變頻電纜知識

      近二十年來變頻調速電機在國內外有很大的發展，年增長率略超過10% ，而直流傳動年增長率為3-4% 。變頻電機具有較多的優點，如設備投資費用少，結構簡單，體積小，成本低，節能，調速范圍大，具有恒功率、恒轉速的特性，使用方便，容量大等等。因此當前在冶金、礦山、鐵路等工業方面廣泛地使用，最近在家用電器同樣也大量應用。

變頻調速技術關系到變頻電機、變頻電源和連接電纜，這段電纜長度并不很長，截面也不很大，絕緣性能屬于電力電纜范疇，因為實際的工作頻率為30～300 Hz ，常簡稱為變頻電纜，當前常選用交聯聚乙烯為絕緣材料。

大概三十年前，電纜研究所開發和生產過中頻電纜，這也可稱得上是目前變頻電纜的前身，其工作頻率為100～400 Hz ，提供電源的設備是由直流電機驅動的中頻發電機組，改變直流電機轉速來調節發電機的輸出頻率，中頻電壓的波形能維持形狀規則的正弦波，當時電纜的設計思路是降低線路阻抗和集膚效應，采取同軸電纜和擴大內導體直徑，電纜在冶金工業上應用效果十分良好。

目前的變頻電源是通過可控硅元件調頻，較大程度上改變了波形特性，從而對電機和電纜帶來了新問題。

一、變頻電纜的工作特點

1.脈沖電壓對絕緣的影響 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數倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數不高，可能被擊穿。石油開采用3000多米長的潛油泵電纜，在工頻下能長期正常運行，可是在變頻條件下，電纜才投入運行數小時即發生擊穿，說明脈沖過電壓的危害性，所以預防是必要的。由于交聯絕緣電力電纜的耐壓水平較高，電纜長度一般在300米以內，多年來的運行未發生擊穿事件，盡管如此，絕緣厚度及工藝應加以重視，實心絕緣是可靠的，繞包絕緣是不適合的。

2.電纜本體對外發射電磁波 一般變頻家用電器為單相供電，長度很短，功率也較小，設計時已將變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設置在金屬殼內，抑制了電磁波對外發射。但是在工業領域內，電機功率較大，連接變頻電機和變頻電源之間的電纜長度長，在工作時電纜就是高頻電磁波向外發射的有效載體，對于周圍鄰近地區的通信工具（如無繩電話）或調幅接受器（如收音機調幅波段）將產生干擾，有時情況也比較嚴重，稱之為電磁波的環境污染，國外早已對這種電纜提出要求，國內也很重視，目前各電纜廠制訂了企業標準，今后將會統一制訂行業標準。

3.中性線電流的疊加 完整的三相正弦供電系統，當三相電流平衡時，其中性線的電流為零，若出現三次諧波，則三次諧波的電流分量在中性線內不存在相位差，所以直接疊加成分量得三倍。若變頻原供電對象是三個單相變頻電機，而且處于三相功率分布平衡狀態，則中性線電流更大，中性線截面應不小于相截面。

二、變頻電纜的結構及附加試驗討論 了解變頻電纜工作特點之后，就不難從電纜結構改進來解決上述三個問題。

1.絕緣的電氣擊穿問題 變頻電機大量應用后，大多數情況選用一般電力電纜，如聚氯乙烯絕緣、護套電纜或交聯聚乙烯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。這與上述深井油泵電纜擊穿事故顯然不同，深井油泵電纜采用聚酰亞胺/聚全氟乙丙烯復合薄膜繞包燒結和乙丙橡膠雙層絕緣，從厚度和絕緣密實來看并不理想，油泵電纜長度超過3千米，油井的工作環境嚴酷，電纜處在高溫、高壓、含油和含水的條件中工作，其絕緣性能比較脆弱，當運行過程中受到多種惡劣因素的侵蝕后發生電、熱因子交錯作用而導致絕緣擊穿。為何電纜在工頻下能長期運行而變頻下幾小時內擊穿? 這決不是老化問題，基本上可歸結于高頻脈沖電壓的影響。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯絕緣并不理想，因為其介質損耗偏大。交聯聚乙烯絕緣較為滿意，它兼有機、電、熱等優良性能。電纜絕緣厚度可采用1kV 電壓等級的規定，若適當加厚，當然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。

2.高頻電磁波對環境污染問題 雖然目前沒有國家規范規定電纜發射電磁波造成環境污染的考核指標，但抑制對外高頻干擾是必須做到的。對于四芯低壓電纜，首先是改善絕緣線芯的排列，假如電纜的四個芯直接成纜，是不對稱結構，如果將第四芯分解為三個截面較小的絕緣芯，把三大三小線芯對稱成纜,二種情況相比較，對稱型比較有利。第二應認為更重要的是加強總屏蔽結構。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、屏蔽效應不是最理想。采用銅帶搭蓋縱包并軋紋是較為先進的結構和工藝，形成了全封閉金屬層，只要厚度適當，可達到有效的屏蔽功能。而這種工藝及其所用的材料在光纜領域中已十分普遍，銅帶厚度不能太薄，以保證抑制電磁波對外發射。

3.屏蔽層接地措施 屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發射的必要條件，銅線編織屏蔽的接地方式較容易解決，而縱包銅帶軋紋屏蔽需用專用夾具接地，夾具與軋紋銅管的接觸面應當吻合，接地線由夾具尾端引出。

4.外護套 這種電纜大多數敷設在室內，一般不需鎧裝，雖然不完全排除用聚氯乙烯護套，但選用高密度聚乙烯更為合適。

5.電纜的附加試驗一般低壓電纜不需要進行脈沖電壓試驗，如IEC 60502 標準僅對 3.6/6 kV 及以上的電纜才規定進行脈沖電壓試驗。變頻電機的連接電纜情況略有不同，需要承受高頻脈沖電壓。高頻波振幅可達1200～1900 V ，振鈴頻率約 100～2000 kHz ，對電纜進行脈沖電壓試驗（型式試驗）是體現電纜絕緣水平。試驗可參考IEC 60502 標準，即施加正負各十次脈沖電壓試驗，試驗電壓可考慮 40 kV ，但需要進一步驗證，是否必要工廠也可自行決定。

三、3.6/6 ～ 6/10 kV中壓變頻電纜的發展由于機械裝備大型化，需要電機容量也配套擴大，相應變頻電源的輸出電流也要求增大，但受到大電流變頻元件的限制，進一步提高電流容量技術發展受到限制。但另一方面提高變頻電源輸出電壓相對比較容易，提高電壓后,中壓變頻電機功率可大幅度增加，此時電纜的電壓等級也必須跟上。目前3.6/6 ～ 6/10 kV中壓變頻電纜已有投入使用，從絕緣結構和電氣、機械、物理性能上說，可以與電力電纜等同，交聯聚乙烯顯然是首選絕緣材料，如果在敷設時要求柔軟，采用乙丙橡膠絕緣也有一定的優點。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發射能力明顯增強，所以屏蔽結構要求更完善。在變頻電纜工作條件下，同軸電纜是一種合適的結構，所以變頻電纜的三個主線芯采用同軸結構，總屏蔽的結構與低壓變頻電纜相同。四、結束語變頻電機用交聯聚乙烯絕緣電纜是一種新的系列產品，目前還不能說很成熟，技術上比較容易解決。盡管市場的總需求量并不很大，但這種電纜的發展很有前途，中型及以上的變頻電機應當采用這類專用電纜，至于小型變頻電機用變頻電纜，歸入此范疇也未嘗不可，當前對這類產品的行業標準也可提上日程。

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