低壓變頻器配電末端過電壓的工程抑制方法

宋鵬飛

（湖北省化學工業研究設計院，湖北 武漢 430074）

在化工企業中，因現場環境惡劣，且受規范限制，廠區多采用集中設置變配電所的方案，造成部分變頻器到電動機端的配電線路長度過長（一般可達300m，個別情況下，甚至可達500m以上）。這導致末端電機絕緣結構承受的介電應力要比由常規工頻交流電源時高[1]。過電壓長期存在會影響電機絕緣壽命。本文就降低長距離末端電機過電壓的工程做法進行方案分析。

1 變頻器輸出過電壓的產生及危害

1．1 長電纜末端產生過電壓的原因

變頻器經SPWM調制后，輸出不同頻率和寬度的振幅固定的矩形電壓波形。變頻器端輸出的電壓振幅不會超過變頻器內直流總線電壓的1倍標幺值[2]?，F代高速開關器件的使用提高了變頻器的性能，降低了開關損耗，但變頻器輸出電壓上升時間僅有50ns～400ns，由此產生了負面的影響。

因為在長距離輸電時，電纜的電容不可忽視，充電電流會隨著電纜長度的增加而增大，PWM電壓在進行電壓幅值切換時，在脈沖的前后沿，電壓對時間的變化率du／dt非常大。電動機端過電壓的計算公式為：

式（1）中：U為電纜末端電壓，Z為電纜電阻，C為電纜電容，du／dt為PWM調制波瞬變電壓。

由式（1）可以看出，由于電纜電容的存在，瞬變電壓（du／dt）產生脈沖充電電流，并在電纜電抗Z上產生了尖峰過電壓。變頻器輸出端及電動機受電端相電壓浪涌曲線實測圖如圖1所示。這個電壓突增與變頻器輸出脈沖電壓上升時間、接線電纜長度、電動機阻抗有關，最高電壓突增可達變頻器直流電壓的 2 倍[3]。

圖1 變頻器輸出端及電動機受電端相電壓浪涌曲線實測圖（2ms／每格）

此外，長距離輸電電纜末端產生的尖峰過電壓也可以用長線電纜的行波反射理論進行解釋。

1．2 變頻器長電纜末端過電壓的危害

電動機端過電壓加劇了電動機絕緣繞組的壓力，使系統可靠性下降，故障率增加。這些隱形的危害往往容易被人忽視，但它帶來的損失可能會超過變頻器本身的造價。降低PWM變頻長電纜末端的過電壓具有重要的工程和經濟價值。

2 抑制長電纜末端過電壓的工程方法

2．1 應盡量避免低壓配電半徑過長

配電距離不大于100m時，變頻器可不設任何附加措施直接使用。當電纜配電距離不超過300m時，抑制電動機端過電壓采用常規的電抗器、du／dt濾波器等方案就可以滿足要求。

所以，在規劃總平面圖布局時，應盡量保證低壓配電半徑不超過250m，可以有效限制尖峰過電壓的峰值[4]。此外，距離過長時線路壓降過大，為保證電動機末端電壓偏差為±5%，需要擴大電纜線徑，大幅增加電纜造價。

2．2 采用非屏蔽電纜

以三相三線低壓電纜為例，分析其分布電容。以Lu相為例，并聯的分布電容有：對相線Lv的電容 Cu－v，對相線 Lw的電容 Cu－w，對絕緣層的電容 C1，對屏蔽層（或鎧裝層）的電容C2，對大地的電容C3。三相線電纜電容示意圖如圖2所示。由此可知，Lu相總的分布電容為：

圖2 三相線電纜電容示意圖

Lv相總的分布電容為：

Lw相總的分布電容為：

因為三相電纜是對稱分布的，所以 Cu－v＝Cu－w＝Cv－w＝Cv－u＝Cw－v＝Cw－u，因此 Cv＝Cv＝Cw。根據電容的計算公式：

式（5）中ε為介電常數，由電容兩極之間的介質決定（聚氯乙烯的 ε＝3．4，橡膠的 ε＝3）；S 為兩極板之間的正對面積；k為靜電力常量。

由此可知：電纜長度越長，兩極板間的正對面積S就越大，分布電容就越大；若采用非屏蔽電纜，則C2＝0。非屏蔽電纜的分布電容比屏蔽電纜或鎧裝電纜的電容值小。

綜上，采用無屏蔽層的非鎧裝電纜可有效降低長距離輸電時電動機端的脈沖過電壓，而非屏蔽電纜產生的高頻干擾可通過有效接地、采用帶屏蔽層的控制電纜與控制電纜間距布置來解決。

2．3 加輸出電抗器

由式（1）可知，如果能降低 du／dt，就可以降低長電纜末端的過電壓。本文以變頻器設計提供的實驗數據為例。

輸出電抗器是在變頻器輸出端增設電抗器，從而調整PWM的輸出波形，補充長距離電纜的充電電流，降低du／dt，降低尖峰電壓值。輸出電抗器（3%）末端過電壓如圖3所示，增設輸出電抗器，峰值電壓上升時間延遲了約5μs，脈沖峰值下降到約792V。

圖3 輸出電抗器（3%）末端過電壓

當配電距離大于100m但不超過300m時，優先采用輸出電抗器的做法，造價低，占用電柜空間小，但不同廠家變頻器的性能及附件不同，具體做法應與變頻器廠家技術部分人員協商確定。

2．4 加 du／dt濾波器

當配電距離超過300m時，應和變頻器廠家技術人員協商采用的方案，一般考慮采用增加du／dt濾波器，輸出du／dt濾波器末端過電壓如圖4所示。

圖4 輸出du／dt濾波器末端過電壓

du／dt濾波器又稱限壓濾波器，由電感、電容、電阻或二極管構成，可以限制du／dt值，降低電壓幅值，增加峰值電壓上升時間。因為其中設有電阻，所以會增加約 0．5%～1．0%的額外損耗。

在低壓柜設計時，因du／dt濾波器模塊較大（W×H×D＝300×500×200），在電柜設計時應預留后期安裝空間。

2．5 其他方法

（1）如距離過長（＞500m），可考慮電動機端子處增設線端裝置，使電動機阻抗與之匹配，可防止電壓反射，從而降低電壓應力。但在工程設計時，電動機阻抗特性、電纜參數及長度均難以確定，工程實踐中一般不采用這種做法[5]。

（2）變頻器出口增加正弦濾波器也可以有效降低電壓應力，其本質上是低通濾波器，可以濾除高頻分量，但其價格昂貴，此外不適用對動態性能要求高的場所。

3 變頻器廠家的配電距離表

本文以施耐德的變頻器AVT610系列為例，受長距離電纜末端過電壓的影響，不同配置情況下最遠配電距離參數見表1。

表1 變頻器長距離配電距離表

4 結論

對超過100m的輸電距離，在配電柜變頻器處應根據電纜長度，由變頻器廠家選配相應型號的變頻器及配件（輸出電抗器、du／dt濾波器、正弦濾波器等）。

在選擇電動機型號時，應檢查電動機的電壓應力耐受能力，確保變頻器產生的電壓應力低于電動機繞組絕緣結構的重復電壓應力耐受能力。