硅橡膠絕緣硅橡膠護套變頻器電力電纜的研制

郭儉旭

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

近年來，隨著變頻調頻技術的快速發展，變頻器在工業生產中已經得到了廣泛的應用。在鋼鐵、冶金、石油開采等特殊領域，工作環境惡劣，溫度較高，在使用遠距離電纜連接安裝在不同位置的變頻器和電機時，電機功率較大，頻率譜帶較寬，因此，對于變頻器—電纜—電動機這樣一個電氣傳動系統，電纜的分布特性、長度等成為影響變頻器工作效率的主要因素。

本文主要從使用環境、電壓或電流的波形畸變、電磁干擾、分布電容、波形阻抗等諸多因素加以考慮，對其電纜結構設計、材料選擇以及關鍵生產工藝進行了分析，研制了硅橡膠絕緣硅橡膠護套變頻器電力電纜。該產品可以滿足使用環境的要求，從而使整個變頻系統工作地更加可靠、穩定。

1 產品設計

1.1 電纜結構設計(見圖1)

圖1 硅橡膠絕緣硅橡膠護套變頻器電力電纜結構

高頻電力電子技術用于變頻器，會產生高次諧波。電力電纜作為傳輸電力的載體，使得諧波危害加倍。由于變頻器電纜使用的特殊要求，我們主要從外界對變頻器電纜的影響以及變頻器電纜對外界的影響兩方面著手研究，同時還要考慮變頻電纜的絕緣電壓、敷設空間、彎曲半徑等，設計電纜結構。

1.1.1 電纜整體結構設計

電纜產生輻射的機理有兩種，一種是電纜中的電流(差模電流)回路產生的差模輻射，另一種是電纜中的導線(包括屏蔽層)上的共模電流回路產生的共模輻射。兩者都會隨輸入信號頻率的增高而增強。共模電流的環路面積是由電纜與大地(或鄰近其它大型導體)形成的，因此具有較大的環路面積，產生較強的輻射，而且頻率越高產生的輻射越強。常用變頻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、電容產生的阻抗占比率與普通工頻相比要大得多。這足以引起我們對無功損耗的重視［1］。

據悉，變頻電力(主要是6脈沖整流)傳輸中產生的高次諧波的功率約為總功率的30%［2］。變頻交流電力系統中產生有害的高次諧波，變頻器為連接于該點的諧波源，其諧波電流經過電感和電容的耦合作用，產生交流電壓的波動。當電纜和電機負載電抗不同時，輸出的電流和最終的穩定狀態不同，將會在接收端產生反射波，反射波與入射波疊加，形成諧振。這個諧振頻率接近于諧波源的某個諧波頻率時就會產生很高的諧波電壓［3］。因此，必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定水平，才不會對電路中的其他設備造成有害的影響。

在完整的三相系統中，當三相電流平衡時，其接地線芯的電流為零，當高次諧波產生時，經多次反射便會出現波峰與波峰或波谷與波谷疊加的情況，電纜越長這種現象越明顯。對于3+1型電纜，高次諧波產生的電流分量為接地分量的數倍，最終使得接地線芯在高頻脈沖下很快被擊穿。電纜采用“3+3”結構，即將傳統的一根中性線分成三相，主線芯和接地線芯構成隔離式對稱分布，將電位不平衡的因素給予整合，保證電場相位的一致性，電場再次均衡，且電纜結構穩定、可靠;對稱“3+3”屏蔽結構設計，提高電纜抗電磁輻射性能，保證電纜應用于變頻器時，一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它電器設施，以提高整個變頻驅動系統的用電安全性，實現變頻器和電源的匹配，改善功率因數，減少高次諧波的不良影響，降低電機噪音。

1.1.2 導體結構設計

(1)由于變頻器電力電纜多敷設在室內，空間較小，這就要求在保證性能的基礎上電纜的外徑、重量、彎曲半徑等盡量小，為此該電纜的導體一般采用符合GB/T 3956要求的5類軟銅絲絞合導體。

(2)由于“集膚效應”的影響，設計變頻器電力電纜時應適當增加導體表面積，以減小阻抗。2類導體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類軟導體，以增加表面積，減少電抗。

(3)采用圓形結構代替異型結構，增加導體距離，可減少電抗。

1.1.3 電纜屏蔽結構設計

由于屏蔽層引進了新的分布電容，改變了原來的分布電容結構，因此，可以有效減弱受感物的干擾感應電壓;同時，導電的磁屏蔽層處在交變電磁場中將產生感應電流，導致電磁場在該導電媒質中按指數規律衰減;第三，銅、鋁、鐵等金屬材料導電性強，頻率較高的電磁波幾乎不能透入。因此，電磁屏蔽能有效抑制空間的電磁干擾，變頻器輸入、輸出電纜的屏蔽結構非常重要。

不同的屏蔽材料以及材料的厚度對于電磁波的吸收效果是不一樣的。我們主要采用電屏蔽方式，以銅和鋁等高導電性材料為主，根據電纜不同需求，采用不同加工方式，結合增加屏蔽表面積和降低屏蔽阻抗相結合的方法。電纜脈沖屏蔽抑制系數應不大于0.05。屏蔽層既起到抑制電磁波對外發射的作用，又可作為短路電流的通道，起到中性線芯的保護作用。傳統制造者習慣采用銅線編織屏蔽，實際上這并不是好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用銅絲疏繞+銅帶繞包復合屏蔽是較為先進的結構和工藝，形成了全封閉金屬層，達到有效的屏蔽效果。銅絲疏繞屏蔽間平均間隙不大于4 mm，任兩線間最大間隙不大于8 mm，銅帶屏蔽需重疊搭蓋，搭蓋率不小于25%。因此，屏蔽表面積覆蓋率達100%，同時銅絲疏繞以超過銅帶截面導通屏蔽帶，使屏蔽阻抗減到最小。

1.2 材料的選用

由于連接變頻器與電動機負載的電纜各相均存在分布電容，電動機內部存在寄生電容，并且線路中又存在高次諧波電流。高頻條件下，電纜內部存在的雜散分布電容以及電動機內部存在的寄生電容，將產生容性漏電流，漏電流受高次諧波的激勵而產生衰減振蕩，造成傳送到電機輸入端的驅動電壓產生過沖現象?？梢姡叽沃C波的電壓加至電纜兩端時，由于電纜承受相當大的高頻脈沖過電壓、過電流，使得電纜絕緣容易老化、擊穿，且輸出電纜線越長，電纜中過電壓、過電流越嚴重，發熱也越嚴重。如果沒有特殊的電纜絕緣設計，電纜會迅速擊穿。因此，有效地減小電線電纜電容，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選用低介質常數和耐電暈強度較高的材料，以減小電容和共模過電壓對電纜絕緣性能的影響。

硅橡膠材料具有優異的耐高溫、耐低溫、耐油、耐酸堿等性能，同時，其電絕緣性能、耐電暈性和耐電弧性非常好，介電常數雖不如交聯聚乙烯理想，但是綜合使用環境，如在高溫、低溫、有油污、有污染的環境中使用，硅橡膠材料具有特定的優勢。

1.2.1 材料機械性能驗證

在選擇硅橡膠材料時，采用試驗對比的方法，以硅橡膠為基料，添加一定的硫化劑、色膏等。根據調整硫化劑的比例及壓片時的溫度、時間，驗證材料性能達到最佳時的試驗條件，最終調整生產工藝的生產溫度和速率。

硅橡膠材料機械性能驗證如下:

原材料:硅橡膠基料、雙2、4硫化劑

試驗條件:

常量(1)試驗厚度1 mm左右;(2)試驗壓力15 MPa;(3)壓片時間3 min。

變量 (1)硫化劑比例1.2%、1.5%;(2)壓片溫度140℃、150℃、170℃(160℃時試樣有缺陷，未做試驗)。

試驗一:將添加不同比例硫化劑的硅橡膠原料進行混煉，在一定的溫度下進行壓片，測試材料老化前后的抗拉強度及斷裂伸長率，測試結果見表1。

試驗二:將硅橡膠原料及硫化劑按照一定的比例進行混煉，在不同的溫度下進行壓片，測試材料老化前后的抗拉強度、斷裂伸長率及材料的體積電阻率，測試結果見表2。

表1 添加劑比例與材料機械性能的關系

表2 壓片溫度與材料機械性能的關系

通過表1可以看出，添加劑比例在1.2%時抗拉強度和斷裂伸長率均比添加劑比例在1.5%時好;通過表2可以看出，壓片溫度在140℃的抗拉強度和斷裂伸長率較優，且性能符合設計輸入的要求(老化前抗拉強度≥9.0，斷裂伸長率≥400%，老化后抗拉強度≥8.0，斷裂伸長率≥250%)，此時的性能指標也遠遠超出標準中產品的性能要求(老化前抗拉強度≥6.0，斷裂伸長率≥100%，老化后抗拉強度≥5.0，斷裂伸長率≥120%)。

2 關鍵生產工藝控制

2.1 硅橡膠的硫化工藝

硅橡膠材料可在開煉機上進行低溫混煉?；鞜挄r加入一定比例的硫化劑、色膏和其它助劑，輥筒溫度控制在50℃以下。在混煉完畢后最好在室溫下停放一段時間，但存放時間不宜過長，然后進行反煉后再進行擠出、硫化。

絕緣和護套分別擠出采用65#和115#硅橡膠擠出機，單螺旋螺桿，長徑比為14∶1，擠出溫度控制在60℃以下，機筒和螺桿均須通冷卻水，以免產生膠料焦燒、硫化過程產生氣泡等現象。在試制過程中，絕緣及護套的偏心現象嚴重，并且出現脫節現象。通過對模芯、模套配置進行調整，該現象得到解決。試制時還經常出現氣泡、起泡現象。經過仔細分析研究發現，引起電纜氣泡的主要原因是膠料在煉制的過程中含有大量的空氣，通過對膠料配方進行改進加以解決。起泡現象是生產硅橡膠電纜經常遇到的問題，如果膠料潮濕、電纜導體潮氣重、成纜填充物含水，在高溫硫化的過程中都會引起絕緣和護套表面起泡，因此，在硫化過程前要對導體、纜芯或者填充材料進行烘干處理，硫化過程控制好溫度，便可以避免起泡現象的發生。

擠出速度是硫化質量的關鍵，速度過快，硫化不足，力學性能和彈性不好;速度過慢，則過硫。通過對不同規格電纜的調試，記錄不同厚度和生產速度的關系，做出硫化曲線，確定合理的硫化工藝。

2.2 成纜工藝

變頻器電力電纜主要的一個性能就是屏蔽抑制性能，然而，電纜偏心現象嚴重將導致電纜的電磁屏蔽效果下降。成纜工藝是對3+3結構變頻器電力電纜成品結構對稱性影響至關重要的環節。為了使變頻電纜性能最優化，要求技術、工藝人員合理設計，操作人員技術嫻熟，生產設備性能穩定。首先，導體的束絞要規則，絕緣線芯成纜時絞合節距要比同規格的普通電力電纜小一些，電纜的導體、絕緣線芯絞合及繞包帶的繞包方向均應同向;其次，成纜時大截面電纜需采用填充物，填充要飽滿，絕緣線芯的放線張力應保持均一，保證電纜結構穩定和成纜圓整，降低偏心。

3 結束語

硅橡膠絕緣變頻器電力電纜，主要適用于鋼鐵、冶金、石油石化、化工、電廠等多種高溫工業場所。它具有耐高溫、耐低溫、耐輻射、耐老化、耐臭氧、耐電暈性和耐電弧性、抗電磁干擾、柔軟等特性。對稱電纜結構由于導線的對稱換位的絞合，有更好的電磁相容性，提高變頻電機專用電纜的抗干擾性，減少了整個系統中的電磁輻射。屏蔽結構的設計充分利用了銅材良好的導電性與良好的塑性，采用“銅絲纏繞+銅帶繞包”方式，可抗電磁感應、接地不良和電源線傳導干擾，減小電感。該產品經國家電線電纜質量監督檢驗中心進行檢測，符合或超過國內外相關產品的規定，符合使用要求。

此外，根據產品的適用場合設計阻燃和耐火的變頻器電纜產品，可滿足更多特殊場所的使用要求。

［1］吉啟榮.變頻系統電力電纜諧波振蕩輻射及抑制［J］.EMC及抗干擾技術，2007(4):100-103.

［2］Sidney Bell，Tinothy J，Cook son.Experience with variable-frequency drives and motor bearing reliability［J］.IEEE Trans.Ind.Appl.2001，37(5):1438-1446.

［3］張 珍.變頻系統長線電纜的研究及過電壓抑制［D］.大連理工大學碩士學位論文，2009，5-6.