淺談變頻系統用電纜標準的制定

文/上海電纜研究所 曲文波 陳佶民

1 前言

隨著近二十年來電力電子技術的進步，特別是IGBT器件的出現，變頻系統已經廣泛地應用于各種工業場合，小到如電機調速，大到如列車驅動、石油開采、船舶推進等場合。在實際使用中發現:在一般電氣系統中不被認為是薄弱環節的電纜，在變頻系統中卻遇到了在一般情況下很少出現的問題，如電氣壽命短、電磁干擾嚴重等。針對這樣的情況，變頻系統涉及的行業對該類電線產品進行了大量的研究和研發工作，也形成了一定的共識:變頻系統用電纜有別于一般的電線電纜類產品，具有獨特的技術特點。

2 變頻系統對電纜的不同要求

與一般的輸配電系統不同的是用于變頻系統的電纜面臨兩個特殊的技術問題。

2.1 高次諧波

在電力工業中電能質量的一個表征指標就是諧波的比例，如發電機的端電壓波形在任何瞬間與其基波波形之差不得大于基波波幅的5%，而用于常規輸配電系統的電纜基本可以認為在沒有諧波的環境下運行。對于變頻系統來講，高次諧波是明顯存在的。高次諧波可以等效看作電場老化因子的時間加速試驗，必然減少了電纜的電氣絕緣結構的壽命；甚至有些場合下奇次諧波的比例可能超過15%[1]，在這樣的情況下高次諧波對電纜的影響就比較明顯。當使用按照普通輸配電網絡絕緣強度設計的電纜時，不恰當的絕緣結構設計使得其電氣壽命縮短，電纜成為整個系統的“短板”。

對于長距離大功率（超過200m）以上的變頻系統線路，由于線路阻抗不匹配產生的駐波問題，諧波的危害會變得更加明顯。文獻報道，整體線路的某些點可能產生1.85-1.9倍的額定電壓[1]，這種情況下電纜的電氣壽命會大大的縮短。因此變頻系統用電纜的電氣絕緣結構與常規的電力電纜有較大不同。

2.2 電磁干擾

變頻系統用電纜另外一個顯著的特點是電磁干擾問題。由于電纜中傳輸的信號本身包含明顯的高次諧波，可以視為一個“噪音”發射源，變頻電纜必須從結構上降低本身的噪音發射能力和內部線路間相互干擾；其次變頻系統本身也是一個“噪音”接收源，為避免電力電子器件的誤動作或損傷，盡量少的接收錯誤的外界干擾信號[2]。當然，對于變頻系統用電纜來講，最重要的是降低自身噪聲的傳播可能性。因此對于變頻系統用電纜來講，從結構上均存在必不可少的電磁屏蔽層，這也是變頻系統用電纜與一般常規電力電纜顯著不同的地方。

3 產品標準中可能涉及的參數

3.1 電壓等級與絕緣厚度

變頻系統用電纜的額定電壓等級應與整體變頻系統的電壓等級相匹配，該參數是產品最重要的參數之一，也決定了電氣絕緣結構強度即絕緣層厚度。如前所述，由于高次諧波的存在，變頻系統用電纜的電氣絕緣結構強度與普通的電力電纜應有明顯的不同。Ronald認為變頻系統用電纜的額定電壓等級與采用相匹配的普通電纜額定電壓等級如表1[3]，并進行了相關的驗證試驗。

表1

我國標準體系與表1有所不同，變頻系統用電纜可按照表2劃分。由于額定電壓0.6/1kV及以下電纜的絕緣層厚度本身裕度較大，其絕緣層厚度可基本不變；其余電壓等級的變頻器電纜應靠上一等級額定電壓。對于一些特殊的長距離大功率變頻傳輸系統,絕緣層的厚度可在表2的基礎上進行增加，以保證足夠的絕緣強度。

表2

3.2 結構

經過多年的研究和開發,變頻系統用電纜的基本結構可以分為兩類[4][5]:（1）低壓變頻系統用電纜產品結構；（2）中壓變頻系統用電纜產品結構。

低壓變頻系統用電纜主要用于變頻系統額定電壓在3300V以下的系統。由于工作電場強度較低，絕緣層不需要導體屏蔽和絕緣屏蔽來降低局部場強。該類電纜的基本結構如圖1。纜芯中傳輸能量的線芯3根、接地線芯3根，交叉對稱分布；整體纜芯外采用金屬屏蔽層結構保證電磁屏蔽特性。

中壓變頻系統用電纜主要用于變頻系統額定電壓在3300V及以上系統。由于工作場強較高，除了絕緣層如前所述應采用增強的絕緣層厚度以外，還應增加導體屏蔽層和絕緣屏蔽層來降低局部場強。絕緣線芯外應采用銅絲/銅帶復合屏蔽層作為屏蔽層。

3.3 電纜材料

1）導體

對于移動敷設的電纜，導體采用軟結構銅絲，應符合GB/T 3956-2008規定的第5類導體。對于頻繁移動的電纜可采用更軟結構的電纜。

對于固定敷設的電纜，導體可采用符合GB/T 3956-2008規定的第2類導體。

2）絕緣材料

變頻系統中消除共模電流的干擾可以減小線芯間相互的干擾。從結構上，電纜的纜芯采用對稱的結構目的就是在一定程度上減小共模電流的影響。除了結構上的對稱設計外，電纜絕緣層材料的選擇也有關鍵的作用。電纜的共模干擾電流的大小與電纜的工作電容成正比。電纜的工作電容取決于絕緣層材料的介電常數。因此減小共模電流的的干擾，須盡量選用介電常數小的絕緣材料，常用電纜絕緣材料的相對介電常數見表3[6]。

如表3所示，絕緣層材料應盡量選用氟塑料、交聯聚乙烯，在一些需要軟結構的場合或工藝限制的場合可以選用乙丙橡膠和硅橡膠；盡量不要選擇聚氯乙烯和阻燃聚烯烴作為電纜的絕緣材料。

3）屏蔽層與接地導體

變頻系統用電纜的屏蔽層應盡量實現屏蔽覆蓋率100%。根據電纜的結構尺寸和加工工藝的便利，可以分別采用鋁塑復合帶繞包/鍍錫銅絲編織/銅帶繞包等結構或它們的組合來實現。

對于低壓變頻系統用電纜，接地導體一般采用三分裂絕緣線芯（或裸導體）對稱分布的結構；對于中壓變頻系統用電纜，接地導體須采用銅帶/銅絲復合結構來保證電纜的接地回路具有足夠低的直流電阻，這樣的結構中屏蔽層和接地導體是合二為一的。

接地導體的截面之和應盡量接近主絕緣線芯的導體截面積。根據制造工藝的實際情況，根據實際的制造工藝，低壓變頻系統用電纜的接地導體的截面大致可按照表4的規定進行選擇。

對于中壓變頻系統用電纜，其接地導體截面應根據系統的設計參數（傳輸電流、過電流及保護情況）進行細致的核算。

4）外護套材料

根據電纜的實際使用環境和實際制造工藝進行選擇，符合一般工業標準即可。

3.4 特殊試驗考核方法

變頻系統用電纜與常規系統用電纜的考核項目基本一致，但基于使用條件的特殊性，其考核項目須包含下列兩個特殊項目:

1）變頻耐壓試驗

變頻系統的運行與常規電纜的最大的區別在于高次諧波的加速老化效應。在進行產品的型式試驗考核時，必須考慮如何體現高次諧波的效應。目前國內在進行該類電纜的型式試驗考核時多采用GB/T 3048.13-2007規定的沖擊電壓試驗來表征電纜在高次諧波的耐壓水平。誠然沖擊電壓的波形中包含了豐富的高次諧波，但無論操作過電壓還是雷電過電壓均是為了模擬電力系統在遭遇誤操作或雷電時可能遇到的過電壓情況，與電纜在實際變頻系統中運行時的電壓情況大不相同。

表3

表4

a 50Hz

b 200Hz

400Hz

圖3為模擬某工程運行時，100m電纜在負載情況下運行的實際波形。從波形圖中可知:（1）基于電力電子器件的變頻系統運行時波形外廓基本為正弦波形，同時根據實際的運行負載的不同，正弦波形上多有不同的“毛刺”存在，這樣的毛刺即包含了豐富的高次諧波，是變頻電纜電氣壽命縮短的關鍵。（2）實際運行的波形與GB/T 3048.13-2007規定的沖擊波形大不相同。

采用GB/T 3048.13-2007作為電纜耐受高次諧波能力的考核方式是在沒有專用的變頻耐壓試驗設備情況下的權宜之計。隨著變頻系統用電纜產品的逐步推廣，相關試驗機構正在逐步建立專用的變頻耐壓試驗平臺。

2）電磁屏蔽試驗

根據電纜的屏蔽層結構和材料的不同，選擇合適的電磁屏蔽試驗來考核電纜的電磁屏蔽試驗:（1）轉移阻抗試驗；測試電纜屏蔽層的轉移阻抗。一般認為在100MHz測試時電纜屏蔽層的轉移阻抗應不大于100Ω·m；當然指標值應根據電纜的結構尺寸大小有所調整。（2）屏蔽抑制系數試驗；在條件允許的情況下，應該進行電磁屏蔽抑制系數的試驗，應證明電纜具有明顯的屏蔽抑制效果即屏蔽抑制系數應不大于0.7。

4 結束語

本文從標準制定的角度討論了變頻系統用電纜在制定過程中應著重考慮的問題，希望能為標準的制定提供參考性意見。雖然變頻系統用電纜在國內還沒有產品標準，國外也沒有可以直接采用的標準，但隨著該類產品的技術以及應用實踐的不斷深入，業界各方都對其展開了研究，一定程度上奠定了制定行業標準或國家標準的基礎。

[1]E.J.Cable Design for PWM Varialble Speed AC Drives[C],IEEE Petroleum and Chemical Industry Conference,Sep,1998.

[2]G.Skibinski,J.Pankau.Generation,control and regulation of EMI from AC drives[C],IEEE industry Application Conference,Oct 1997.

[3]Ronald Tessendorf.AC Drive cable selection[C].The conference proceedings of the 2009 iron&Steel Technology conference and ecposition.

[4]丁曉青.變頻電機用交聯聚乙烯絕緣電纜的發展[J].電線電纜.2002(6):5-7.

[5]唐崇建.變頻系統用電力電纜結構及相關性能要求[J].電氣技術.2006(8):57-61.

[6]邱昌容,曹曉瓏.電線與電纜[M].西安:西安交通大學出版社,2002.