浅谈变频系统用电缆标准的制定

2012-06-25上海电缆研究所曲文波陈佶民

电器工业 2012年12期

文/上海电缆研究所曲文波陈佶民

1 前言

随着近二十年来电力电子技术的进步，特别是IGBT器件的出现，变频系统已经广泛地应用于各种工业场合，小到如电机调速，大到如列车驱动、石油开采、船舶推进等场合。在实际使用中发现:在一般电气系统中不被认为是薄弱环节的电缆，在变频系统中却遇到了在一般情况下很少出现的问题，如电气寿命短、电磁干扰严重等。针对这样的情况，变频系统涉及的行业对该类电线产品进行了大量的研究和研发工作，也形成了一定的共识:变频系统用电缆有别于一般的电线电缆类产品，具有独特的技术特点。

2 变频系统对电缆的不同要求

与一般的输配电系统不同的是用于变频系统的电缆面临两个特殊的技术问题。

2.1 高次谐波

在电力工业中电能质量的一个表征指标就是谐波的比例，如发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波波幅的5%，而用于常规输配电系统的电缆基本可以认为在没有谐波的环境下运行。对于变频系统来讲，高次谐波是明显存在的。高次谐波可以等效看作电场老化因子的时间加速试验，必然减少了电缆的电气绝缘结构的寿命；甚至有些场合下奇次谐波的比例可能超过15%[1]，在这样的情况下高次谐波对电缆的影响就比较明显。当使用按照普通输配电网络绝缘强度设计的电缆时，不恰当的绝缘结构设计使得其电气寿命缩短，电缆成为整个系统的“短板”。

对于长距离大功率（超过200m）以上的变频系统线路，由于线路阻抗不匹配产生的驻波问题，谐波的危害会变得更加明显。文献报道，整体线路的某些点可能产生1.85-1.9倍的额定电压[1]，这种情况下电缆的电气寿命会大大的缩短。因此变频系统用电缆的电气绝缘结构与常规的电力电缆有较大不同。

2.2 电磁干扰

变频系统用电缆另外一个显著的特点是电磁干扰问题。由于电缆中传输的信号本身包含明显的高次谐波，可以视为一个“噪音”发射源，变频电缆必须从结构上降低本身的噪音发射能力和内部线路间相互干扰；其次变频系统本身也是一个“噪音”接收源，为避免电力电子器件的误动作或损伤，尽量少的接收错误的外界干扰信号[2]。当然，对于变频系统用电缆来讲，最重要的是降低自身噪声的传播可能性。因此对于变频系统用电缆来讲，从结构上均存在必不可少的电磁屏蔽层，这也是变频系统用电缆与一般常规电力电缆显著不同的地方。

3 产品标准中可能涉及的参数

3.1 电压等级与绝缘厚度

变频系统用电缆的额定电压等级应与整体变频系统的电压等级相匹配，该参数是产品最重要的参数之一，也决定了电气绝缘结构强度即绝缘层厚度。如前所述，由于高次谐波的存在，变频系统用电缆的电气绝缘结构强度与普通的电力电缆应有明显的不同。Ronald认为变频系统用电缆的额定电压等级与采用相匹配的普通电缆额定电压等级如表1[3]，并进行了相关的验证试验。

表1

我国标准体系与表1有所不同，变频系统用电缆可按照表2划分。由于额定电压0.6/1kV及以下电缆的绝缘层厚度本身裕度较大，其绝缘层厚度可基本不变；其余电压等级的变频器电缆应靠上一等级额定电压。对于一些特殊的长距离大功率变频传输系统,绝缘层的厚度可在表2的基础上进行增加，以保证足够的绝缘强度。

表2

3.2 结构

经过多年的研究和开发,变频系统用电缆的基本结构可以分为两类[4][5]:（1）低压变频系统用电缆产品结构；（2）中压变频系统用电缆产品结构。

低压变频系统用电缆主要用于变频系统额定电压在3300V以下的系统。由于工作电场强度较低，绝缘层不需要导体屏蔽和绝缘屏蔽来降低局部场强。该类电缆的基本结构如图1。缆芯中传输能量的线芯3根、接地线芯3根，交叉对称分布；整体缆芯外采用金属屏蔽层结构保证电磁屏蔽特性。

中压变频系统用电缆主要用于变频系统额定电压在3300V及以上系统。由于工作场强较高，除了绝缘层如前所述应采用增强的绝缘层厚度以外，还应增加导体屏蔽层和绝缘屏蔽层来降低局部场强。绝缘线芯外应采用铜丝/铜带复合屏蔽层作为屏蔽层。

3.3 电缆材料

1）导体

对于移动敷设的电缆，导体采用软结构铜丝，应符合GB/T 3956-2008规定的第5类导体。对于频繁移动的电缆可采用更软结构的电缆。

对于固定敷设的电缆，导体可采用符合GB/T 3956-2008规定的第2类导体。

2）绝缘材料

变频系统中消除共模电流的干扰可以减小线芯间相互的干扰。从结构上，电缆的缆芯采用对称的结构目的就是在一定程度上减小共模电流的影响。除了结构上的对称设计外，电缆绝缘层材料的选择也有关键的作用。电缆的共模干扰电流的大小与电缆的工作电容成正比。电缆的工作电容取决于绝缘层材料的介电常数。因此减小共模电流的的干扰，须尽量选用介电常数小的绝缘材料，常用电缆绝缘材料的相对介电常数见表3[6]。

如表3所示，绝缘层材料应尽量选用氟塑料、交联聚乙烯，在一些需要软结构的场合或工艺限制的场合可以选用乙丙橡胶和硅橡胶；尽量不要选择聚氯乙烯和阻燃聚烯烃作为电缆的绝缘材料。

3）屏蔽层与接地导体

变频系统用电缆的屏蔽层应尽量实现屏蔽覆盖率100%。根据电缆的结构尺寸和加工工艺的便利，可以分别采用铝塑复合带绕包/镀锡铜丝编织/铜带绕包等结构或它们的组合来实现。

对于低压变频系统用电缆，接地导体一般采用三分裂绝缘线芯（或裸导体）对称分布的结构；对于中压变频系统用电缆，接地导体须采用铜带/铜丝复合结构来保证电缆的接地回路具有足够低的直流电阻，这样的结构中屏蔽层和接地导体是合二为一的。

接地导体的截面之和应尽量接近主绝缘线芯的导体截面积。根据制造工艺的实际情况，根据实际的制造工艺，低压变频系统用电缆的接地导体的截面大致可按照表4的规定进行选择。

对于中压变频系统用电缆，其接地导体截面应根据系统的设计参数（传输电流、过电流及保护情况）进行细致的核算。

4）外护套材料

根据电缆的实际使用环境和实际制造工艺进行选择，符合一般工业标准即可。

3.4 特殊试验考核方法

变频系统用电缆与常规系统用电缆的考核项目基本一致，但基于使用条件的特殊性，其考核项目须包含下列两个特殊项目:

1）变频耐压试验

变频系统的运行与常规电缆的最大的区别在于高次谐波的加速老化效应。在进行产品的型式试验考核时，必须考虑如何体现高次谐波的效应。目前国内在进行该类电缆的型式试验考核时多采用GB/T 3048.13-2007规定的冲击电压试验来表征电缆在高次谐波的耐压水平。诚然冲击电压的波形中包含了丰富的高次谐波，但无论操作过电压还是雷电过电压均是为了模拟电力系统在遭遇误操作或雷电时可能遇到的过电压情况，与电缆在实际变频系统中运行时的电压情况大不相同。

表3

表4

a 50Hz

b 200Hz

400Hz

图3为模拟某工程运行时，100m电缆在负载情况下运行的实际波形。从波形图中可知:（1）基于电力电子器件的变频系统运行时波形外廓基本为正弦波形，同时根据实际的运行负载的不同，正弦波形上多有不同的“毛刺”存在，这样的毛刺即包含了丰富的高次谐波，是变频电缆电气寿命缩短的关键。（2）实际运行的波形与GB/T 3048.13-2007规定的冲击波形大不相同。

采用GB/T 3048.13-2007作为电缆耐受高次谐波能力的考核方式是在没有专用的变频耐压试验设备情况下的权宜之计。随着变频系统用电缆产品的逐步推广，相关试验机构正在逐步建立专用的变频耐压试验平台。

2）电磁屏蔽试验

根据电缆的屏蔽层结构和材料的不同，选择合适的电磁屏蔽试验来考核电缆的电磁屏蔽试验:（1）转移阻抗试验；测试电缆屏蔽层的转移阻抗。一般认为在100MHz测试时电缆屏蔽层的转移阻抗应不大于100Ω·m；当然指标值应根据电缆的结构尺寸大小有所调整。（2）屏蔽抑制系数试验；在条件允许的情况下，应该进行电磁屏蔽抑制系数的试验，应证明电缆具有明显的屏蔽抑制效果即屏蔽抑制系数应不大于0.7。