變頻電纜知識

1、變頻電纜知識近二十年來變頻調(diào)速電機(jī)在國內(nèi)外有很大的發(fā)展，年增長率略超過 10% ， 而直流傳動年增長率為 3-4% 。變頻電機(jī)具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如設(shè)備投資費(fèi)用少， 結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，節(jié)能，調(diào)速范圍大，具有恒功率、恒轉(zhuǎn)速的特性， 使用方便，容量大等等。因此當(dāng)前在冶金、礦山、鐵路等工業(yè)方面廣泛地使用， 最近在家用電器同樣也大量應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)關(guān)系到變頻電機(jī)、 變頻電源和連接電纜， 這段電纜長度并不很 長，截面也不很大，絕緣性能屬于電力電纜范疇，因?yàn)閷?shí)際的工作頻率為30300 Hz ，常簡稱為變頻電纜，當(dāng)前常選用交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料。大概三十年前， 電纜研究所開發(fā)和生產(chǎn)過中頻電纜， 這也可稱

2、得上是目前變 頻電纜的前身，其工作頻率為 100400 Hz ，提供電源的設(shè)備是由直流電機(jī)驅(qū) 動的中頻發(fā)電機(jī)組， 改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出頻率， 中頻電壓的波 形能維持形狀規(guī)則的正弦波，當(dāng)時電纜的設(shè)計思路是降低線路阻抗和集膚效應(yīng)， 采取同軸電纜和擴(kuò)大內(nèi)導(dǎo)體直徑，電纜在冶金工業(yè)上應(yīng)用效果十分良好。目前的變頻電源是通過可控硅元件調(diào)頻， 較大程度上改變了波形特性， 從而 對電機(jī)和電纜帶來了新問題。一、變頻電纜的工作特點(diǎn)1. 脈沖電壓對絕緣的影響 變頻電源的頻率調(diào)節(jié)范圍較寬，不論頻率高低， 具有一個主頻率的波形輪廓， 它包含了許多高次諧波， 作為一種行波經(jīng)多次反射， 幅值疊加可達(dá)到工作電壓數(shù)

3、倍， 電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高， 可能被擊穿。石油開采用 3000多米長的潛油泵電纜， 在工頻下能長期正常運(yùn)行， 可是在變頻條件下， 電纜才投入運(yùn)行數(shù)小時即發(fā)生擊穿， 說明脈沖過電壓的危害 性，所以預(yù)防是必要的。 由于交聯(lián)絕緣電力電纜的耐壓水平較高， 電纜長度一般 在 300 米以內(nèi)， 多年來的運(yùn)行未發(fā)生擊穿事件， 盡管如此， 絕緣厚度及工藝應(yīng)加 以重視，實(shí)心絕緣是可靠的，繞包絕緣是不適合的。2. 電纜本體對外發(fā)射電磁波 一般變頻家用電器為單相供電，長度很短，功 率也較小， 設(shè)計時已將變頻電源、 連接電纜和變頻電機(jī)一并設(shè)置在金屬殼內(nèi)， 抑 制了電磁波對外發(fā)射。 但是在工業(yè)領(lǐng)域

4、內(nèi)， 電機(jī)功率較大， 連接變頻電機(jī)和變頻 電源之間的電纜長度長， 在工作時電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體， 對 于周圍鄰近地區(qū)的通信工具（如無繩電話）或調(diào)幅接受器（如收音機(jī)調(diào)幅波段） 將產(chǎn)生干擾， 有時情況也比較嚴(yán)重， 稱之為電磁波的環(huán)境污染， 國外早已對這種 電纜提出要求， 國內(nèi)也很重視， 目前各電纜廠制訂了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 今后將會統(tǒng)一制 訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。3. 中性線電流的疊加 完整的三相正弦供電系統(tǒng)，當(dāng)三相電流平衡時，其中 性線的電流為零， 若出現(xiàn)三次諧波， 則三次諧波的電流分量在中性線內(nèi)不存在相 位差，所以直接疊加成分量得三倍。 若變頻原供電對象是三個單相變頻電機(jī)， 而 且處于三相功率分布

5、平衡狀態(tài)， 則中性線電流更大， 中性線截面應(yīng)不小于相截面。二、變頻電纜的結(jié)構(gòu)及附加試驗(yàn)討論 了解變頻電纜工作特點(diǎn)之后，就不難 從電纜結(jié)構(gòu)改進(jìn)來解決上述三個問題。1. 絕緣的電氣擊穿問題 變頻電機(jī)大量應(yīng)用后，大多數(shù)情況選用一般電力電 纜，如聚氯乙烯絕緣、 護(hù)套電纜或交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜， 由于電纜 本身耐壓水平較高， 很少發(fā)生電纜本體擊穿。 這與上述深井油泵電纜擊穿事故顯 然不同，深井油泵電纜采用聚酰亞胺 / 聚全氟乙丙烯復(fù)合薄膜繞包燒結(jié)和乙丙橡 膠雙層絕緣， 從厚度和絕緣密實(shí)來看并不理想， 油泵電纜長度超過 3 千米，油井 的工作環(huán)境嚴(yán)酷，電纜處在高溫、高壓、含油和含水的條件中工作，

6、其絕緣性能 比較脆弱， 當(dāng)運(yùn)行過程中受到多種惡劣因素的侵蝕后發(fā)生電、 熱因子交錯作用而 導(dǎo)致絕緣擊穿。 為何電纜在工頻下能長期運(yùn)行而變頻下幾小時內(nèi)擊穿 ? 這決不是 老化問題， 基本上可歸結(jié)于高頻脈沖電壓的影響。 一般陸用情況下， 采用聚氯乙 烯絕緣并不理想，因?yàn)槠浣橘|(zhì)損耗偏大。交聯(lián)聚乙烯絕緣較為滿意，它兼有機(jī)、 電、熱等優(yōu)良性能。電纜絕緣厚度可采用 1kV 電壓等級的規(guī)定，若適當(dāng)加厚， 當(dāng)然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。2. 高頻電磁波對環(huán)境污染問題 雖然目前沒有國家規(guī)范規(guī)定電纜發(fā)射電磁波 造成環(huán)境污染的考核指標(biāo)， 但抑制對外高頻干擾是必須做到的。 對于四芯低壓電 纜，首先是改善絕緣線芯的

7、排列，假如電纜的四個芯直接成纜，是不對稱結(jié)構(gòu)， 如果將第四芯分解為三個截面較小的絕緣芯，把三大三小線芯對稱成纜, 二種情況相比較， 對稱型比較有利。 第二應(yīng)認(rèn)為更重要的是加強(qiáng)總屏蔽結(jié)構(gòu)。 制造者習(xí) 慣采用銅線編織屏蔽，實(shí)際上這并不是好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽 效應(yīng)不是最理想。 采用銅帶搭蓋縱包并軋紋是較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和工藝， 形成了全 封閉金屬層，只要厚度適當(dāng)， 可達(dá)到有效的屏蔽功能。 而這種工藝及其所用的材 料在光纜領(lǐng)域中已十分普遍，銅帶厚度不能太薄，以保證抑制電磁波對外發(fā)射。3. 屏蔽層接地措施 屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)射的必要條件，銅 線編織屏蔽的接地方式較容易解決， 而

8、縱包銅帶軋紋屏蔽需用專用夾具接地， 夾 具與軋紋銅管的接觸面應(yīng)當(dāng)吻合，接地線由夾具尾端引出。4. 外護(hù)套 這種電纜大多數(shù)敷設(shè)在室內(nèi)，一般不需鎧裝，雖然不完全排除用 聚氯乙烯護(hù)套，但選用高密度聚乙烯更為合適。5. 電纜的附加試驗(yàn)一般低壓電纜不需要進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)，如IEC 60502標(biāo)準(zhǔn)僅對 3.6/6 kV 及以上的電纜才規(guī)定進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)。 變頻電機(jī)的連接電纜 情況略有不同，需要承受高頻脈沖電壓。高頻波振幅可達(dá)12001900 V，振鈴頻率約1002000 kHz，對電纜進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)（型式試驗(yàn)）是體現(xiàn)電纜絕 緣水平。試驗(yàn)可參考 IEC 60502 標(biāo)準(zhǔn)，即施加正負(fù)各十次脈沖電壓試驗(yàn)，試

9、驗(yàn) 電壓可考慮 40 kV ，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證，是否必要工廠也可自行決定。三、3.6/6 6/10 kV 中壓變頻電纜的發(fā)展由于機(jī)械裝備大型化，需要電 機(jī)容量也配套擴(kuò)大， 相應(yīng)變頻電源的輸出電流也要求增大， 但受到大電流變頻元 件的限制， 進(jìn)一步提高電流容量技術(shù)發(fā)展受到限制。 但另一方面提高變頻電源輸 出電壓相對比較容易，提高電壓后 , 中壓變頻電機(jī)功率可大幅度增加，此時電纜 的電壓等級也必須跟上。目前 3.6/6 6/10 kV 中壓變頻電纜已有投入使用， 從絕緣結(jié)構(gòu)和電氣、機(jī)械、物理性能上說，可以與電力電纜等同，交聯(lián)聚乙烯顯 然是首選絕緣材料，如果在敷設(shè)時要求柔軟， 采用乙丙橡膠絕緣也有一定的優(yōu)點(diǎn)。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發(fā)射能力明顯增強(qiáng)，所以屏蔽結(jié)構(gòu)要求更完 善。在變頻電纜工作條件下，同軸電纜是一種合適的結(jié)構(gòu)，所以變頻電纜的三個 主線芯采用同軸結(jié)構(gòu)，總屏蔽的結(jié)構(gòu)與低壓變頻電纜