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

雖然變頻技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，但對(duì)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(jī)和變頻器之間電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)、相關(guān)性能要求以及電纜的接線方式等方面作一介紹。供相關(guān)電纜制造和電氣設(shè)計(jì)技術(shù)人員作參考。
   2國(guó)外典型變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)介紹
   2.1ABB公司認(rèn)可的電纜結(jié)構(gòu)及相關(guān)要求
   2.1.1主電電纜為滿足工業(yè)環(huán)境的一般電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，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(guī)則是，屏蔽層越緊密電磁輻射的水平就越低�？梢曰�于屏蔽層的結(jié)構(gòu)或傳輸阻抗來(lái)評(píng)價(jià)它的有效性：屏蔽結(jié)構(gòu)：電纜的屏蔽層采用銅絲纏繞在三芯或四芯相線的外面，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范圍以內(nèi)，傳輸阻抗必須等于或小于1Ω/m。
   2.1.2電機(jī)電纜電機(jī)電纜屏蔽必須滿足上述主電電纜屏蔽的最低要求。屏蔽結(jié)構(gòu)：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范圍以內(nèi)，傳輸阻抗必須等于或小于100 mΩ/m。
  2.2 PHILSHEATH牌變頻系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用有著很多的業(yè)績(jī)。主要原因是這種電纜采用3根相線+3根接地線的對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)，并在電纜的結(jié)構(gòu)元件中設(shè)計(jì)了一層縱包焊接波紋鋁護(hù)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(tǒng)用電力電纜的具體規(guī)范是：導(dǎo)體：絞制裸退火銅； 絕緣：XLPE；成纜：采用3根相線+3根接地線的對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)。鋁護(hù)套：采用連續(xù)密封縱包焊接的波紋鋁護(hù)套，加工完成的鋁護(hù)套必須進(jìn)行壓力試驗(yàn)；外護(hù)：黑色的耐光照PVC。
  該電纜在變頻系統(tǒng)中使用具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋁護(hù)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(jī)和傳動(dòng)器之間的允許長(zhǎng)度；高強(qiáng)度絕緣材料的使用，使得電纜能夠承受由于反射導(dǎo)致的巨大電壓峰值（2-3X）；鋁護(hù)套起到一種有效的屏蔽作用，從而減小了相鄰電路間的串?dāng)_；鋁護(hù)套為一種低阻抗的路徑，可防止產(chǎn)生的高頻噪音擴(kuò)散到地面的電網(wǎng)； 外護(hù)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(dǎo)致的接地電流的循環(huán)。
   3 不同電力電纜結(jié)構(gòu)及EMC相關(guān)評(píng)價(jià) EMC是電磁兼容的簡(jiǎn)稱。IEC對(duì)其的定義是"設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作正常且對(duì)環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力"。EMC已成為產(chǎn)品認(rèn)證領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，它將成為電氣工程設(shè)計(jì)和研究人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的主題。
   表1提供了屏蔽和不屏蔽，對(duì)稱芯線和不對(duì)稱芯線、平行芯線的各種電力電纜EMC評(píng)價(jià)。通過(guò)比較，3+3對(duì)稱芯線帶屏蔽的結(jié)構(gòu)性能最好，經(jīng)驗(yàn)也表明，采用對(duì)稱屏蔽電纜也可以減少傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁輻射，以及減小電動(dòng)機(jī)的軸電流和由此引起的軸承磨損。表1的意義還在于，當(dāng)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(jié)構(gòu)。表1 電力電纜的EMC評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)		屏蔽層	EMC評(píng)價(jià)
	對(duì)稱 3+3	細(xì)銅絲編織屏蔽層	性能最優(yōu)
	對(duì)稱 3芯	細(xì)銅絲編織屏蔽層	好
	非對(duì)稱 4芯	細(xì)銅絲編織屏蔽層	好
	對(duì)稱 3+3	—	尚好
	非對(duì)稱 4芯	—	中等
	非對(duì)稱平行芯線或扁電纜	銅編織屏蔽層	中等
	非對(duì)稱平行芯線或扁電纜	—	差

●產(chǎn)品用途

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

●適用范圍：

適用于干燥或潮濕的室內(nèi)，無(wú)強(qiáng)應(yīng)力緩釋或強(qiáng)制引導(dǎo)的自由連續(xù)往復(fù)運(yùn)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(jī)械、機(jī)床加工設(shè)備、物流輸送系統(tǒng)、起重機(jī)場(chǎng)合等，對(duì)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(jī)、輸送機(jī)、傳輸線和空調(diào)等電力傳輸。

●使用條件

1、額定電壓U0/U：0.6/1KV。

2、電纜導(dǎo)體長(zhǎng)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(shè)環(huán)境溫度：≥ 0度，固定敷設(shè)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(shè)計(jì)采用符合GB/T3956-1997規(guī)定的第5類(lèi)軟絞合銅導(dǎo)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(duì)稱的三芯電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有比四芯電纜更好的傳輸性能。

7、具有較強(qiáng)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(guī)定的成束燃燒試驗(yàn)且燃燒時(shí)的煙濃度符合GB12666.7（IEC1034）的 規(guī)定，燃燒析出氣體水溶液的PH值≥4.3，導(dǎo)電率≤10μs/mm并符合IEC754-2的要求。

10、彎曲壽命比普通安裝線要長(zhǎng)，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(xiǎn)區(qū)域

3、低傳輸阻抗。該產(chǎn)品含有屏蔽層，具有較強(qiáng)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(duì)屏蔽阻抗感應(yīng)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(hù)套銅絲編織屏蔽變頻電力電纜

BPVVP2：聚氯乙烯絕緣和護(hù)套銅帶繞包屏蔽變頻電力電纜

BPVVPP2：聚氯乙烯絕緣和護(hù)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(hù)套鋁聚酯復(fù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)套鋁聚酯復(fù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)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(hù)套變頻器電纜

ZR-BPYJVP：交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)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(hù)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(hù)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(jié)構(gòu)形式選擇 4.1電纜的纜芯結(jié)構(gòu)普通電力電纜的纜芯為平行絞合結(jié)構(gòu)，且大都呈非對(duì)稱形。有文章報(bào)導(dǎo)過(guò)，普通結(jié)構(gòu)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(duì)于變頻系統(tǒng)用電力電纜的纜芯結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)電纜，電纜纜芯呈對(duì)稱形、并均佩有屏蔽層。

 

4.2 電纜的導(dǎo)體

常規(guī)變頻系統(tǒng)用電力電纜的導(dǎo)體同普通電力電纜相同，特殊場(chǎng)所有采用軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的需求（也即R型導(dǎo)體）。

4.3電纜的屏蔽

設(shè)有屏蔽層的電纜能夠有效的抑制內(nèi)、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(shù)來(lái)表示，屏蔽抑制系數(shù)為零說(shuō)明電纜的屏蔽效果最佳。

變頻系統(tǒng)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�？v包結(jié)構(gòu)的屏蔽效果要比繞包結(jié)構(gòu)的好。此外，也有采用鋁/塑復(fù)合帶進(jìn)行繞包或縱包作為屏蔽層，這種屏蔽層應(yīng)用到變頻系統(tǒng)用電力電纜的結(jié)構(gòu)上是否滿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(jù)電纜的使用場(chǎng)合而定。屏蔽層的截面一般根據(jù)使用要求而定，通常屏蔽層的截面是相線截面的50%，也有要求和相線截面相等。

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(shù)、介質(zhì)損耗、介電強(qiáng)度、工作溫度等）和彎曲性能等方面來(lái)考慮，變頻系統(tǒng)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(jí)

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

4.6電纜的護(hù)套

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

a）變頻系統(tǒng)用三芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖 b）變頻系統(tǒng)用3+3電纜結(jié)構(gòu)示意圖

1-相線 2-包帶 3-屏蔽層 4-外護(hù)套 1-相線 2-包帶 3-屏蔽層 4-中性線 5-外護(hù)套

圖1 變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)示意圖

5電纜的接線方式

圖2所示是三種不同結(jié)構(gòu)的變頻系統(tǒng)用電力電纜和電機(jī)、變頻器、變壓器之間的接線方式。

圖2a所示是一種三芯電纜，它配有同心銅屏蔽層。在此種情況下相線之間以及相線與屏蔽線的距離都是相等的，同時(shí)屏蔽層還作一根保護(hù)導(dǎo)體使用。采用這種結(jié)構(gòu)的電纜和接線方式，應(yīng)考慮到屏蔽層截面的大小必須要保證電纜能夠安全的運(yùn)行。

圖2b所示是一種3+3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電纜，電纜具有屏蔽層，此種情況三根對(duì)稱導(dǎo)體用作電纜的保護(hù)接地線。該類(lèi)型電纜的屏蔽層采用銅/鋁縱包加工而成。屏蔽線一端連接到變頻器的保護(hù)條上，一端連接到電機(jī)的保護(hù)端上。

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

圖2 典型的電纜連接方式

此外，電纜的屏蔽層應(yīng)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(jié)束語(yǔ)

6.1 變頻系統(tǒng)用電力電纜宜采用對(duì)稱纜芯結(jié)構(gòu)，此外電纜應(yīng)具有屏蔽層，屏蔽層宜采用屏蔽效果較佳的縱包結(jié)構(gòu)。建議變頻系統(tǒng)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(tǒng)用電力電纜對(duì)于我國(guó)電纜行業(yè)來(lái)說(shuō)是一種新型的電纜產(chǎn)品，應(yīng)加強(qiáng)這種電纜的性能指標(biāo)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(yīng)盡快制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以期推動(dòng)該電纜的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展應(yīng)用。并能和電機(jī)行業(yè)在電纜的技

術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)尺寸上形成統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。

6.3應(yīng)盡快研制開(kāi)發(fā)滿足變頻系統(tǒng)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(cè)試設(shè)備，從而滿足電纜質(zhì)

量控制的需要。

6.4應(yīng)加強(qiáng)變頻系統(tǒng)用電力電纜專(zhuān)用附件的開(kāi)發(fā)。

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(wú)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。現(xiàn)代“綠色”變頻器對(duì)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(duì)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(duì)防干擾要求比較高的高精度儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等諧波干擾問(wèn)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(guó)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(duì)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(jiàn)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(guò)熱；

（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(duì)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(duì)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(duì)測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示造成不準(zhǔn)確及對(duì)裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(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(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(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。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(lái)。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(wú)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=2πfL

電感分內(nèi)感和外感兩部分，總計(jì)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(duì)無(wú)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(guò)電纜電容和電感的振蕩特性，向周?chē)�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(guò)電纜內(nèi)阻的耦合作用，產(chǎn)生交流電壓的波動(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(duì)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(duì)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(zhǎng)，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(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(wú)功損耗增大。

電纜的電容計(jì)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(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。

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(guò)沖現(xiàn)象，同時(shí)電機(jī)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(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(guò)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(zhǎng)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(guó)際電工委員會(huì)（IEC）對(duì)EMC的定義是：指在不損害信號(hào)所含信息的條件下，信號(hào)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(duì)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(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)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系統(tǒng)分隔開(kāi)來(lái)，切斷通過(guò)阻抗進(jìn)行耦合的可能。

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(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(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(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，較短的接地線路，才能做到電磁兼容，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(duì)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(lèi)導(dǎo)體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類(lèi)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、XLPE材料，以減小電容和共模電壓對(duì)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(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(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。

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(guò)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(kāi)發(fā)的變頻電機(jī)用電力電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)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.XLPE絕緣  4.成纜包帶  5.內(nèi)護(hù)套    6.銅絲屏蔽  7.銅帶屏蔽

8.隔離套  9.鎧裝  10.外護(hù)套

根據(jù)國(guó)外先進(jìn)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方式，結(jié)合本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了如圖3所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

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

對(duì)于中壓大功率變頻系統(tǒng)用電力電纜，電纜采取適當(dāng)屏蔽方式，可有效減少高次諧波輻射。在變頻系統(tǒng)用電力電纜的生產(chǎn)和使用擴(kuò)大的情況下，建議編制相關(guān)行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，研究特性，更好指導(dǎo)并規(guī)范市場(chǎng)。

7  結(jié)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(tǒng)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?yàn)樽冾l器、電機(jī)都會(huì)采用一定處理方式，如變頻器采用濾波器，電機(jī)采用一定的電力補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(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(diào)速系統(tǒng)環(huán)境的電磁輻射應(yīng)引進(jìn)重視，采用主動(dòng)防治和被動(dòng)防治相結(jié)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，有著較高的電壓等級(jí)。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)變頻電纜的結(jié)構(gòu)時(shí)不單單要考慮外界環(huán)境對(duì)變頻電纜的影響，由于其多數(shù)都敷設(shè)于室內(nèi)，我們還要著重的考慮變頻電纜對(duì)外界環(huán)境的影響。于是對(duì)于變頻電纜的結(jié)構(gòu)也就有了特殊的要求。雖然目前國(guó)內(nèi)各大企業(yè)對(duì)變頻電纜的結(jié)構(gòu)說(shuō)法不一，都相應(yīng)的制定了自己的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但都比較傾向于對(duì)稱3+3的結(jié)構(gòu)。相信在不久的將來(lái)就會(huì)得到統(tǒng)一。在此，筆者收集并總結(jié)了部分關(guān)于變頻電纜對(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)的資料，希望能對(duì)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(shè)的地點(diǎn)為室內(nèi)，這使得變頻電纜的運(yùn)行與周?chē)�的供電或用電設(shè)備有了非常密切的關(guān)系，于是就需要有一種特殊的結(jié)構(gòu)來(lái)解決這種復(fù)雜的相互關(guān)系。因此便產(chǎn)生了對(duì)稱3+3的結(jié)構(gòu)。下面將對(duì)其作具體的說(shuō)明。

2 外部環(huán)境對(duì)變頻電纜的影響及解決辦法

    外部環(huán)境對(duì)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(duì)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(xiàng)供電系統(tǒng)，當(dāng)三項(xiàng)電流平衡時(shí)，其中性線芯的電流為零；當(dāng)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(xiàn)對(duì)此的波峰與波峰或波谷與波谷相疊加的機(jī)會(huì)，電纜越長(zhǎng)疊加機(jī)會(huì)越多表現(xiàn)得也就越明顯。加之電纜這個(gè)大的電容本身對(duì)高次諧波就有著放大的作用，對(duì)于3+1型電纜，高次諧波產(chǎn)生的電流分量在中性線芯內(nèi)無(wú)相位差，這樣一來(lái)電流將會(huì)疊加成原分量的數(shù)倍，中性線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(duì)稱的方式做成3+3結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)圖如下

 

表1 電力電纜的EMC評(píng)價(jià)

結(jié)構(gòu)		屏蔽層	EMC評(píng)價(jià)
	對(duì)稱 3+3	細(xì)銅絲編織屏蔽層	性能最優(yōu)
	對(duì)稱 3芯	細(xì)銅絲編織屏蔽層	好
	非對(duì)稱 4芯	細(xì)銅絲編織屏蔽層	好
	對(duì)稱 3+3	—	尚好
	非對(duì)稱 4芯	—	中等
	非對(duì)稱平行芯線或扁電纜	銅編織屏蔽層	中等
	非對(duì)稱平行芯線或扁電纜	—	差

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

3 變頻電纜對(duì)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(shè)備的電纜。其敷設(shè)的空間相對(duì)較小，而電壓等級(jí)有相對(duì)比較高（最高可達(dá)8.7/15kv），在其運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁波，對(duì)周?chē)�的供電和用電系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾。這就要求變頻電纜要有更好的屏蔽措施。所以對(duì)電壓等級(jí)為3.6/6kv及以上的變頻電纜都要求有分相屏蔽和統(tǒng)包屏蔽。采用多層屏蔽可以達(dá)到非常好的效果。然而，若是屏蔽內(nèi)的回路出現(xiàn)了偏心，電磁屏蔽的效果勢(shì)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(duì)于偏心的電纜，設(shè)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(shù)

分析：在偏心的電纜中，Sp是用遠(yuǎn)大于1 的，于是 ㏑∣1/Sp∣就成了一個(gè)負(fù)值，這樣，我們就得到了一個(gè)結(jié)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(duì)的，也就是說(shuō)Ap永遠(yuǎn)都小于As，問(wèn)題在于我們要設(shè)法使Ap﹣As的值達(dá)到最小，以此來(lái)增強(qiáng)金屬屏蔽的效果，從而減少變頻電纜對(duì)外界的干擾。那么，如何才能最大限度的減少偏心呢？

唯有對(duì)稱。3+3結(jié)構(gòu)的變頻電纜是對(duì)稱的。這種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)加上相應(yīng)的金屬屏蔽，可以使電纜的屏蔽系數(shù)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(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)的理由之二。

4 變頻電纜設(shè)計(jì)為對(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)的其它理由

a) 對(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)稱3+3結(jié)構(gòu)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(yīng)用問(wèn)題

    電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞與實(shí)際的操作和應(yīng)用的合理與否有著密切聯(lián)系，這兩者相輔相成。我們所設(shè)計(jì)的變頻電纜為3+3對(duì)稱結(jié)構(gòu)，而電纜真正起作用是在敷設(shè)以后。也就是說(shuō)，敷設(shè)以后是否為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這才是變頻電纜應(yīng)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(jié)最為關(guān)鍵。成纜后的結(jié)構(gòu)是否對(duì)稱直接影響到敷設(shè)后的運(yùn)行。這要求技術(shù)人員的合理設(shè)計(jì)和操作人員成熟的技術(shù)水平，以及生產(chǎn)設(shè)備的性能穩(wěn)定。這幾項(xiàng)是缺一不可的，也是變頻電纜3+3對(duì)稱結(jié)構(gòu)是否能成功運(yùn)用的必要條件。

b) 敷設(shè)。這一點(diǎn)是我們要著重考慮的。變頻電纜多數(shù)敷設(shè)在室內(nèi)，不需要鎧裝，敷設(shè)的空間也不是很大�？臻g小必然會(huì)造成多彎曲，于是對(duì)稱的電纜會(huì)因?yàn)槎啻蔚膹澢�而�?dǎo)致不對(duì)稱。前面我們已經(jīng)討論了對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)于變頻電纜的重要性，那這個(gè)問(wèn)題就很?chē)?yán)重了。如何地解決呢？據(jù)實(shí)際的電纜工程資料顯示，如此敷設(shè)的變頻電纜的電壓等級(jí)幾乎都在1.8/3kv以下，而這個(gè)電壓等級(jí)的變頻電纜是不需要分相屏蔽的，這樣的話我們可以采用工業(yè)用膠在其成纜時(shí)將線芯粘住，以固定其結(jié)構(gòu)。據(jù)了解，已經(jīng)有很對(duì)稱型的通信電纜用這種方法來(lái)解決類(lèi)似的問(wèn)題。

6 結(jié)論

變頻電纜采用對(duì)稱3+3的結(jié)構(gòu)可以有效的降低與外界的相互干擾，在實(shí)際的應(yīng)用中更有價(jià)值，更有競(jìng)爭(zhēng)力。我公司已經(jīng)運(yùn)用此結(jié)構(gòu)生產(chǎn)變頻電纜數(shù)年，并得到了廣大用戶的一致好評(píng)。在國(guó)內(nèi)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(xiàn)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(duì)稱變頻電纜也將會(huì)以低干擾、抗高次諧波的優(yōu)點(diǎn)受到更多用戶的歡迎。

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