變頻系統(tǒng)電力電纜諧波振蕩輻射及抑制

1、變頻系統(tǒng)電力電纜諧波振蕩輻射及抑制Harmonic Surge Radiation and Avoid of Frequency System Electric Power Cable本文來自2007年第4期“EMC抗干擾技術(shù)”作 者 ：江蘇亨通電力電纜有限公司  吉啟榮摘 要 ：本文就變頻系統(tǒng)輸出電能的特點(diǎn)，分析高次諧波產(chǎn)生的原因和危害及其并在電力電纜傳輸過程中產(chǎn)生振蕩輻射的原因和解決方法。最后提出電力電纜的技術(shù)要求和電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以減少電纜振蕩輻射諧波對環(huán)境的電磁污染。英

2、文摘 要 ：This paper talks about high frequency export characteristic of inverter system, analyzing the produce reason and disadvantage of high harmonic surge radiation, and reason and

3、 solving way with producing harmonic surge radiation in power cable. At last we bring forward criterion of power cable and designing fit construction, reduce the EMI 

4、;radiation pollution of the high frequency harmonic.關(guān)鍵詞： 變頻系統(tǒng)     阻抗     高次諧波     1  引言    現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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

5、善機(jī)械設(shè)備性能的一個(gè)強(qiáng)有力的途徑。變頻系統(tǒng)由變頻器、變頻電機(jī)、控制電路組成，變頻調(diào)速按變換環(huán)節(jié)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)中具有無可比擬的優(yōu)越性，具有功率因數(shù)高、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)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型電路，故產(chǎn)生高次諧波電流?，F(xiàn)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，而它通過電纜輸出的電力，成了干擾源，對供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)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(jì)算機(jī)

6、控制系統(tǒng)等諧波干擾問題尤為突出。所以設(shè)計(jì)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(jī)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(shè)計(jì)并應(yīng)用合適的電力電纜。2.1 變頻器產(chǎn)生高次諧波    變頻器內(nèi)存在大量非線性電子組件，使變頻器輸出與輸入的電力不是連續(xù)的正弦波，因而就產(chǎn)生了大量高次諧波。根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的

7、諧波的正弦波分量。諧波可以區(qū)分為偶次性與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(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,常見奇次諧波為3、5、7、9倍諧波，以5倍諧波危害最為嚴(yán)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(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱； 

8、    （2） 引起繼電保護(hù)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(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行；    （3） 對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾，影響通信線路通話的清晰度，甚至還會(huì)威脅著通信設(shè)備和人員的安全；    （4） 對用電設(shè)備的影響很大，電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)甚至損害機(jī)器；    此外，電力諧波還會(huì)對測量和計(jì)量儀器的指示造成不準(zhǔn)確及對裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前

9、電力系統(tǒng)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(jī)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(dǎo)線（包括屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射主要來自共模輻射。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(dǎo)體）形成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，而且頻率越高產(chǎn)生的輻射越強(qiáng)。    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?yàn)檩敵鲭娎|和電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配引起的。

10、如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流和最終的穩(wěn)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。隨著能量的減弱，反射電流的幅度將減小，直到電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定，這種效應(yīng)被稱為振蕩。    電力電纜的阻抗包括交流電阻和電抗部分,在高頻運(yùn)行時(shí),電纜電抗將隨頻率的倍數(shù)而增加,而大量高次諧波的產(chǎn)生,電纜的損耗大大增加,使無功功率增加,功率因數(shù)減小。    電纜的電抗(主要是感抗，容抗較小):X=2fL    電感分內(nèi)感和外感兩部分，總計(jì)為：    L

11、i=0.55+2ln()×10-7H/m    電纜阻抗：Z=R+j2fL    通常變頻在電力高次諧波的頻率為基波的（38）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，足以引起人們對無功損耗的重視。據(jù)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電纜電容和電感的振蕩特性，向周圍環(huán)境進(jìn)行電磁振蕩輻射。    交流電力系統(tǒng)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)過電纜內(nèi)阻的耦合作用，產(chǎn)生交流電壓

12、的波動(dòng)。當(dāng)電纜和電機(jī)負(fù)載電抗不同時(shí)，電力電抗有可能和負(fù)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(shè)備造成有害的影響。    電力非線性失真,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(yīng)    由于變頻器輸出端與電機(jī)之間的聯(lián)系采用的電纜各相均存在對地電容，所以運(yùn)行時(shí)線路上的電容電流是不相等的，且線路中又存在高次諧波電流，如果電纜敷設(shè)距離較長，電容電流離散

13、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(dāng)一部分，而且能夠達(dá)到與導(dǎo)體電流相同的數(shù)值，使電纜的傳輸距離減小和無功損耗增大。    電纜的電容計(jì)算：C=n×10-12(F/m)    電容充電電流：IC=2fUC    電纜的介質(zhì)損耗：Wd=2fU2Ctg    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)生過負(fù)荷導(dǎo)致絕緣損壞；高次諧波引起電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命。 

14、0;  變頻器與電機(jī)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(lì)而產(chǎn)生衰減振蕩，造成傳送到電機(jī)輸入端的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，同時(shí)電機(jī)繞組也存在雜散電容，過沖電壓在繞組中產(chǎn)生尖峰電流，使其在繞組絕緣層不均勻處引起過熱，甚至破壞絕緣層而導(dǎo)致電機(jī)損壞，還會(huì)增加電源的功率損耗。電線電纜減小電容，才能夠減少絕緣損耗和容性過電流。    低電容要求電纜絕緣材料應(yīng)選用低介質(zhì)常數(shù)的材料，從電纜結(jié)構(gòu)上采用降低電容的設(shè)計(jì)，在使用時(shí)應(yīng)盡量減小電纜的使用長度，才能使電纜電容降到較小的程度。5  電纜的電磁兼容（EMC）   

15、; 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不會(huì)對外界產(chǎn)生干擾。    從電纜方面講，屏蔽是實(shí)現(xiàn)電磁兼容，減少電磁輻射最好的方式。    屏蔽主要運(yùn)用各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料，制造成各種金屬保護(hù)體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場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系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。 

16、60;  根據(jù)“集膚效應(yīng)”，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(yīng)”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大地形成了環(huán)路，這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場相反的磁場，減弱電纜內(nèi)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(shù)有關(guān)，一般來說，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，較短的接地線路，才能做到電磁兼

17、容，抑制輻射，保護(hù)電磁環(huán)境。6  變頻系統(tǒng)電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要性能要求    根據(jù)以上阻抗、電容、屏蔽和對稱性絕緣多線芯結(jié)構(gòu)的方法，因而電線電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：    （1）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)要求    由于“集膚效應(yīng)”的影響，因而設(shè)計(jì)變頻電纜時(shí)因適當(dāng)增加導(dǎo)體表面積，以減小阻抗。2類導(dǎo)體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類軟導(dǎo)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(shù)較小和耐電暈強(qiáng)度較高的材料，如PE、EPRM

18、、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(jié)構(gòu)    以圓形電纜代替扇形等異形結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)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(jī)電纜采用中性線均勻分開，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(jié)構(gòu)方法為三加三分中性線的方法，并將中性線圍以每相之間。    （4）電纜的屏蔽    屏蔽主要采用電屏蔽方式，以銅和鋁等高導(dǎo)電性材料為主，可采用不同加工方式，而且根據(jù)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(jié)合的結(jié)構(gòu)方法最為有效。電纜脈沖屏蔽抑制系數(shù)應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為銅絲纏繞加銅帶屏蔽的方式,屏蔽表面積覆蓋率達(dá)100%,同時(shí)銅絲纏繞以超過銅帶截面導(dǎo)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(jù)以上設(shè)計(jì)開發(fā)的變頻電機(jī)用電力電纜結(jié)構(gòu)見圖3所示。圖3  變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)圖1.主導(dǎo)體  2.中性導(dǎo)體  3.XL