變頻電纜的設計與分析

　　近二十年來變頻調速系統應用愈加廣泛，中國變頻器市場研究報告顯示，中國的變頻器市場在過去幾年內保持15%-20%的高速增長，由于工業行業及建筑業的迅猛發展以及各行業的大量投資，當年同比增長達到了近40%，市場規模超過了85億元人民幣.隨著變頻裝置的大量應用，與之配套使用的變頻電纜的需求也與日俱增，市場年需求量也以年30%的速度遞增。變頻電纜作為變頻器與負載之間動力及信號傳輸的專用電纜，其設計和使用必須滿足變頻工況下的特殊要求。

　　2變頻器工作原理

　　變頻器的工作原理是把市電(380V、50Hz)通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件(GTO、GTR或IGBT)組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動異步電機，實現無級調速。上述的兩次變換可簡化為AC-DC-AC(交-直-交)變頻方式。

　　目前的變頻電源是通過電力半導體器件調壓，較大程度上改變了波形特性，從而對電機和電纜帶來了新問題。變頻器中通常通過大功率的自關斷開關器件(BJT、IGBT等)進行整流、然后對直流電壓進行PWM逆變，結果是在輸入輸出回路產生電壓的高次諧波，干擾供電系統、負載及其他鄰近電氣設備，尤其是控制系統的I/O信號。同時由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應具有更高的絕緣安全裕度。在實際使用過程中，經常遇到變頻器高次諧波的干擾問題，下面簡單介紹諧波產生的機理、傳播途徑等問題。變頻器的主回路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經三相橋路不可控整流成直流電壓，經濾波電容濾波及大功率晶閘管開關元件逆變為頻率可變的交流電壓。在整流回路中，由于不規則的矩形波的存在，波形按傅立葉級數分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統。在逆變回路中，輸出電流波形是PWM載波信號調制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變元件的PWM最高載頻可達15kHz。同樣輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，高次諧波電流通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設備。因此，針對變頻器的工作特點，變頻電纜應著重解決以下問題：電纜本體對外發射電磁波，抑制高次諧波通過電纜對外界的干擾;脈沖電壓對絕緣的影響，防止脈沖電壓對電纜的影響。變頻電纜從電纜結構設計上解決防干擾能力及絕緣的安全可靠性上顯得尤為重要。

　　3變頻電纜的工作特點

　　了解變頻器的工作特點，變頻電纜的設計應著重控制以下方面：

　　電纜本體對外發射電磁波。一般變頻家用電器為單相供電，長度很短，功率也較小，設計時已將變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設置在金屬殼內，抑制了電磁波對外發射。但是在工業領域內，電機功率較大，連接變頻電機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射的有效載體，對于周圍鄰近地區的通信工具或調幅接受器將產生干擾，有時情況也比較嚴重，稱之為電磁波的環境污染，國外已對這種電纜提出要求，我們也已提出了相關EMC測試及控制方法。雖然目前沒有國家規范規定電纜發射電磁波造成環境污染的考核指標，但抑制對外高頻干擾是必須做到的。要想達到高頻干擾的有效抑制，變頻電纜屏蔽結構是尤為重要的。屏蔽結構是抑制對外高頻干擾最佳方法，而屏蔽結構分為銅絲編織屏蔽及銅帶屏蔽。電纜采用銅絲編織屏蔽時，隨著銅絲編織密度的增大，屏蔽抑制系數也不斷增長，編織密度越大，屏蔽效果越好。電纜采用銅帶編織屏蔽時，只有編織密度達到90%以上，其屏蔽效果才與銅帶屏蔽相當。所以，變頻電纜應盡量采用銅帶屏蔽，以確保屏蔽效果。制造者習慣采用銅線編織屏蔽，實際上這并不是最好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用銅帶搭蓋繞包并軋紋是較為先進的結構和工藝，形成了全封閉金屬層，可達到有效的屏蔽功能。

　　脈沖電壓對絕緣的影響。變頻電源的頻率調節范圍較寬，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，作為一種行波經多次反射，幅值疊加可達到工作電壓數倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數不高，可能被擊穿。因此為確保電纜安全，我們從以下三個方面著手：

　　增大絕緣厚度，提高絕緣耐電壓能力，同時選用絕緣性能較好材料。電纜絕緣厚度可采用對應電壓等級的規定，若適當加厚，當然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯絕緣并不理想，因為其介質系數偏大，在交變電場作用下，其介質損耗也很大。而采用交聯聚乙烯絕緣則較為合適，交聯聚乙烯材料介質系數低，介質損耗小，同時其耐溫等級和機械性能也比聚氯乙烯好，其兼有機、電、熱等優良性能。采用交聯聚乙烯作為絕緣材料是比較適合的選擇。

　　導體外增加半導電層以均化電場，減少尖端放電。導體在加工過程中，可能會在表面產生缺陷(如毛刺)，導體外沒有半導電層，則在缺陷處產生電場畸變，容易產生擊穿破壞絕緣。如施加半導電層后，由于半導電層的存在，導體表面電場得到均化，可有效避免絕緣擊穿。

　　電纜采用對稱結構，以達到均化電場和各相均衡。對于四芯低壓電纜，首先是改善絕緣線芯的排列，假如電纜的四個芯直接成纜，是不對稱結構，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結構成纜。

　　屏蔽層接地措施。屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發射的必要條件，銅線編織屏蔽的接地方式較容易解決，而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當吻合，接地線由夾具尾端引出。

　　外護套。這種電纜大多數敷設在室內，一般不需鎧裝，雖然不完全排除用聚氯乙烯護套，但選用高密度聚乙烯更為合適。

　　電纜的附加試驗。一般低壓電纜不需要進行脈沖電壓試驗，如IEC60502標準僅對3.6/6kV及以上的電纜才規定進行脈沖電壓試驗。變頻電機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1200～1900V，振鈴頻率約100～2000kHz，對電纜進行脈沖電壓試驗(型式試驗)是為驗證電纜的絕緣水平。試驗可參考IEC60502標準，即施加正負各十次脈沖電壓試驗，試驗電壓可考慮40kV，但需要進一步驗證，是否必要工廠也可自行決定。

　　3.6/6～6/10kV中壓變頻電纜的發展由于機械裝備大型化，需要電機容量也配套擴大，相應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，進一步提高電流容量技術發展受到限制。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3.6/6～6/10kV中壓變頻電纜已有投入使用，從絕緣結構和電氣、機械、物理性能上說，可以與電力電纜等同，交聯聚乙烯顯然是首選絕緣材料，如果在敷設時要求柔軟，采用乙丙橡膠絕緣也有一定的優點。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發射能力明顯增強，所以屏蔽結構要求更完善。在變頻電纜工作條件下，同軸電纜是一種合適的結構，所以變頻電纜的三個主線芯采用同軸結構，總屏蔽的結構與低壓變頻電纜相同。

　　作為一種變頻專用電纜，變頻電機用交聯聚乙烯絕緣電纜是一種新的系列產品，盡管市場的總需求量并不很大，但這種電纜的發展很有前途，中型及以上的變頻電機應當采用這類專用電纜，至于小型變頻電機用變頻電纜，歸入此范疇也未嘗不可。