BPVVPP2/BPYJVP2/ZR-BPYJVP/BPGGPP2 變頻電纜

雖然變頻技術(shù)的應用范圍很廣，但對于許多工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)變頻技術(shù)尚屬于一門(mén)新的技術(shù)。同時(shí)，在此情況下也帶來(lái)了電機和變頻器之間電力電纜的結構設計和如何正確選用電力電纜等成為一個(gè)新的課題。
    鑒于這方面的原因，本文對變頻系統用電力電纜結構、相關(guān)性能要求以及電纜的接線(xiàn)方式等方面作一介紹。供相關(guān)電纜制造和電氣設計技術(shù)人員作參考。
   2國外典型變頻系統用電力電纜結構介紹
   2.1ABB公司認可的電纜結構及相關(guān)要求
   2.1.1主電電纜為滿(mǎn)足工業(yè)環(huán)境的一般電磁輻射標準，主電電纜必須是三芯或四芯屏蔽電纜。電纜屏蔽的有效性規則是，屏蔽層越緊密電磁輻射的水平就越低。可以基于屏蔽層的結構或傳輸阻抗來(lái)評價(jià)它的有效性：屏蔽結構：電纜的屏蔽層采用銅絲纏繞在三芯或四芯相線(xiàn)的外面，帶有一個(gè)螺旋形銅帶，減小了屏蔽層孔的大小。屏蔽層傳輸阻抗：在100MHz范圍以?xún)龋瑐鬏斪杩贡仨毜扔诨蛐∮?Ω/m。
   2.1.2電機電纜電機電纜屏蔽必須滿(mǎn)足上述主電電纜屏蔽的最低要求。屏蔽結構：電纜的屏蔽層至少包括一個(gè)銅帶重疊的層和銅絲纏繞的層繞包在三芯或四芯相線(xiàn)的外面，也可選擇銅絲編織作為屏蔽層。屏蔽層傳輸阻抗：在100MHz范圍以?xún)龋瑐鬏斪杩贡仨毜扔诨蛐∮?00 mΩ/m。
  2.2 PHILSHEATH牌變頻系統用電力電纜這種電纜是由ANIXTER公司和原BICC公司聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的，在變頻系統應用有著(zhù)很多的業(yè)績(jì)。主要原因是這種電纜采用3根相線(xiàn)+3根接地線(xiàn)的對稱(chēng)電纜結構，并在電纜的結構元件中設計了一層縱包焊接波紋鋁護套作為屏蔽層，屏蔽層一是防止電磁干擾；二是具有極低的傳輸阻抗。
   PHILSHEATH牌變頻系統用電力電纜的具體規范是：導體：絞制裸退火銅； 絕緣：XLPE；成纜：采用3根相線(xiàn)+3根接地線(xiàn)的對稱(chēng)電纜結構。鋁護套：采用連續密封縱包焊接的波紋鋁護套，加工完成的鋁護套必須進(jìn)行壓力試驗；外護：黑色的耐光照PVC。
  該電纜在變頻系統中使用具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋁護套提供了一個(gè)均勻一致的電場(chǎng)，該電場(chǎng)能夠在電壓倍增之前增大了電機和傳動(dòng)器之間的允許長(cháng)度；高強度絕緣材料的使用，使得電纜能夠承受由于反射導致的巨大電壓峰值（2-3X）；鋁護套起到一種有效的屏蔽作用，從而減小了相鄰電路間的串擾；鋁護套為一種低阻抗的路徑，可防止產(chǎn)生的高頻噪音擴散到地面的電網(wǎng)； 外護套還起到一個(gè)絕緣的作用，可避免由于多個(gè)接地點(diǎn)導致的接地電流的循環(huán)。
   3 不同電力電纜結構及EMC相關(guān)評價(jià) EMC是電磁兼容的簡(jiǎn)稱(chēng)。IEC對其的定義是"設備或系統在其電磁環(huán)境中能工作正常且對環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力"。EMC已成為產(chǎn)品認證領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，它將成為電氣工程設計和研究人員在設計過(guò)程中必須考慮的主題。
   表1提供了屏蔽和不屏蔽，對稱(chēng)芯線(xiàn)和不對稱(chēng)芯線(xiàn)、平行芯線(xiàn)的各種電力電纜EMC評價(jià)。通過(guò)比較，3+3對稱(chēng)芯線(xiàn)帶屏蔽的結構性能最好，經(jīng)驗也表明，采用對稱(chēng)屏蔽電纜也可以減少傳動(dòng)系統的電磁輻射，以及減小電動(dòng)機的軸電流和由此引起的軸承磨損。表1的意義還在于，當某種原因未能使用屏蔽電纜的時(shí)候，將如何以EMC的角度去選擇其它適用的電纜結構。表1 電力電纜的EMC評價(jià)

 

●產(chǎn)品用途

變頻電纜主要用于變頻電源和變頻電機之間連接用的電纜，以及額定電壓1KV及以下的輸配電線(xiàn)路中，作輸送電能用。

●適用范圍：

適用于干燥或潮濕的室內，無(wú)強應力緩釋或強制引導的自由連續往復運動(dòng)下的安裝，工業(yè)使用環(huán)境下的彎曲場(chǎng)合，如木工機械、機床加工設備、物流輸送系統、起重機場(chǎng)合等，對電磁屏蔽抗干擾好。尤其適用于造紙、冶金、金屬加工、礦山、鐵路和食品加工等行業(yè)。用于水泵、鼓風(fēng)機、輸送機、傳輸線(xiàn)和空調等電力傳輸。

●使用條件

1、額定電壓U0/U：0.6/1KV。　　

2、電纜導體長(cháng)期允許最高溫度為：+90度，短路時(shí)最高溫度+250度。 　　

3、安裝敷設環(huán)境溫度：≥ 0度，固定敷設時(shí)環(huán)境溫度不低于-10度。 　　

4、電纜允許最小彎曲半徑：≥15D(D-電纜外徑)。

●產(chǎn)品性能

1、設計采用符合GB/T3956-1997規定的第5類(lèi)軟絞合銅導體。

2、交聯(lián)聚乙烯絕緣、耐溫耐候性好。

3、低傳輸阻抗，電磁兼容性好。

4、低工作電容。

5、良好的抗干擾和低輻射性能。

6、對稱(chēng)的三芯電纜結構設計，具有比四芯電纜更好的傳輸性能。

7、具有較強的耐電壓沖擊性，能經(jīng)受高速、頻繁變頻時(shí)的脈沖電壓。

8、具有良好的屏蔽性能，可降低變頻器輸出中存在的高次揩波的不良影響。

9、低煙無(wú)鹵阻燃電纜能經(jīng)受GB12666.5規定的成束燃燒試驗且燃燒時(shí)的煙濃度符合GB12666.7（IEC1034）的 規定，燃燒析出氣體水溶液的PH值≥4.3，導電率≤10μs/mm并符合IEC754-2的要求。

10、彎曲壽命比普通安裝線(xiàn)要長(cháng)，但不作為拖鏈電纜使用。

●使用特性：

1、較低的有效電容

2、具有良好的耐火燃燒性能，可用于危險區域

3、低傳輸阻抗。該產(chǎn)品含有屏蔽層，具有較強的抗電磁干擾、抗雷擊及均勻電場(chǎng)，改善供電品質(zhì)特性。傳輸阻抗RX是對屏蔽阻抗感應和電容束合的有效度量，低傳輸阻抗可提供良好的電磁相容性

BPVVP：聚氯乙烯絕緣和護套銅絲編織屏蔽變頻電力電纜

BPVVP2：聚氯乙烯絕緣和護套銅帶繞包屏蔽變頻電力電纜

BPVVPP2：聚氯乙烯絕緣和護套銅絲編織銅帶繞包屏蔽變頻電力電纜

BPVVP3：聚氯乙烯絕緣和護套鋁聚酯復合膜繞包屏蔽變頻電力電纜

BPYJVP：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅絲編織屏蔽變頻電力電纜

BPYJVP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅帶繞包屏蔽變頻電力電纜

BPYJVPP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅絲編織銅帶繞包屏蔽變頻電力電纜

BPYJVP3：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套鋁聚酯復合膜繞包屏蔽變頻電力電纜

BPYJVP：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅絲編織總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJPVP：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅絲編織分屏蔽和總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJPVP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅絲編織分屏蔽銅帶繞包和總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJVP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅帶繞包總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJP2VP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅帶繞包分屏蔽和總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJP2VP：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅帶繞包分屏蔽銅絲編織總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJVP2P：交聯(lián)聚乙烯絕緣銅帶繞包和銅絲編織雙層總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJP3VP：交聯(lián)聚乙烯絕緣鋁(鋁塑)帶(扎紋)縱包分屏蔽銅絲編織總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

BPYJP3VP2：交聯(lián)聚乙烯絕緣鋁(鋁塑)帶(扎紋)縱包分屏蔽銅帶繞包總屏蔽聚氯乙烯護套變頻器電纜

ZR-BPYJVP：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅絲編織屏蔽阻燃變頻器電纜

ZR-BPYJVP1：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅絲纏繞屏蔽阻燃變頻器電纜

ZR-BPYJVP1-2：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套銅絲纏繞銅帶繞包雙重屏蔽阻燃變頻器電纜

 

4電纜的結構形式選擇 4.1電纜的纜芯結構普通電力電纜的纜芯為平行絞合結構，且大都呈非對稱(chēng)形。有文章報導過(guò)，普通結構的電力電纜在一些特殊場(chǎng)所使用會(huì )暴露出許多問(wèn)題。對于變頻系統用電力電纜的纜芯結構一般傾向于圖1(a)所示的三芯電纜和圖1(b)所示的3+3結構電纜，電纜纜芯呈對稱(chēng)形、并均佩有屏蔽層。

 

4.2 電纜的導體

常規變頻系統用電力電纜的導體同普通電力電纜相同，特殊場(chǎng)所有采用軟結構導體的需求（也即R型導體）。

4.3電纜的屏蔽

設有屏蔽層的電纜能夠有效的抑制內、外界的電磁干擾，決定屏蔽層的屏蔽效果好壞常用屏蔽抑制系數來(lái)表示，屏蔽抑制系數為零說(shuō)明電纜的屏蔽效果最佳。

變頻系統用電力電纜常采用的屏蔽方式有：銅絲編織屏蔽，銅帶繞包屏蔽，銅絲纏繞屏蔽，銅絲銅帶組合屏蔽，銅帶縱包屏蔽（分軋紋與不軋紋），鋁帶縱包屏蔽（分軋紋與不軋紋），鋼絲銅絲組合屏蔽。縱包結構的屏蔽效果要比繞包結構的好。此外，也有采用鋁/塑復合帶進(jìn)行繞包或縱包作為屏蔽層，這種屏蔽層應用到變頻系統用電力電纜的結構上是否滿(mǎn)足抗電磁干擾的要求還值得商榷。選用何種屏蔽方式要依據電纜的使用場(chǎng)合而定。屏蔽層的截面一般根據使用要求而定，通常屏蔽層的截面是相線(xiàn)截面的50%，也有要求和相線(xiàn)截面相等。

4.4電纜的絕緣

普通電力電纜用絕緣有PVC、XLPE、ERP、CSM、CR/PCP、NBR等材料，從材料的絕緣性能（體積電阻、介電常數、介質(zhì)損耗、介電強度、工作溫度等）和彎曲性能等方面來(lái)考慮，變頻系統用電力電纜的絕緣使用較多的材料為XLPE和ERP。

4.5電纜的電壓等級

目前變頻系統用電力電纜電壓等級均在6/10kV以下，市場(chǎng)用量較大的電壓等級為0.6/1kV。

4.6電纜的護套

變頻系統用電力電纜的護套材料多為PVC、ERP、無(wú)鹵低煙阻燃聚烯烴。

a）變頻系統用三芯電纜結構示意圖 b）變頻系統用3+3電纜結構示意圖

1-相線(xiàn) 2-包帶 3-屏蔽層 4-外護套 1-相線(xiàn) 2-包帶 3-屏蔽層 4-中性線(xiàn) 5-外護套

圖1 變頻系統用電力電纜結構示意圖

5電纜的接線(xiàn)方式

圖2所示是三種不同結構的變頻系統用電力電纜和電機、變頻器、變壓器之間的接線(xiàn)方式。

圖2a所示是一種三芯電纜，它配有同心銅屏蔽層。在此種情況下相線(xiàn)之間以及相線(xiàn)與屏蔽線(xiàn)的距離都是相等的，同時(shí)屏蔽層還作一根保護導體使用。采用這種結構的電纜和接線(xiàn)方式，應考慮到屏蔽層截面的大小必須要保證電纜能夠安全的運行。

　　圖2b所示是一種3+3對稱(chēng)結構的電纜，電纜具有屏蔽層，此種情況三根對稱(chēng)導體用作電纜的保護接地線(xiàn)。該類(lèi)型電纜的屏蔽層采用銅/鋁縱包加工而成。屏蔽線(xiàn)一端連接到變頻器的保護條上，一端連接到電機的保護端上。

　　圖2c所示是第三種類(lèi)型電纜，它采用鍍鋅鋼絲、低節距絞制鎧裝/屏蔽層。屏蔽線(xiàn)的兩端都連接到保護線(xiàn)上，但也可以另外增加一層具有高導電率的保護導體，以防止絞制銅線(xiàn)的截面不夠。

圖2 典型的電纜連接方式

此外，電纜的屏蔽層應在變頻器的一端用環(huán)型夾360度可靠的接地。如圖3所示。

6結束語(yǔ)

6.1 變頻系統用電力電纜宜采用對稱(chēng)纜芯結構，此外電纜應具有屏蔽層，屏蔽層宜采用屏蔽效果較佳的縱包結構。建議變頻系統用

電力電纜在安裝時(shí)采用整根連接，帶有中間接頭的電纜其電纜抗干擾性能會(huì )有所降低。

6.2 變頻系統用電力電纜對于我國電纜行業(yè)來(lái)說(shuō)是一種新型的電纜產(chǎn)品，應加強這種電纜的性能指標研究，特別是電纜的電磁兼容

性能、屏蔽性能和傳輸阻抗的研究，同時(shí)應盡快制訂行業(yè)標準以期推動(dòng)該電纜的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展應用。并能和電機行業(yè)在電纜的技

術(shù)指標、結構尺寸上形成統一化、標準化。

6.3應盡快研制開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足變頻系統用電力電纜相關(guān)電氣性能（電磁兼容性能、屏蔽性能和傳輸阻抗等）的測試設備，從而滿(mǎn)足電纜質(zhì)

量控制的需要。

6.4應加強變頻系統用電力電纜專(zhuān)用附件的開(kāi)發(fā)。

現代電力電子技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入變頻技術(shù)為主的時(shí)代，現代變頻技術(shù)是集高頻、高壓和大電流于一身的交流電氣傳動(dòng)技術(shù)，變頻器具有高效、節能和智能化的特點(diǎn)，已經(jīng)成為提高能源效率和控制特性、改善機械設備性能的一個(gè)強有力的途徑。變頻系統由變頻器、變頻電機、控制電路組成，變頻調速按變換環(huán)節主要分為“交—直—交”和“交—交”兩種。交流傳動(dòng)與控制技術(shù)已是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。

雖然變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，具有功率因數高、起動(dòng)平穩、調速范圍寬和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于變頻器要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變等非線(xiàn)型電路，故產(chǎn)生高次諧波電流。現代“綠色”變頻器對高次諧波有較好的抑制作用，因而能減少高次諧波的輻射，而它通過(guò)電纜輸出的電力，成了干擾源，對供電系統、負載及其他鄰近電氣設備產(chǎn)生干擾，尤其是在對防干擾要求比較高的高精度儀表、計算機控制系統等諧波干擾問(wèn)題尤為突出。所以設計合適的變頻用電力電纜，才能有效力減少諧波的輻射和污染，減少電機的損耗和發(fā)熱。

 2  電纜輸送高次諧波電力的危害

電纜是輸送電力的載體，電纜輸出的高次諧波是由于變頻器輸出和輸入產(chǎn)生的，研究變頻器諧波特點(diǎn)和危害，才能設計并應用合適的電力電纜。

2.1 變頻器產(chǎn)生高次諧波

變頻器內存在大量非線(xiàn)性電子組件，使變頻器輸出與輸入的電力不是連續的正弦波，因而就產(chǎn)生了大量高次諧波。根據法國數學(xué)家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波可以區分為偶次性與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大,常見(jiàn)奇次諧波為3、5、7、9倍諧波，以5倍諧波危害最為嚴重，如圖1所示。

圖1  電纜中的高次諧波

2.2 變頻電力電纜產(chǎn)生高次諧波的輻射危害

變頻器的輸出電壓和電流波形如圖2所示。在變頻條件下電力電纜是傳輸經(jīng)變頻器電力“加工”的具有高次諧波的電力，高次諧波的輻射危害主要有：

（1）增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過(guò)熱；

（2）引起繼電保護及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統事故，嚴重威脅系統的安全運行；

（3）對通訊系統工作產(chǎn)生干擾，影響通信線(xiàn)路通話(huà)的清晰度，甚至還會(huì )威脅著(zhù)通信設備和人員的安全；

（4）對用電設備的影響很大，電力諧波會(huì )使電視機、計算機的圖形畸變，使計算機及數據處理系統出現錯誤，嚴重時(shí)甚至損害機器；

此外，電力諧波還會(huì )對測量和計量?jì)x器的指示造成不準確及對裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當前電力系統中影響電能質(zhì)量的大公害。

圖2  變頻器的輸出電壓和電流波形

3  電力電纜阻抗振蕩輻射

電纜產(chǎn)生輻射的機理有兩種，一種是電纜中的電流（差模電流）回路產(chǎn)生的差模輻射，另一種是電纜中的導線(xiàn)（包括屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射主要來(lái)自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的，共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地（或鄰近其它大型導體）形成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會(huì )產(chǎn)生較強的輻射，而且頻率越高產(chǎn)生的輻射越強。

逆變器輸出的高頻脈沖在電纜傳輸時(shí)產(chǎn)生反射波電壓，主要是因為輸出電纜和電動(dòng)機的阻抗不匹配引起的。如果傳輸線(xiàn)和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流和最終的穩定狀態(tài)將不同，這就引起在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射將傳回發(fā)射端并再次反射回來(lái)。隨著(zhù)能量的減弱，反射電流的幅度將減小，直到電壓和電流達到穩定，這種效應被稱(chēng)為振蕩。

電力電纜的阻抗包括交流電阻和電抗部分,在高頻運行時(shí),電纜電抗將隨頻率的倍數而增加,而大量高次諧波的產(chǎn)生,電纜的損耗大大增加,使無(wú)功功率增加,功率因數減小。

電纜的電抗(主要是感抗，容抗較小):X=2πfL

電感分內感和外感兩部分，總計為：

 Li=[0.55+2ln()]×10-7H/m

電纜阻抗：Z=R+j2πfL

通常變頻在電力高次諧波的頻率為基波的（3～8）倍，高于工頻，因而由電感產(chǎn)生的阻抗占有比率與普通工頻相比要大得多，足以引起人們對無(wú)功損耗的重視。據悉，變頻電力（主要是6脈沖整流）傳輸中產(chǎn)生的高次諧波的功率約為總功率的30%。這些高次諧波可通過(guò)電纜電容和電感的振蕩特性，向周?chē)h(huán)境進(jìn)行電磁振蕩輻射。

交流電力系統中變頻器產(chǎn)生有害的高次諧波，變頻器就成為連接于該點(diǎn)的諧波源，其諧波電流經(jīng)過(guò)電纜內阻的耦合作用，產(chǎn)生交流電壓的波動(dòng)。當電纜和電機負載電抗不同時(shí)，電力電抗有可能和負載電抗形成諧振，這個(gè)諧振頻率接近于諧波源的某個(gè)諧波頻率時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生很高的諧波電壓。因此，必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定的程度，才不會(huì )對電路中的其他設備造成有害的影響。

電力非線(xiàn)性失真,電力相位不平衡,高次諧波功率較大,電纜阻抗較大,這是電纜產(chǎn)生電磁振蕩輻射的主要原因。

4  電纜的高頻容性效應

由于變頻器輸出端與電機之間的聯(lián)系采用的電纜各相均存在對地電容，所以運行時(shí)線(xiàn)路上的電容電流是不相等的，且線(xiàn)路中又存在高次諧波電流，如果電纜敷設距離較長(cháng)，電容電流離散性就會(huì )更大。在高頻時(shí)，電纜的電容決定電纜的傳輸效率，電容電流占到電纜載流容量的相當一部分，而且能夠達到與導體電流相同的數值，使電纜的傳輸距離減小和無(wú)功損耗增大。

電纜的電容計算：C=nε×10-12(F/m)

電容充電電流：IC=2πfUC

電纜的介質(zhì)損耗：Wd=2πfU2Ctgδ

高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí)，由于電纜絕緣電容承受能力有限，電纜很容易發(fā)生過(guò)負荷導致絕緣損壞；高次諧波引起電纜內耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命。

變頻器與電機之間的連接電纜存在雜散電容，產(chǎn)生容性漏電流，受高次諧波的激勵而產(chǎn)生衰減振蕩，造成傳送到電機輸入端的驅動(dòng)電壓產(chǎn)生過(guò)沖現象，同時(shí)電機繞組也存在雜散電容，過(guò)沖電壓在繞組中產(chǎn)生尖峰電流，使其在繞組絕緣層不均勻處引起過(guò)熱，甚至破壞絕緣層而導致電機損壞，還會(huì )增加電源的功率損耗。電線(xiàn)電纜減小電容，才能夠減少絕緣損耗和容性過(guò)電流。

低電容要求電纜絕緣材料應選用低介質(zhì)常數的材料，從電纜結構上采用降低電容的設計，在使用時(shí)應盡量減小電纜的使用長(cháng)度，才能使電纜電容降到較小的程度。

5  電纜的電磁兼容（EMC）

國際電工委員會(huì )（IEC）對EMC的定義是：指在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存。研究電磁兼容的目的是為了保證電器組件或裝置在電磁環(huán)境中能夠具有正常工作的能力。變頻電力電纜的電磁兼容主要考慮的是電纜電磁場(chǎng)不會(huì )對外界產(chǎn)生干擾。

從電纜方面講，屏蔽是實(shí)現電磁兼容，減少電磁輻射最好的方式。

屏蔽主要運用各種導電、導磁材料，制造成各種金屬保護體并與大地連接，以切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線(xiàn)系統分隔開(kāi)來(lái)，切斷通過(guò)阻抗進(jìn)行耦合的可能。

根據“集膚效應”，屏蔽電纜的靜電電流（高頻）將趨于在屏蔽層的表面流動(dòng)，屏蔽層的表面積較大，能減少“集膚效應”阻抗。為了使屏蔽層起到更好的效果，屏蔽層的接地方式通常要采取兩端接地，使得高頻共模電流通過(guò)大地形成了環(huán)路，這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)，減弱電纜內電磁振蕩輻射；如果屏蔽不接地，屏蔽上將產(chǎn)生大量共模電壓，將成為電纜的輻射源，同樣具有較大的輻射危害性。

電磁兼容效果的好壞與電纜理想屏蔽抑制系數有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，電纜至少需要屏蔽90%的電磁輻射，這就要求電纜屏蔽層具有較大的屏蔽覆蓋面積，較小的屏蔽阻抗，較短的接地線(xiàn)路，才能做到電磁兼容，抑制輻射，保護電磁環(huán)境。

 6  變頻系統電力電纜結構設計和主要性能要求

根據以上阻抗、電容、屏蔽和對稱(chēng)性絕緣多線(xiàn)芯結構的方法，因而電線(xiàn)電纜結構設計如下：

（1）導體結構要求

由于“集膚效應”的影響，因而設計變頻電纜時(shí)因適當增加導體表面積，以減小阻抗。2類(lèi)導體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類(lèi)軟導體，以增加表面積，減少電抗。

（2）絕緣材料選用

采用介質(zhì)常數較小和耐電暈強度較高的材料，如PE、EPRM、XLPE材料，以減小電容和共模電壓對電纜絕緣性能的影響，理想材料為XLPE。

（3）絞纜結構

以圓形電纜代替扇形等異形結構，增加導體距離，可減少電抗。同時(shí)高切換頻率的脈沖電流要求電機電纜采用中性線(xiàn)均勻分開(kāi)，為每相進(jìn)行電力回歸的方式，減少電抗的輻射；電纜常用的結構方法為三加三分中性線(xiàn)的方法，并將中性線(xiàn)圍以每相之間。

（4）電纜的屏蔽

屏蔽主要采用電屏蔽方式，以銅和鋁等高導電性材料為主，可采用不同加工方式，而且根據電纜不同需求確定，但要采用增加屏蔽的表面積和降低屏蔽阻抗相結合的結構方法最為有效。電纜脈沖屏蔽抑制系數應不大于0.05。如采用電磁屏蔽方式，屏蔽效果可能會(huì )更好。

江蘇亨通電力電纜有限公司屏蔽結構設計為銅絲纏繞加銅帶屏蔽的方式,屏蔽表面積覆蓋率達100%,同時(shí)銅絲纏繞以超過(guò)銅帶截面導通屏蔽帶,使屏蔽阻抗減到最小。

江蘇亨通電力電纜有限公司根據以上設計開(kāi)發(fā)的變頻電機用電力電纜結構見(jiàn)圖3所示。

圖3  變頻系統用電力電纜結構圖

1.主導體  2.中性導體  3.XLPE絕緣  4.成纜包帶  5.內護套    6.銅絲屏蔽  7.銅帶屏蔽

8.隔離套  9.鎧裝  10.外護套

根據國外先進(jìn)公司產(chǎn)品結構方式，結合本產(chǎn)品結構設計特點(diǎn)，我公司設計開(kāi)發(fā)了如圖3所示的產(chǎn)品結構。

以BPYJVRP1P20.6/1kV3×70+3×10為例，產(chǎn)品主要性能參數見(jiàn)附表。

對于中壓大功率變頻系統用電力電纜，電纜采取適當屏蔽方式，可有效減少高次諧波輻射。在變頻系統用電力電纜的生產(chǎn)和使用擴大的情況下，建議編制相關(guān)行業(yè)規范或標準，研究特性，更好指導并規范市場(chǎng)。

7  結束語(yǔ)

變頻作為電力電子技術(shù)的新發(fā)展給電力環(huán)境提供了優(yōu)秀供電方式，但隨之而來(lái)的電磁輻射問(wèn)題也要有所警覺(jué)，除了變頻器系統采用合適的拓樸方法外，作為電纜，雖然輻射比變頻器要小，但在有些場(chǎng)合，電纜電磁輻射也全成為主要的輻射源，因為變頻器、電機都會(huì )采用一定處理方式，如變頻器采用濾波器，電機采用一定的電力補償的方式進(jìn)行解決。

                        因而研究變頻用電力電纜，減少高次諧波的發(fā)生，減少電磁輻射，變頻調速系統環(huán)境的電磁輻射應引進(jìn)重視，采用主動(dòng)防治和被動(dòng)防治相結合的方法，創(chuàng )造“綠色”環(huán)保的電磁環(huán)境。

變頻電纜，顧名思義為變頻器專(zhuān)用電纜。是用來(lái)傳輸電能的，有著(zhù)較高的電壓等級。這就要求我們在設計變頻電纜的結構時(shí)不單單要考慮外界環(huán)境對變頻電纜的影響，由于其多數都敷設于室內，我們還要著(zhù)重的考慮變頻電纜對外界環(huán)境的影響。于是對于變頻電纜的結構也就有了特殊的要求。雖然目前國內各大企業(yè)對變頻電纜的結構說(shuō)法不一，都相應的制定了自己的企業(yè)標準，但都比較傾向于對稱(chēng)3+3的結構。相信在不久的將來(lái)就會(huì )得到統一。在此，筆者收集并總結了部分關(guān)于變頻電纜對稱(chēng)3+3結構的資料，希望能對變頻電纜的發(fā)展盡一份綿薄之力。

    變頻電纜目前選用了交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料，實(shí)際工作中承受的頻率變化范圍為30~300HZ，變頻電纜有著(zhù)抵抗高次諧波、減小與外界環(huán)境相互干擾等優(yōu)點(diǎn)，主要敷設的地點(diǎn)為室內，這使得變頻電纜的運行與周?chē)墓╇娀蛴秒娫O備有了非常密切的關(guān)系，于是就需要有一種特殊的結構來(lái)解決這種復雜的相互關(guān)系。因此便產(chǎn)生了對稱(chēng)3+3的結構。下面將對其作具體的說(shuō)明。

2 外部環(huán)境對變頻電纜的影響及解決辦法

    外部環(huán)境對變頻電纜的影響主要是變頻器產(chǎn)生的高次諧波的影響。對于交—直—交型的變頻器，由于采用了開(kāi)關(guān)的切換技術(shù)，使其輸出的不再是正弦波，而是可分解為正弦基波和高次諧波的階梯波。

以普通的3+1型電力電纜為例，完整的三項供電系統，當三項電流平衡時(shí)，其中性線(xiàn)芯的電流為零；當高次諧波產(chǎn)生時(shí)，經(jīng)過(guò)電纜的多次反射，便會(huì )出現對此的波峰與波峰或波谷與波谷相疊加的機會(huì )，電纜越長(cháng)疊加機會(huì )越多表現得也就越明顯。加之電纜這個(gè)大的電容本身對高次諧波就有著(zhù)放大的作用，對于3+1型電纜，高次諧波產(chǎn)生的電流分量在中性線(xiàn)芯內無(wú)相位差，這樣一來(lái)電流將會(huì )疊加成原分量的數倍，中性線(xiàn)芯在高頻脈沖下很快就會(huì )被擊穿。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們將3+1型的電纜中的1芯分成了三份，以對稱(chēng)的方式做成3+3結構，結構圖如下

 

表1 電力電纜的EMC評價(jià)

這樣，三個(gè)中性線(xiàn)芯的相位一次滯后120°，形成了一個(gè)對稱(chēng)平衡的狀態(tài)，使得電流不會(huì )型疊加，有效的減小了高次諧波對變頻電纜的危害。此為變頻電纜選擇對稱(chēng)3+3結構的理由之一。

3 變頻電纜對外界的干擾和解決辦法

變頻電纜主要是用來(lái)連接電源與變頻器、變頻器與用電設備的電纜。其敷設的空間相對較小，而電壓等級有相對比較高（最高可達8.7/15kv），在其運行過(guò)程中，會(huì )產(chǎn)生大量的電磁波，對周?chē)墓╇姾陀秒娤到y都會(huì )產(chǎn)生強烈的干擾。這就要求變頻電纜要有更好的屏蔽措施。所以對電壓等級為3.6/6kv及以上的變頻電纜都要求有分相屏蔽和統包屏蔽。采用多層屏蔽可以達到非常好的效果。然而，若是屏蔽內的回路出現了偏心，電磁屏蔽的效果勢必要下降，這時(shí)屏蔽中產(chǎn)生的渦流損耗就會(huì )有所增加。

對于偏心的電纜，設屏蔽衰減值為Ap

則有 Ap=As+㏑∣1/Sp∣

式中  As 為纜芯位于屏蔽中心時(shí)的衰減值

      Sp 為偏心系數

分析：在偏心的電纜中，Sp是用遠大于1 的，于是 ㏑∣1/Sp∣就成了一個(gè)負值，這樣，我們就得到了一個(gè)結論：Ap﹤ As

即：電纜在偏心的情況下金屬屏蔽的效果有所下降。

偏心是絕對的，也就是說(shuō)Ap永遠都小于A(yíng)s，問(wèn)題在于我們要設法使Ap﹣As的值達到最小，以此來(lái)增強金屬屏蔽的效果，從而減少變頻電纜對外界的干擾。那么，如何才能最大限度的減少偏心呢？

唯有對稱(chēng)。3+3結構的變頻電纜是對稱(chēng)的。這種對稱(chēng)的結構加上相應的金屬屏蔽，可以使電纜的屏蔽系數降低到0.7，甚至更小。這就有效的屏蔽了電磁波的外泄，使金屬屏蔽得以更好的發(fā)揮作用。此為變頻電纜選擇對稱(chēng)3+3結構的理由之二。

4 變頻電纜設計為對稱(chēng)3+3結構的其它理由

a) 對稱(chēng)3+3結構的變頻電纜纜芯是互換的，這樣便有了更好的電磁兼容性，對抑制干擾起到一定的作用，并且能低效高次諧波中的奇次諧波，提高了電纜的抗干擾性。

b) 采用對稱(chēng)3+3結構的變頻電纜可以有效的防止高頻軸電流的產(chǎn)生。

5 實(shí)際應用問(wèn)題

    電纜的結構設計的好壞與實(shí)際的操作和應用的合理與否有著(zhù)密切聯(lián)系，這兩者相輔相成。我們所設計的變頻電纜為3+3對稱(chēng)結構，而電纜真正起作用是在敷設以后。也就是說(shuō)，敷設以后是否為對稱(chēng)結構，這才是變頻電纜應用的關(guān)鍵。其影響因素具體有以下兩點(diǎn)：

a) 生產(chǎn)中。尤其是在成纜這一環(huán)節最為關(guān)鍵。成纜后的結構是否對稱(chēng)直接影響到敷設后的運行。這要求技術(shù)人員的合理設計和操作人員成熟的技術(shù)水平，以及生產(chǎn)設備的性能穩定。這幾項是缺一不可的，也是變頻電纜3+3對稱(chēng)結構是否能成功運用的必要條件。

b) 敷設。這一點(diǎn)是我們要著(zhù)重考慮的。變頻電纜多數敷設在室內，不需要鎧裝，敷設的空間也不是很大。空間小必然會(huì )造成多彎曲，于是對稱(chēng)的電纜會(huì )因為多次的彎曲而導致不對稱(chēng)。前面我們已經(jīng)討論了對稱(chēng)結構對于變頻電纜的重要性，那這個(gè)問(wèn)題就很?chē)乐亓恕Ｈ绾蔚亟鉀Q呢？據實(shí)際的電纜工程資料顯示，如此敷設的變頻電纜的電壓等級幾乎都在1.8/3kv以下，而這個(gè)電壓等級的變頻電纜是不需要分相屏蔽的，這樣的話(huà)我們可以采用工業(yè)用膠在其成纜時(shí)將線(xiàn)芯粘住，以固定其結構。據了解，已經(jīng)有很對稱(chēng)型的通信電纜用這種方法來(lái)解決類(lèi)似的問(wèn)題。

6 結論

變頻電纜采用對稱(chēng)3+3的結構可以有效的降低與外界的相互干擾，在實(shí)際的應用中更有價(jià)值，更有競爭力。我公司已經(jīng)運用此結構生產(chǎn)變頻電纜數年，并得到了廣大用戶(hù)的一致好評。在國內看來(lái)，雖然技術(shù)還不是很成熟，一些問(wèn)題還有待于解決，（例如，現如今的3+3型變頻電纜的3個(gè)小芯的截面積有些過(guò)小）但這已經(jīng)阻擋不了其發(fā)展的潮流，相信在不久的將來(lái)都會(huì )解決。3+3型對稱(chēng)變頻電纜也將會(huì )以低干擾、抗高次諧波的優(yōu)點(diǎn)受到更多用戶(hù)的歡迎。

    

 

 

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