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變頻電纜的設(shè)計(jì)與分析
近二十年來變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用愈加廣泛，中國(guó)變頻器市場(chǎng)研究報(bào)告顯示，中國(guó)的變頻器市場(chǎng)在過去幾年內(nèi)保持15%-20%的高速增長(zhǎng)，由于工業(yè)行業(yè)及建筑業(yè)的迅猛發(fā)展以及各行業(yè)的大量投資，當(dāng)年同比增長(zhǎng)達(dá)到了近40%，市場(chǎng)規(guī)模超過了 85 億元人民幣. 隨著變頻裝置的大量應(yīng)用，與之配套使用的變頻電纜的需求也與日俱增，市場(chǎng)年需求量也以年 30%的速度遞增。變頻電纜作為變頻器與負(fù)載之間動(dòng)力及信號(hào)傳輸?shù)碾娎|，其設(shè)計(jì)和使用必須滿足變頻工況下的特殊要求。
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(dǎo)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(diào)制方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。上述的兩次變換可簡(jiǎn)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(dǎo)體器件調(diào)壓，較大程度上改變了波形特性，從而對(duì)電機(jī)和電纜帶來了新問題。變頻器中通常通過大功率的自關(guān)斷開關(guān)器件(BJT、IGBT 等)進(jìn)行整流、然后對(duì)直流電壓進(jìn)行 PWM 逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電壓的高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備，尤其是控制系統(tǒng)的 I/O 信號(hào)。同時(shí)由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應(yīng)具有更高的絕緣安全裕度。在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器高次諧波的干擾問題，下面簡(jiǎn)單介紹諧波產(chǎn)生的機(jī)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(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶閘管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，由于不規(guī)則的矩形波的存在，波形按傅立葉級(jí)數(shù)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(tǒng)。在逆變回路中，輸出電流波形是 PWM 載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于 GTR 大功率逆變?cè)?，?PWM 的載波頻率為 2～3kHz，而 IGBT 大功率逆變?cè)?PWM zui高載頻可達(dá)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(shè)備。因此，針對(duì)變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜應(yīng)著重解決以下問題：電纜本體對(duì)外發(fā)射電磁波，抑制高次諧波通過電纜對(duì)外界的干擾;脈沖電壓對(duì)絕緣的影響，防止脈沖電壓對(duì)電纜的影響。變頻電纜從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決防干擾能力及絕緣的安全可靠性上顯得尤為重要。
變頻電纜的工作特點(diǎn)
了解變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜的設(shè)計(jì)應(yīng)著重控制以下方面：
電纜本體對(duì)外發(fā)射電磁波。一般變頻家用電器為單相供電，長(zhǎng)度很短，功率也較小，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)外發(fā)射。但是在工業(yè)領(lǐng)域內(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(zhǎng)度長(zhǎng)，在工作時(shí)電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對(duì)于周圍鄰近地區(qū)的通信工具或調(diào)幅接受器將產(chǎn)生干擾，有時(shí)情況也比較嚴(yán)重，稱之為電磁波的環(huán)境污染，國(guó)外已對(duì)這種電纜提出要求，我們也已提出了相關(guān) EMC 測(cè)試及控制方法。雖然目前沒有國(guó)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(duì)外高頻干擾是必須做到的。要想達(dá)到高頻干擾的有效抑制，變頻電纜屏蔽結(jié)構(gòu)是尤為重要的。屏蔽結(jié)構(gòu)是抑制對(duì)外高頻干擾*方法，而屏蔽結(jié)構(gòu)分為銅絲編織屏蔽及銅帶屏蔽。電纜采用銅絲編織屏蔽時(shí)，隨著銅絲編織密度的增大，屏蔽抑制系數(shù)也不斷增長(zhǎng)，編織密度越大，屏蔽效果越好。電纜采用銅帶編織屏蔽時(shí)，只有編織密度達(dá)到 90%以上，其屏蔽效果才與銅帶屏蔽相當(dāng)。所以，變頻電纜應(yīng)盡量采用銅帶屏蔽，以確保屏蔽效果。制造者習(xí)慣采用銅線編織屏蔽，實(shí)際上這并不是方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是。采用銅帶搭蓋繞包并軋紋是較為*結(jié)構(gòu)和工藝，形成了全封閉金屬層，可達(dá)到有效的屏蔽功能。
脈沖電壓對(duì)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(gè)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)倍，電纜越長(zhǎng)，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，可能被擊穿。因此為確保電纜安全，我們從以下三個(gè)方面著手：
增大絕緣厚度，提高絕緣耐電壓能力，同時(shí)選用絕緣性能較好材料。電纜絕緣厚度可采用對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的規(guī)定，若適當(dāng)加厚，當(dāng)然更為可靠，這對(duì)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?yàn)槠浣橘|(zhì)系數(shù)偏大，在交變電場(chǎng)作用下，其介質(zhì)損耗也很大。而采用交聯(lián)聚乙烯絕緣則較為合適，交聯(lián)聚乙烯材料介質(zhì)系數(shù)低，介質(zhì)損耗小，同時(shí)其耐溫等級(jí)和機(jī)械性能也比聚氯乙烯好，其兼有機(jī)、電、熱等優(yōu)良性能。采用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料是比較適合的選擇。
導(dǎo)體外增加半導(dǎo)電層以均化電場(chǎng)，減少放電。 導(dǎo)體在加工過程中，可能會(huì)在表面產(chǎn)生缺陷(如毛刺)，導(dǎo)體外沒有半導(dǎo)電層，則在缺陷處產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，容易產(chǎn)生擊穿破壞絕緣。如施加半導(dǎo)電層后，由于半導(dǎo)電層的存在，導(dǎo)體表面電場(chǎng)得到均化，可有效避免絕緣擊穿。
電纜采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以達(dá)到均化電場(chǎng)和各相均衡。對(duì)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(gè)芯直接成纜，是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如果將第四芯分解為三個(gè)截面較小的絕緣芯，把三大三小線芯對(duì)稱結(jié)構(gòu)成纜。
屏蔽層接地措施。屏蔽層接地良好是抑制電磁波對(duì)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，而縱包銅帶軋紋屏蔽需用夾具接地，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。
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*排除用聚氯乙烯護(hù)套，但選用高密度聚乙烯更為合適。
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(duì) 3.6/6kV 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)1200～1900 V，振鈴頻率約 100～2000 kHz ，對(duì)電纜進(jìn)行脈沖電壓試驗(yàn)(型式試驗(yàn))是為驗(yàn)證電纜的絕緣水平。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 驗(yàn) 電 壓 可 考 慮 40kV ，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證，是否必要工廠也可自行決定。
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(duì)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(shí)電纜的電壓等級(jí)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(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shou選絕緣材料，如果在敷設(shè)時(shí)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(gè)主線芯采用同軸結(jié)構(gòu)，總屏蔽的結(jié)構(gòu)與低壓變頻電纜相同。