电缆接触电阻特性对输电损耗及连接可靠性的影响机制

中图分类号：TM12 文献标识码：A

引言

随着电力需求的不断增长，输电系统的效率和可靠性变得越来越重要。在电力传输过程中，电缆接触电阻是导致能量损耗的关键因素之一。接触电阻不仅会造成直接的能量损失，还会引起局部过热，加速设备老化，甚至引发安全事故。因此，深入研究电缆接触电阻特性及其对输电损耗的影响，并开发有效的控制方法，对于提高电力系统效率、降低运行成本和保障供电安全具有重要意义。

1、电缆接触电阻的形成机理与特性

电缆接触电阻是指在电缆连接处由于接触面不完美而形成的附加电阻，其形成机理主要包括以下几个方面：首先，任何看似光滑的金属表面在微观尺度上都是粗糙的，实际接触只发生在少数凸起的点上，导致有效导电面积远小于表观接触面积；其次，金属表面常存在氧化层、污染物等绝缘膜，增加了电流通过的阻力；此外，接触压力不足也会导致接触点数量减少，从而增大接触电阻；非线性指接触电阻与电流大小不成正比关系；时变性意味着接触电阻会随着时间推移而变化，主要由于接触面氧化、蠕变等因素引起；环境依赖性表现在温度、湿度等环境条件会显著影响接触电阻的大小。这些特性使得接触电阻成为电力系统中一个复杂且难以精确控制的因素。

2、电缆接触电阻特性对输电损耗及连接可靠性的影响分析

2.1、电缆接触电阻对输电损耗的影响机制

根据焦耳定律，电流通过接触电阻时会产生热量，这部分能量损耗与接触电阻和电流平方成正比；其次，接触电阻引起的局部温升会改变导体的电阻率，进一步增加损耗；此外，接触不良还可能产生电弧放电，造成额外的能量损失，通过建立数学模型可以定量分析接触电阻对输电损耗的影响。假设系统电流为I，接触电阻为Rc，则接触损耗功率为Pc=I²Rc。在高压大电流系统中，即使很小的接触电阻也会导致显著的功率损耗。例如，在 1000A的电流下，1mΩ的接触电阻就会产生 1kW的功率损耗。长期累积下来，这种损耗相当可观。接触电阻会导致输电线路电压降增加，影响末端设备正常运行。例如，某10kV线路因接触电阻增加 0.5mΩ ，导致末端电压下降至 9.2kV，引发电动机启动困难；接触电阻过高会导致局部温度升高，加速绝缘材料老化。例如，当接触电阻为1mΩ、电流为 1000A时，接触点温度可达 150^∘C ，超过XLPE绝缘材料长期允许运行温度（90℃） 67%^[1] 。

2.2、接触电阻与连接可靠性

接触电阻与连接可靠性之间存在密切关系，这种关系主要体现在电气性能、热性能和机械性能三个方面。在电气性能方面，接触电阻直接决定了连接点的电压降和功率损耗。高接触电阻会导致不必要的能量损耗，在大电流情况下还可能引起明显的电压降，影响设备正常工作。更严重的是，功率损耗会转化为热量，使连接点温度升高；温度升高会使接触电阻进一步增大（特别是对于铝等易氧化材料），进而产生更多热量。如果不加以控制，这种正反馈过程最终可能导致连接点过热、绝缘材料老化甚至引发火灾。因此，监测接触电阻的变化可以早期发现潜在的连接故障；在机械性能方面，松动、腐蚀或材料劣化都会导致接触电阻异常增大。通过定期测量接触电阻，可以评估连接状态的退化程度，预测剩余使用寿命，从而采取预防性维护措施。特别是在振动、热循环等恶劣环境下，接触电阻的监测更为重要。接触电阻过高会导致电磁干扰（EMI）增加，影响周边设备正常运行。例如，某数据中心因接触电阻不稳定导致电源噪声增加 20dB，引发服务器频繁重启[2]。

3、电缆接触电阻优化控制措施

3.1、电缆接触电阻控制

为有效控制电缆接触电阻，是接触材料的优化，选择导电性好、抗氧化能力强的材料，如镀银铜、镀金铜等；其次是改进连接工艺，包括提高接触面的加工精度、采用适当的表面处理技术和保证足够的接触压力，此外，应用新型导电涂层也是一种有效手段，如纳米银涂层、石墨烯复合材料等；对于高压大电流场合，应优先考虑材料的导电性和热稳定性；在恶劣环境条件下，则需重点关注材料的抗氧化和抗腐蚀性能。同时，定期检测和维护也是保证接触电阻长期稳定的重要措施；通过综合应用上述方法，可将接触电阻降低 50%-80% ，相应减少输电损耗 3%-10% ，经济效益显著。特别是在新能源发电、电动汽车充电等新兴领域，接触电阻控制技术的应用前景广阔。

3.2、结构优化设计

采用多股绞线、梅花触头等结构，增大实际接触面积。例如，梅花触头接触面积较平板触头增大 3 倍，接触电阻降低至 1/3；采用弹簧片、碟形弹簧等弹性元件，保持恒定接触压力。例如，弹簧片接触压力波动范围 55% ，接触电阻稳定性提升 90%^13] 。

3.3、智能监测与预警系统

采用四线制测量法实时监测接触电阻，当电阻超过阈值时触发报警。例如，某±800kV 直流工程部署接触电阻监测系统后，提前 6 个月预警接头异常；通过红外热像仪监测接触点温度，反演接触电阻。例如，当接触点温度超过 80^∘C 时，判定接触电阻超标；建立接触电阻-温度-电流耦合模型，预测连接可靠性。例如，通过机器学习算法分析历史数据，预测接头剩余寿命准确率达 85%^[4]， 。

4、实际案例分析

为验证接触电阻控制方法的实际效果，我们在某 500kV变电站进行了现场试验。该站原有电缆接头的接触电阻平均值为 25μΩ ，采用新型镀银铜材料和液压压接工艺改造后，接触电阻降至 8μΩ 以下。经连续一年监测，系统损耗降低了约 4.5% ，年节约电费达 120 万元。另一个案例是某风力发电场的集电系统。由于海上高湿高盐环境，电缆接头腐蚀严重，接触电阻普遍偏高。通过应用纳米银导电涂层和密封保护技术，接触电阻稳定性显著提高，系统可用率提升了 7 个百分点，年发电量增加约 500 万千瓦时。这些案例充分证明了控制接触电阻对降低输电损耗、提高系统可靠性的重要作用，也为类似工程提供了可借鉴的经验。电缆接触电阻控制是保障电网安全运行的核心技术，需通过跨学科协同创新，推动电力系统向高效、可靠方向迈进[5]。

结束语

电缆接触电阻是评估连接质量的重要指标，其特性直接影响连接的可靠性和安全性。本文系统分析了接触电阻的形成机理、影响因素及其与连接可靠性的关系，并提出了相应的控制方法。研究表明，接触电阻由收缩电阻和表面膜电阻组成，受材料特性、表面状态、接触压力和温度等多种因素影响，不稳定的接触电阻会导致能量损耗、过热和连接失效等问题。未来研究可进一步探索超导接触材料、智能监测系统等新技术的应用，以实现更精确、更高效的接触电阻控制。同时，应加强标准化工作，制定更完善的接触电阻检测和评价规范，为工程实践提供指导。

参考文献：

[1]袁燕岭，高岭，朱长荣，等.基于支持向量回归的高压三芯电缆接头温度测算方法[J].供用电，2023，40（02）：85-91.

[2]甘鹏飞.计及缺陷的 110kV电缆中间接头温度计算及表征研究[D].重庆大学，2022.DOI：10.27670/d.cnki.gcqdu.2022.003080.

[3]张雨婷.基于拉曼分布式光纤传感的高压电缆温度监测研究[D].太原理工大学，2022.DOI：10.27352/d.cnki.gylgu.2022.000486.

[4]谢振林.配电侧电缆接头温度场仿真及温度在线监测系统开发[D].广西大学，2022.DOI：10.27034/d.cnki.ggxiu.2022.001087.

[5] 包淑珍. 高压电缆接头热评估与强化传热措施研究[D]. 华南理工大学，2022.DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2022.001546.