大功率變頻電機專用電纜的研制

衛國升

(遠東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

近年來，變頻調速裝置憑借其節能、省力、易于自動控制的顯著優勢，成為電力傳動的中樞設備，促使變頻調速技術越來越廣泛地深入到各行各業中。據中國自動化網報道，由于在大功率電機上普遍采用了變頻調速技術，不僅可節能30%，并且能實現電機的軟啟動，使電機工作平穩，電機軸承磨損減小，延長電機的使用壽命和維護周期。但與之相對應的用于連接變頻器和變頻電機的供電電纜，在實際安裝中卻是采用普通電力電纜，這已成為影響變頻器和變頻電機工作效率的主要因素。

本文主要闡述我公司大功率變頻電機專用電纜的研制情況，以8.7/10 kV級交聯聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為例，對電纜結構設計、材料選擇、制造技術工藝、產品性能等進行了探討。

1 產品設計

1.1 總體結構設計

對于變頻器—變頻電纜—變頻電機這樣的電氣傳動系統，變頻器工作時不可避免地會產生高次諧波電流和高次諧波干擾。電力電纜作為傳輸電力的載體，如果沒有特殊的設計結構，就會使諧波危害程度加倍。因此，要求變頻電纜一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它相鄰電氣設備，以提高整個變頻傳動系統的用電安全性，實現電氣參數的匹配。

還有一個問題是必須避免電流和電壓發生諧振。由于高次諧波的存在，一旦某次諧波與變頻器或電動機一側電流或電壓發生諧振，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［1］，導致電氣設備嚴重燒毀的后果，而這類諧振與電纜長度有關，一般希望電纜有較高的諧振點，也就是說希望電纜的電感電容的乘積的平方根有較小值，這樣就可以得到較大的電纜長度而不發生諧振。

對于具有公共金屬屏蔽的三相平衡系統，因線芯通過的三相電流的相量和為零，故在公共金屬屏蔽層中的感應電壓相量和也為零［2］。當產生的高次諧波，經多次反射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，兼之電纜這個大的電容本身對高次諧波就有放大的作用。電纜屏蔽采用分屏蔽和總屏蔽的結構，屏蔽效果更好，明顯提高電纜抗電磁輻射性能，減少高次諧波的不良影響。

1.2 導體結構設計

低壓變頻電力電纜一般常采用符合GB/T 3956—2008要求的5類軟銅絲絞合導體，但8.7/10 kV電纜電壓等級高，因此在GB/T 12706.2—2008規定導體采用緊壓圓形結構［3］，可以明顯改善電場均勻分布，以防止尖端放電破壞絕緣品質。

1.3 電纜絕緣設計

對于選用一般電力電纜，如XLPE絕緣聚氯乙烯護套電纜，由于電纜本身耐壓水平較高，很少發生電纜本體擊穿，卻為何在工頻下能長期運行而變頻下幾小時內擊穿?事實證明這絕不是老化問題，基本可歸結于高頻脈沖電壓沖擊的緣故。

由于高次諧波的頻率為基波的3～8倍，因此由電感、電容產生的阻抗占比率與基波相比要大得多，這足以引起對無功損耗的重視［4］。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的數倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數不高，就會擊穿。為使電纜能夠安全長距離傳輸，要求8.7/10 kV變頻電纜具有優異的絕緣性能，故8.7/10 kV電纜厚度適當加厚，采用5 mm厚度的高介電XLPE材料作為變頻電纜的絕緣，采用導體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠的方式，層間光滑，均化電場，提高絕緣性能，可應對高頻脈沖反射疊加電壓的沖擊。

1.4 電纜對稱性設計

變頻器和變頻電機之間的電纜，由于結構不對稱平衡，電纜的電場、磁場始終處于不平衡狀態，傳輸阻抗高，高次諧波發射量大;要求電纜必須采用電氣對稱的結構，普通電力電纜是將三根絕緣線芯采用銅帶屏蔽后成纜，而變頻電纜是由銅絲疏繞加銅帶反向間隙繞包屏蔽后擠包分相護套，然后對稱成纜(見圖1)。良好的對稱電纜結構有更好的電磁相容性，能抑制電磁波干擾，提高電纜的抗干擾性能。

1.5 電纜屏蔽結構設計

電纜屏蔽采用分相屏蔽和總屏蔽的結構，分相屏蔽如上所述一般采用銅絲疏繞加銅帶反向扎緊組合屏蔽方式;總屏蔽結構采用氬弧焊皺紋銅套屏蔽方式。由于電纜的總屏蔽采用氬弧焊皺紋銅套結構工藝，實現了整個電纜便于彎曲、完全密封屏蔽效果，屏蔽抑制系數小于0.01，能有效地抑制高次諧波、電磁波的輻射和傳導，達到了電纜各項電氣參數的對稱平衡，在含有高次平衡狀態下(包括電感、電容等各種電氣參數)，傳輸阻抗低、高次諧波發射量小［5］。電纜處于最佳狀態而充分地發揮其絕緣水平，確保在高頻脈沖發射作用下保持性能穩定，安全可靠，并具有良好的綜合性能，適應多種敷設環境，保證電纜運行長期可靠。

圖1 銅絲疏繞加銅帶屏蔽后分相護套結構變頻電纜

1.6 屏蔽層接地方式

屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發射的必要條件，銅線的接地方式比較容易解決，即金屬屏蔽和變頻電機外殼一并接地;而皺紋銅套屏蔽需用專用夾具接地，夾具與皺紋銅套的接觸面應當吻合，接地線由夾具尾端引出接地即可。

2 材料的選用

高次諧波加在電纜兩端時，電纜承受相當大的的高頻脈沖過電壓、過電流，導致絕緣易老化、擊穿，且電纜越長，電纜中過電壓、過電流越嚴重，發熱更甚。因此，有效減少電纜的電容，才能減小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。

電纜采用5 mm厚度的高介電XLPE作為電纜的絕緣，電纜絕緣性能好、介電性能高，能經受高頻脈沖反射疊加(2～3倍)電壓的長期不斷沖擊。

電纜分相護套、內護層、外護套采用低煙無鹵阻燃聚烯烴環保材料，電纜在制造加工、運輸、敷設及使用過程中，無有毒有害物質產生，極大地保護了自然資源與生態環境。

3 電纜電氣性能設計

變頻電纜除滿足GB/T 12706—2008標準外，還增加了電容和電感等性能要求;根據變頻電纜的實際使用情況并參照GB/T 12706—2008和ABB公司對電力傳動電纜的技術條件，確定電纜電氣性能參數。例如，BP-YJTW02 3×300+3×50-8.7/10 kV，其部分電氣性能參數見表1。

表1 電氣性能

4 電纜的主要制造技術工藝控制

4.1 絕緣線芯三層共擠的交聯工藝

絕緣三層共擠的交聯質量直接影響電纜的電氣性能，在生產過程中，我們特別注重原材料的凈化，屏蔽與絕緣材料擠包緊密性，控制絕緣偏心度和絕緣外徑的均勻一致，這樣可減少界面效應，提高電纜的電氣性能。

交聯溫度(包括擠塑溫度和交聯硫化溫度)、擠出速度是交聯質量好壞的關鍵，通過諾基亞交聯度曲線計算和實際生產的調試、總結，記錄絕緣厚度和生產速度與交聯硫化溫度的合理關系，繪制準確的交聯曲線關系圖，確定合理的交聯工藝，指導交聯生產。

4.2 結構對稱的成纜工序

由于要求電纜結構對稱，成纜時必須保證絕緣線芯的放線張力保持均勻、成纜節距較同規格的電力電纜要小一些、填充要飽滿圓整等，確保電纜結構穩定、外觀圓整，否則會引起結構變化，導致電容和電感的不均勻性，影響電纜的電氣性能。

4.3 氬弧焊皺紋銅套的總屏蔽工序

我公司采用氬弧焊皺紋銅套總屏蔽，其結構和工藝先進，形成了全封閉金屬層，只要銅套厚度相當，完全達到優良的屏蔽效能，保證抑制電磁波對外、對內的發射。

氬弧焊皺紋銅套工藝是采用厚度均勻的銅板，經清洗、精切、縱包、焊接、在線檢測、軋紋過程來實現的;該工藝是在氬氣和氦氣保護下，銅板為負極，鎢極為正極，通過低電壓、大電流來完成;鎢極焊頭只有2 mm的直徑，并且由保護氣體連續吹向焊點處，迅速帶走熱量，使焊接部位均勻快速冷卻，電纜結構不會受到任何不良影響，同時也避免銅套的高溫氧化。

采用先進的氬弧焊接技術，并裝有超聲波等在線檢測裝置，保證了焊接的密封性，為了檢驗是否還有漏焊，我公司又加了一項中間檢驗裝置，將整盤焊接后的電纜進行氣密性試驗，且進行百分之百的檢驗，該生產工藝技術性能穩定可靠。

5 結束語

XLPE絕緣變頻電機專用電纜，其屏蔽效果優、耐脈沖反射電壓沖擊性能高、電氣結構平衡對稱，具有防水、防腐、防鼠、防蟻、抗壓、易彎曲、阻燃等綜合性能。該產品經國家電線電纜質量監督檢驗中心檢驗，符合或超過國內外同類產品的性能，完全滿足使用要求。

［1］張 珍.變頻系統長電線電纜的研究及過電壓抑制［D］.大連:大連理工大學，2009.

［2］卓金玉.電力電纜設計原理［M］.北京:機械工業出版社.

［3］GB/T 12706.2—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分［S］.

［4］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，2007，9(4):100-103.

［5］徐 剛，吳 炯.中高壓電力電纜金屬屏蔽結構特性分析［J］.電線電纜，2004(5):19-22.