使电缆的损耗增加，降低电网的传输能效，并使温度升高，令电缆的绝缘层加速老化，甚至引发火灾。1.7.3.配电系统中，当非线性用电负荷在总负荷中占比较大，并联电容器组投入使用时，由于电容器组的谐波阻抗小，流过电容器组的谐波电流大，使电容器工作在过负荷状态而严重影响其使用寿命，甚至造成电容器过热爆炸等安全事故。同时，电容器组的谐波容抗与系统等效谐波感抗相同时会发生谐振，使得电容器的谐波电流被严重放大导致电容器过热烧毁。所以，电压谐波或电流谐波的含量过大，都会使电容器的工作电流增大，加剧电容器的老化并出现故障。谐波使工频正弦波形发生畸变，产生锯齿状尖顶波，容易在绝缘介质中引起局部放电，加速绝缘介质的老化，也会导致电容器损坏。1.7.4.电能中含有谐波成分时，会增加输电线路的有功损耗。输电线路内的谐波电流会在集肤效应的影响下使线路交流电阻增大，造成额外的有功损耗，使得输电线路的损耗增加。在电力系统三相不对称运行时，谐波对中性点直接接地的供电系统线损的增加更严重。在低电压等级的配电网中，零序谐波电流会造成中性线电流增大，使中性线过负荷工作，增大线路有功功率损耗。另外，使用电缆来传输电能时，电缆介质上的应力与加在电缆两端的电压幅值成正比，所以谐波电压会使电缆的介质应力增加，使电缆更容易发生故障，缩短了电缆的使用寿命。1.7.5.谐波电流流过电力电缆时，会使电缆的介质损耗和导体损耗增加，导体温升增大。电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，电力电缆的额定工作电压等级越高，谐波引起的电缆介质不稳定的危险性越大，越容易发生故障。1.7.6.继电保护装置正常工作时，若电源谐波分量较高，可能会引起测量误差，有可能干扰装置关键处理模块的正常工作，导致继电保护及自动装置误动或拒动。当三相电严重不对称时，在正序谐波或者负序谐波含量较高时，可能对以负序过滤为气动元件的保护装置产生干扰而引起误动。电网系统中注入大量的谐波和负序电流，可能会引起供电系统质量指标严重恶化、发电机的负序电流保护频繁误动、主变压器的过电流保护装置误动、线路的距离保护震荡闭锁装置误动和母线差动保护误动等。谐波会使保护装置灵敏性降低，并令保护装置的选择性失效，容易造成严重安全事故，危害电力系统及人身安全。1.7.7.干扰通讯设备信号，输电线路和通讯线路间的静电感应和电磁感应会影响通讯信号及信息的正常传播，降低信号传输的质量，使得信息传播模糊、偏差或错误。1.7.8.含有谐波成分的畸变电流会对用电设备造成损害。谐波会影响显示设备的稳定性，使其图形产生波动及畸变，严重时会损害用电设备。1.7.9.谐波会影响测量仪器的精度，不能指示精确的示数，对测量仪器造成不可逆的损害。测量仪表的设计和制造是在正弦波交流电源下进行的，所以测量仪表在含用谐波成分的电源中使用时就会发生测量值不准确的现象。不同的仪表受谐波影响的程度不一样，但测量误差总是随频率升高而增大。从上述可以看出，谐波对电力系统的危害是很严重的，它增大了电力设备的损耗，降低了电能的传输能效，而且还严重危害电力系统和人员的安全。随着国家工业现代化建设的进步，电力工业在不断发展，居民日常生活也越来越离不开电能。电缆作为把电能从发电厂输送到千家万户的重要角色，谐波对其造成的影响不容忽视，研究谐波对电缆的能效影响评估极其重要。研究对于提高电缆的运行稳定性、减少电能在传输过程中的损耗方面具有重大意义。1.8.谐波的特性与度量方法标准的电压和电流波形，是恒定幅值、频率的正弦波形。但实际生活中电能波形通常在许多外在因素的影响下产生畸变，发展成尖顶波形式即含有大量谐波并向用户端输送。理想情况下，在三相四线制YY型联结的配网电力系统中，三相电流是对称的，不会引起中性线电流，但实际中相电流是含有谐波成分的。在中性线上，正序谐波电流和负序谐波电流相互抵消，但零序电流是不对称电流，其向量角度相同，在中性线上零序电流不但不能互相抵消，反而会叠加，总电流大小等于3倍零序相电流大小。零序电流向量和不为零，产生中性线电流，使中性线变成一个独立的发热导线，所以对三相四线制连接的电路进行分析计算时须考虑上述因素。本文分析谐波对电力电缆能效的影响的方法，是利用傅里叶级数展开法，将非正弦周期的激励电流和电压分解为许多不同频率的正弦量，然后分别计算各频率正弦量单独作用时在电路中产生的正弦电流波形和正弦电压波形的有效值，然后再把各频率的电流和电压有效值相加，就可得到电路中实际的总电流和总电压。周期函数的傅里叶展开式：谐波在电力系统中的传输特征：在电力系统中，大部分电力器件都是双向对称的器件。这些器件产生的电压和电流都是半波对称的，上半波与下半波波形相同，符号相反，即，没有直流分量，也没有偶次谐波。在一个平衡稳定的三相电力系统中，某一频率谐波分量只能是完全正序或完全负序或完全零序的。这在傅里叶级数展开式中证明如下：从上面三个公式中我们可以看出，7次谐波、13次谐波、19次谐波……是正序谐波，5次谐波、11次谐波、17次谐波……是负序谐波；3次谐波，9次谐波，15次谐波……是零序谐波。测量谐波畸变程度的方法：将一个电压波形或电流波形用傅里叶公式表示，可以写成：式中，是第次谐波电流的最大值，是第次谐波电压的最大值，是第次谐波电流的相位，是第次谐波电压的相位，是谐波次数，是基波角频率。电压和电流的有效值表达式如下：电压畸变因素也被称作是电压总谐波畸变率，其定义如下：电流畸变因数也被称作是电流总谐波畸变率，其定义如下：在不计及集肤效应并且在纯电阻的情况下，电压畸变因数数值上是等于电流畸变因数的。但在实际中，由于电力电缆的绝缘介质中有电容，并且还有集肤效应的存在，导致了电压畸变因数和电流畸变因数不相等。2.谐波造成的电力电缆电能损耗电力电缆的传输能效取决于电缆的电阻损耗大小。导线的交流电阻不是一个额定值，其随频率的增加而升高，令电力电缆的传输能效计算变得复杂。含有谐波成分的电流在电网中传输时会造成额外的有功损耗和热量，导致输电线路和电力电缆的传输能效下降。对大部分情况而言，谐波电流在总电流中所占比例较低，但谐波的频率高，是基波电流的整数倍，部分达到几十倍，同时谐波会令输电线路产生集肤效应、邻近效应及金属管道的邻近效应，使导体的有效导电截面积变小，谐波电阻值变大，因此电流中的谐波成分造成的额外有功功率损耗较大，不容忽视。除此之外，在电力电缆输电线路上，高频谐波会在屏蔽层内造成比较大的电阻损耗，其中含有涡流损耗、环流损耗和屏蔽电阻损耗；同时绝缘层上还存在着分布电容，会产生额外的绝缘介质损耗。谐波除了造成额外损耗之外，还会造成正弦交流电压波形变形，出现尖顶波。尖顶波电压会对电力电缆造成一定程度的危害，会增加电力电缆工作状态下的发热，加速其老化，造成浸渍绝缘的局部放电；同时会使电缆绝缘介质损耗增大和温度升高情况加剧，造成电缆的使用寿命缩短，严重时会导致电缆绝缘层被击穿，危害电力设备和人身的安全。2.1.导体损耗电能流过电力电缆时由电缆的电阻造成的有功功率损耗，即铜耗和铁耗。在实际计算中我们可以先计算出电缆的总交流电阻，就可以计算出对应于某次谐波电压或电流分量的导体损耗，再根据叠加定理可以通过各次谐波损耗的相加，算出总电压或总电流下的缆芯导体损耗。电流可以定义为：式中，为流过缆芯的总电流瞬时值；为第n次谐波电流的瞬时值。导线的总交流导体损耗为：在电力电缆实际运行时，流过缆芯的总电流中含有大量高次谐波。在谐波的影响下，导线会产生集肤效应和邻近效应，使缆芯导体的有效横截面积减小，电阻值增大，加大了电力电缆的额外有功功率损耗。所以，导体的集肤效应和邻近效应给电缆传输能效带来的负面影响不容小觑。在得到缆芯的直流电阻、集肤效应系数和邻近效应系数等数据后，可以计算出导体的交流电阻值如下：，其中上式中，是导线的直流电阻，是导线在20时的直流电阻，是导线的温度系数，铜线取，是导线的环境温度，是集肤效应增大交流电阻系数，是导线邻近效应增大交流电阻系数，是管道邻近效应增大交流电阻系数。2.1.1.集肤效应集肤效应又叫做趋肤效应，当交流电流流过导体时，电流将趋于导体表面流动，而不是在整个导体内以均匀的电流密度流过，这种现象就叫集肤效应。特别是高频率的电流流过导体时，电流会聚集在导体的表层，频率越高，集肤效应越严重。这种现象是由通电的铁磁性材料靠近未通电的铁磁性材料时产生的。在未通电的铁磁性材料表面产生相反的磁场，通电的铁磁性材料内的电流会切割此感应磁场的磁力线，便产生涡旋电流。简单来说，由楞次定律可知，当导体内部流过交变电流时，导体内部会产生涡流，与导线中心的电流方向相反。而在导线中心处的磁链比导线表面处的磁链要大，所以在导线中心处产生的电动势就比在导线表面处产生的电动势大。产生涡流的后果就是在导线内的电流被涡流抵消，导线中心处的电流被抵消得最多，越靠近导线表面处则抵消得越少。从导体总电流分析则是电流在导体表面流动，中心则电流很小甚至是没有电流。2.1.2.电流的集肤效应①电子在导体内总是沿着阻力最小的路线流动。在导体表面及近表层，结构元与导体表面基本平行，电子在这里流动时阻力较小。而在导体内部，结构元呈上下、前后、左右空间排列，电子在导体内部流动时要受到5个方向的阻力，而在导体表面流动时只受到3个方向的阻力，所以电子在导体表面流动时的阻力要比在导体内部流动时受到的阻力要小得多，这是集肤效应产生的原因之一。②当电子在导体内流动时，在电子流动的垂直方向会产生一个磁场，其他运动电子在磁场作用下会逐渐向导体表面发散移动，于是每个电子都在其余电子产生的磁场的洛伦兹力下向导体表面移动，形成电流的集肤效应。③导体通电时会产生有功损耗，进而产生热量。在导体内部，阻性损耗产生的热能不容易散发，造成了导体中心的温度比导体表面的温度高，电子运转的速率快，就导致了电子通路相对窄小，电阻比导体表面较高。导体表面的散热速度快，温度升高的情况没有导体中心的情况严重，价和电子运转的速率慢，电子通路相对宽大，所以导体表面的电阻比导体内部的电阻小。由上文分析结果我们可以知道这也是集肤效应产生的原因之一。集肤效应的穿透深度计算公式如下：其中，为导体电导率，铜导线电导率取1.737610，为导体的磁导率，铜导线的磁导率取真空磁导率,为第次谐波的频率。由此可知，谐波次数越高，谐波的集肤效应越明显。当穿透深度小于导线的半径时便出现集肤现象，导线的有效载流截面积开始减小。因此当电力电缆中电流含有大量高次谐波时，电流将集中在缆芯表面传导，使缆芯实际载流截面积减小，导体电阻增大，电力电缆的导体有功功率损耗增大。所以在分析谐波对电力电缆传输能效的影响时必须考虑集肤效应的影响。除了集肤效应之外，邻近效应也会对电力电缆的传输能效造成影响。集肤效应与邻近效应在电力电缆中往往是孪生现象，它们的作用都是使电力电缆的有效输电截面积减小，增大有效电阻，降低电力电缆的传输能效。2.1.3.邻近效应当含有谐波成分的交流电流在相邻两个导体中以相反方向流动时，各导体内电流产生的交变磁场相互影响另一根导线，使其产生涡流电流。该涡流电流与导体本身的工作电流相叠加，使导体中的实际电流分布不均匀，在靠近另一条导体的一侧更集中，即导体内侧的电流密度更大。磁动势越大的地方邻近效应越明显，磁动势越小的地方邻近效应也越微弱。当大量高次谐波存在电缆中时，邻近现象将会加剧，使缆芯导体的有效导电截面积减小，降低电力电缆的能效，增大电阻。邻近效应随绕组层数增加而呈指数形式增加，因此邻近效应的影响要远比集肤效应的影响严重。集肤效应和邻近效应都属于电磁场方面的问题。在计算金属圆型导线的集肤效应和邻近效应时都没有简单的计算公式。由前人可知集肤效应增大交流电阻系数、导线邻近效应增大交流电阻系数和管道邻近效应增大交流电阻系数的计算公式。集肤效应增大交流电阻系数的计算公式为：其中，，是导线介电常数，是导线导电率，是基波角频率，是导线半径，是修正贝塞尔函数。导线的邻近效应增大交流电阻系数的计算公式为：式中，，是第次谐波下的参数，是经验系数，是相邻导线的轴间距。金属非磁性管道的邻近效应增大交流电阻系数的计算公式为：式中，是单位长度的管道直流电阻，单位是。是管道的平均半径。磁性金属管道的邻近效应增大交流电阻系数的计算公式为：，为管道的内半径。由上述可知，谐波对电缆电阻损耗的影响主要在增强电缆运行时的集肤效应和邻近效应，集肤效应与邻近效应都和电源频率有关系，谐波频率越高，缆芯导体的交流电阻因集肤效应与邻近效应而变得越大。电阻损耗主要与谐波电流含有率和谐波次数有关，当谐波电压含有率固定时，电缆的电阻损耗随谐波次数的增大而减小，因此对电缆影响最大的谐波是谐波电流大的低次谐波，而高次谐波则因谐波电流很小而对电缆的影响很小。2.2.介质损耗：介质损耗是指电缆运行时，绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在绝缘材料内部产生的能量损耗，并伴有发热的现象。因发热而消耗的电能称为电介质的损耗功率。介质损耗不仅损耗了电能，使电力电缆的传输能效降低，同时还带来电缆温升增加，严重时甚至会使绝缘介质过热而损坏，影响电缆的正常输送电能工作。特别是当外加电源中含有高次谐波时，电力电缆的绝缘电容容易发生过负荷，使电缆内耗增大，导致绝缘层温度过热而损坏。所以介质损耗是评定电力电缆绝缘介质的品质的重要指标之一。介质损耗可以分成以下几种损耗形式：2.2.1.漏导损耗理想绝缘体是一种内部没有能够自由移动的电子或离子，电阻率无穷大，电流不能通过的物体。现实生活中使用的绝缘介质都不是理想绝缘的，在绝缘介质中总会存在一些缺陷，存在少量带电粒子或空位。所以在外电场的作用下，不论绝缘介质的绝缘性能有多好，总有一些电子会穿过绝缘介质形成漏导电流。漏导电流流过绝缘介质时就会使绝缘介质发热并产生漏导损耗。2.2.2.极化损耗在介质发生松弛极化和空间电荷极化等缓慢极化时，带电粒子在电场力的作用下克服热运动而引起能量损耗，称为极化损耗。缓慢极化在外电厂作用下需要经过一段比较长的时间材能达到稳定状态，在电能频率较高时，介质中的极化速率比电场变化速率要慢，因此会产生极化损耗。特别是在电源频率较高时，介质的极化比外电场的变化要慢得多，所以会产生明显的极化损耗。而在电源频率较低时，介质都能随外电场的变化而发生极化，因此总体上不会产生极化损耗。2.2.3.电离损耗电离损耗又名为游离损耗，是由气体引起的。在固体绝缘介质内部会含有气孔，当气孔所在的外加电场强度超过气孔内气体的击穿电场强度时，气体就会发生击穿电离，并吸收一定的能量，造成额外的能量损耗。该类损耗称为电离损耗。2.2.4.结构损耗在高频电场下，介质损耗与介质内邻结构的紧密度相关的介质损耗，称为结构损耗。特别是在掺入杂质或经过淬火急冷处理等情况后，介质的内部结构松散，结构损耗会增大。电介质在交变电场的作用下，由于电场频率和介质种类的不同，会发生以下两种不同的情况。对理想介质来说，电位移和电场强度在时间上没有相位差，即极化强度与交变电场同相位，介质电容交流电压滞后交流电流90°。但现实中的电介质都不是理想介质，故电位移和电场强度在时间上存在着相位差，交流电压滞后交流电流的相角小于90°，所以会产生介质损耗。介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角的余角称为介质损耗角。介质损耗的大小与电力电缆的外施电压、电源频率、介质电容和介质损耗角的正切值成正比。介质损耗角的正切值与介质电容储存电荷和消耗的能量有关。在不同的电力电缆上，电压、电源频率和介质电容的大小都不相同，难以比较电缆之间的绝缘情况。但是对同一类型的电缆来说，当外加电压、频率和介质电容都相同时，介质损耗角的正切值就可以完全反映该电缆的绝缘情况。介质损耗角可以反映输电设备的受潮、劣化变质和绝缘放电等不良情况，因此介质损耗角是测评绝缘老化特性及在线监测绝缘情况的一项重要指标。在本次研究中，由于不考虑电缆的绝缘老化等问题对电缆传输能效的影响，故电缆的介质损耗角可以设定为一个固定的值。介质电容的充电电流为：绝缘介质损耗角的正切值计算公式为：故第次谐波下的介质损耗为：设定介质损耗角为定值，则电力电缆的总介质损耗为：由谐波造成的介质损耗为：由上式可以看出，电缆绝缘层上的介质损耗主要与谐波电压含有率、介质电容和介质损耗角的大小有关。绝缘电容值越大，电缆的介质损耗就越大。介质损耗角的正切值与绝缘电阻和绝缘电容的大小有关。2.3.涡流损耗涡流损耗是指电缆缆芯内流过电流时就会产生一个中点在缆芯中心磁场。磁场的磁力线与电力电缆的金属屏蔽层或金属套交链时，在该电缆材料的两端将出线感应电动势。感应电动势的大小与电缆长度和导体内的电流大小有关，电缆越长，感应电动势的数值越大，甚至超过人体的安全电压值，严重威胁到人身安全。同样，电缆电流越大，感应磁场强度就越强，金属屏蔽层上的电压值也越大。当电缆上发生短路故障或操作不当产生过电压时，电缆的屏蔽层上会产生一个电压值相当大的感应电压，该过电压对电缆绝缘层和外护套的危害很大，甚至会使绝缘层和护套被击穿。电缆线的涡流损耗的计算相当困难，因此一直以来涡流损耗没有被研究重视，反而被认为是损耗太小而忽略不计。随着近年的输电电压等级不断升高，电缆的载流量也越来越大，电缆的涡流损耗开始受到普遍的重视。目前国内计算涡流损耗的方法中较新的、较用性较强的且近年使用情况很火热的计算方法是有限元法。有限元法即是由给定的边值条件开始，用等价的条件对原问题进行变换分析，将定义域进行离散化处理，在其中增加差值函数，然后求对应的泛函的极值，从而达到求解原问题的目的。有限元法是一种单元分解灵活、适用性强而且处理多煤质问题很方便的方法。该方法无明显缺陷，因此现在在数值计算中应用得最广泛。涡流损耗计算式：缺缺缺其中，——涡流密度，——电场强度，——电导率，——磁位。国内外研究状态2.4.电缆的选择原则电力电缆的选择应该从安全性、耐高温、输电效率、利用率和成本等方面考虑。①安全性。交流供电回路由多根电缆并联组成时，应采用相同的标称截面积缆芯。电源中性点直接接地的三相四线制系统的电缆中性线截面不得小于线路最大不平衡电流持续工作时所需的最小截面。②防火考虑。电缆的防火设计应按等效工程使用条件的燃烧试验满足耐火极限不低于1小时的要求，且耐火温度不低于1000摄氏度。电缆绝缘层应满足抑制燃烧、起燃烟雾少且毒性小等要求。为了防止火势蔓延甚至失控，绝缘层应选择不含卤素的材料且添加有抑制火势的添加剂的混合材料。其中不含卤素的材料起燃时产生的烟气是无毒无腐蚀性的，安全性能较高，例如交联聚乙烯和聚乙烯材料。抑制燃烧添加剂氢氧化铝可以抑制火势蔓延，在人口密度大的公共场所铺设电缆时适宜采用交