變頻器輸出諧波對電纜絕緣影響的實例分析及對策

楊 楠

（中天合創(chuàng)化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317）

變頻器輸出諧波對電纜絕緣影響的實例分析及對策

楊 楠

（中天合創(chuàng)化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317）

以某化工公司合成橡塑裝置 101線擠壓機電纜故障處理為工程實例，從變頻器的工作原理出發(fā)，詳細分析逆變器高次諧波的產(chǎn)生機理，進而對諧波函數(shù)進行功率運算，得出熱效應積累加速電纜絕緣老化的結(jié)論，并結(jié)合預防性試驗的工作經(jīng)驗，提出解決方案。

變頻器；諧波；電纜；熱效應；絕緣

在2015年夏季的一次洪災中，某化工公司合成橡塑裝置8條生產(chǎn)線全部被洪水及淤泥嚴重侵蝕，其中101線在經(jīng)過5天緊急搶修后投產(chǎn)，然而其擠壓機電機電纜在運行54h后發(fā)生短路故障，使生產(chǎn)線再次停工。本文通過對變頻器輸出諧波的分析，得出熱效應積累加速電纜絕緣老化的結(jié)論并總結(jié)實踐經(jīng)驗。

1 系統(tǒng)概述

1.1 變頻器

變頻器是實現(xiàn)將頻率不變（一般為工頻50Hz）的電量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率在一定范圍內(nèi)可調(diào)功能的電力電子設備，通常情況下，變頻器由整流器、逆變器、主板芯片、控制電路等元件構(gòu)成。

1.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

本文中的“變頻調(diào)速系統(tǒng)”是指由作為原動機的電動機、作為電能傳輸和變換設備的電纜及變頻器、起到保護和控制作用的電抗器和供電回路，以及從動設備構(gòu)成的系統(tǒng)。

如圖1所示，電動機在頻率變化的電源作用下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場原理，以變化的速度運轉(zhuǎn)，并與傳感器、DCS等工控設備實現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 應用概況

2.1 生產(chǎn)流程

某化工公司合成橡塑裝置的基本工藝流程可以概括為：聚丙烯、聚乙烯等顆粒料成品在該裝置中經(jīng)過下料、添加、混合、攪拌后，與特種添加劑產(chǎn)生反應，并通過擠壓、切粒、干燥、包裝等工藝處理，生成具有特殊物理性能的工程塑料，因此，該裝置的功能是熱塑性樹脂的二次造粒（如圖2所示）。

圖2 合成橡塑擠壓造粒生產(chǎn)流程（簡圖）

擠壓機電動機 M-4101是整條生產(chǎn)線的原動設備，該電動機由變頻調(diào)速系統(tǒng)控制。擠壓機組主要電氣設備參數(shù)見表1。

表1 擠壓機組主要電氣設備參數(shù)

2.2 故障簡介

圖2所示的生產(chǎn)線在一次洪災中被嚴重摧毀，隨著搶修工作的有序開展，生產(chǎn)線逐步恢復生產(chǎn)，而當擠壓機運行54h后，其變頻器突報“B、C相電流越限”，保護動作使擠壓機停車，經(jīng)過分析定位，確認故障為擠壓機電纜B、C相間短路。

故障發(fā)生后，試驗人員從變頻器輸出側(cè)諧波電流的產(chǎn)生原理、波形等方面進行了詳細探討，并結(jié)合故障電纜的實測數(shù)據(jù)來綜合分析其原因。

3 諧波電流分析

3.1 產(chǎn)生機理

在三相橋式逆變器工作過程中，分成3組的多只晶閘管由于導通和關斷產(chǎn)生非線性電流/電壓，造成波形上的畸變。根據(jù)傅里葉積分原理，畸變后的波形可分解成一系列頻率不同的正弦波，其中0次正弦波成為基波，其余波形按分解后得到的頻率分數(shù)成為3次、5次、7次諧波等。

三相橋式逆變電路的接線如圖3所示，對于電流型逆變器，輸出電流為畸變后的方波。

圖3 三相橋式逆變電路接線圖

3.2 擠壓機變頻器簡介

擠壓機變頻器的輸出單元采用電壓型逆變器，在 SPWM調(diào)制作用下輸出電壓在理想狀態(tài)下為頻率變化的方波，經(jīng)過感抗作用后，輸出電流為正弦波，由于在開關元件動作瞬間，感性電路的存在使每只晶閘管所承受的電壓不能突變，在瞬態(tài)過程造成輸出方波電壓的畸變，進而造成輸出電流的畸變。

3.3 逆變器輸出波形

在擠壓機故障發(fā)生后，為了準確分析故障發(fā)生的暫態(tài)過程，試驗人員針對電氣參數(shù)相同的另一條生產(chǎn)線，用波形分析器測得變頻器在 50Hz頻率下輸出電流的波形。

從圖4中可以看出，每相電流波形在周期性變化過程中均帶有一定的“鋸齒”，即變頻器的輸出電流在逆變器的作用下，較之理想的正弦波發(fā)生了明顯的周期性畸變。

圖4 102線擠壓機變頻器輸出電流波形

3.4 熱效應評價

為了進行電流的熱效應計算，將圖4中C相電流波形近似等效成局部呈現(xiàn)周期性波動的鋸齒波，且整體呈現(xiàn)正弦趨勢變化的波形，并將其某半周期變化波形投影在平面直角坐標系下，如圖5所示。

圖5 近似等效半周期波形

由于導體發(fā)熱功率 P=I2R，對于特定的電纜線路，電阻R為常數(shù)，因此可以用電流的平方來評價其熱效應，對于圖5中第一階段的正比折線及3個三角波，應用式（1）進行熱效應積分運算：

用同樣方法對第2至8段波形函數(shù)進行積分計算后，將分段函數(shù)的等效電流平方值列于表 2（計算過程略）。

表2 等效電流平方值

則在近似等效電流的半波內(nèi)，電流等值熱效應為

由式（2）、式（3）得P/P′=2220/1514≈1.82，近似計算的結(jié)果可以反映出：變頻器輸出諧波電流的熱效應較之理想正弦波電流，約有82%的增加。

4 諧波電流對電纜的影響

4.1 加速絕緣老化

在處理好短路點后，試驗人員在33℃環(huán)境下測得101線擠壓機及完好狀態(tài)下102線擠壓機電機電纜的相間直流電阻并計算其不平衡度見表3。

換算成每相直流電阻并計算其三相平均值，見表4，則兩條線擠壓機電纜直流電阻差如下。

表3 101、102線電纜相間直流電阻/Ω

表4 101、102線電纜每相直流電阻/Ω

電纜直流電阻數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明：

1）101線擠壓機電纜直阻的相不平衡度遠超標準值（2%）。

2）與102線相比，101線擠壓機電纜的每相電阻值有明顯增加，幅度約為27%。

根據(jù)以上分析可以得出：雖然經(jīng)過檢修，但由于受到惡劣環(huán)境影響，電纜直流電阻值顯著增大，在諧波電流熱積累的作用下，加快了絕緣層的老化速率。

4.2 渦流效應

雖然擠壓機電機采用三芯電纜，穩(wěn)態(tài)情況下的渦流發(fā)熱現(xiàn)象基本得到遏制，然而，三相電流在諧波電動勢的影響下，仍然存在較大的不平衡分量，且由于晶閘管或 IGBT等開關元件的頻繁換向，該不平衡電流是一直存在的，隨著每相開關元件合閘角度的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)律變化特性，其產(chǎn)生的渦流效應是不可忽略的。

合成橡塑生產(chǎn)裝置多數(shù)電纜在其路徑中均有穿鋼管敷設部位，由于渦流效應的存在，鋼管導體會感應出渦流，造成鋼管發(fā)熱，可能加快與電纜結(jié)合部位，尤其是管路邊緣受力處的老化程度。

5 解決方案

5.1 提高絕緣水平

在進行諧波電流熱效應分析的同時，試驗人員也發(fā)現(xiàn)了電纜本身在絕緣性能方面的缺陷，在處理故障過程中，提出更新電纜的建議并得到了采納，電纜的更新大大提高了絕緣水平。

5.2 改善運行環(huán)境

故障的原因雖然不能直接歸結(jié)于散熱問題，但合成橡塑廠房內(nèi)設備集中，門窗較少且缺少附加通風設施，在炎熱的夏季易造成電氣設備散熱不良；電纜溝空間異常狹小并加裝金屬蓋板，在抽取故障電纜過程中發(fā)現(xiàn)溝內(nèi)仍有多處潮濕現(xiàn)象，反映出檢修的不徹底，因此，在正式恢復供電之前對上述問題進行了集中整改，使電氣設備的運行環(huán)境得到了改善。

5.3 長遠方案

參照101線擠壓機電纜故障處理案例，在隨后的檢修中更換了102線擠壓機的電纜并安裝了匹配的電抗器；針對設備完全被摧毀的108、109線，提出了申報設備更新項目，采用具備多電平及多重化逆變器功能變頻器的建議，以從根本上消除輸出諧波。

6 效果評價

在擠壓機電纜故障處理后，101線再次恢復生產(chǎn)，在電動機運行36h時間內(nèi)，試驗人員對101線新更換的電纜及102線舊電纜各選取4處部位進行了運行溫度監(jiān)測（見表5）。

表5 檢修后電纜的實測溫度/℃

實測數(shù)據(jù)表明：101線擠壓機新電纜各部位溫升均在允許范圍內(nèi)，且明顯低于未更新電纜的 102線，其運行狀況有了本質(zhì)上的改善。101線擠壓機在更新電纜后實現(xiàn)了安穩(wěn)運行。

7 結(jié)論

1）對于經(jīng)受過臟污、受潮等惡劣環(huán)境影響的變頻回路動力電纜，在除污、干燥等常規(guī)檢修項目完成后，應進行直流電阻的精確測試，尤其對于逆變輸出諧波含量高，且未采取額外消諧措施的變頻調(diào)速系統(tǒng)，必須進行符合實際的諧波電流計算，綜合評價其熱效應，以確認電纜的熱穩(wěn)定性可以充分滿足繼續(xù)使用條件，否則，必須更換電纜。

2）鑒于三相橋式逆變電路在“換相”過程中，由于存在較大含量的不平衡諧波電流，導致“渦流”效應的發(fā)生，建議變頻器輸出側(cè)電纜避免穿過金屬封閉的管路，且應盡量敷設在通風條件良好的路徑上，以降低渦流效應的潛在影響。

［1］黎冰.變頻器實用手冊［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2011.

［2］中國建筑標準設計研究院組織.低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及治理［M］.北京：中國計劃出版社，2011.

［3］萬健如，林志強，禹華軍.變頻器諧波對負載影響的仿真分析［J］.電力電子技術，2001，35（5）：52-54，38.

［4］魏華勇.電力電纜施工與運行技術［M］.北京：中國電力出版社，2013.

The Affection of Insulation for Power Cable by Harmonic of Transducer Output Analysis and Solutions

Yang Nan
（Zhong Tian He Chuang Chemical Industry Company，Oldos，Inner Mongolia 017317）

Regard one power cable fault of the 101th Line extruder generator pertained to one chemical corporation's Synthetic Rubber And Plastic production unit as an instance.Start from the operating principle of transducer，analyze the mechanism of high-order harmonic produced by inverter，and then take a computational analysis of the harmonic functions' power，reach a conclusion that accumulation of heating effect accelerates the cable insulation's worse，and propose some effective solutions combined with the experiences of electric engineering precautionary tests.

transducer； harmonic； cable； heat effect； insulation

楊 楠（1983-），男，遼寧錦州人，本科，工程師，主要從事石化企業(yè)工廠供電系統(tǒng)運行管理工作。