大功率变频电机专用电缆的研制

2012-09-28卫国升

电线电缆 2012年2期

卫国升

(远东电缆有限公司，江苏宜兴214257)

0 引言

近年来，变频调速装置凭借其节能、省力、易于自动控制的显著优势，成为电力传动的中枢设备，促使变频调速技术越来越广泛地深入到各行各业中。据中国自动化网报道，由于在大功率电机上普遍采用了变频调速技术，不仅可节能30%，并且能实现电机的软启动，使电机工作平稳，电机轴承磨损减小，延长电机的使用寿命和维护周期。但与之相对应的用于连接变频器和变频电机的供电电缆，在实际安装中却是采用普通电力电缆，这已成为影响变频器和变频电机工作效率的主要因素。

本文主要阐述我公司大功率变频电机专用电缆的研制情况，以8.7/10 kV级交联聚乙烯(XLPE)绝缘电缆为例，对电缆结构设计、材料选择、制造技术工艺、产品性能等进行了探讨。

1 产品设计

1.1 总体结构设计

对于变频器—变频电缆—变频电机这样的电气传动系统，变频器工作时不可避免地会产生高次谐波电流和高次谐波干扰。电力电缆作为传输电力的载体，如果没有特殊的设计结构，就会使谐波危害程度加倍。因此，要求变频电缆一方面不受外界干扰，另一方面不干扰其它相邻电气设备，以提高整个变频传动系统的用电安全性，实现电气参数的匹配。

还有一个问题是必须避免电流和电压发生谐振。由于高次谐波的存在，一旦某次谐波与变频器或电动机一侧电流或电压发生谐振，这个谐振频率接近于谐波源的某个谐波频率时就会产生很高的谐波电压［1］，导致电气设备严重烧毁的后果，而这类谐振与电缆长度有关，一般希望电缆有较高的谐振点，也就是说希望电缆的电感电容的乘积的平方根有较小值，这样就可以得到较大的电缆长度而不发生谐振。

对于具有公共金属屏蔽的三相平衡系统，因线芯通过的三相电流的相量和为零，故在公共金属屏蔽层中的感应电压相量和也为零［2］。当产生的高次谐波，经多次反射会出现波峰与波峰或波谷与波谷叠加的情况，电缆越长这种现象越明显，兼之电缆这个大的电容本身对高次谐波就有放大的作用。电缆屏蔽采用分屏蔽和总屏蔽的结构，屏蔽效果更好，明显提高电缆抗电磁辐射性能，减少高次谐波的不良影响。

1.2 导体结构设计

低压变频电力电缆一般常采用符合GB/T 3956—2008要求的5类软铜丝绞合导体，但8.7/10 kV电缆电压等级高，因此在GB/T 12706.2—2008规定导体采用紧压圆形结构［3］，可以明显改善电场均匀分布，以防止尖端放电破坏绝缘品质。

1.3 电缆绝缘设计

对于选用一般电力电缆，如XLPE绝缘聚氯乙烯护套电缆，由于电缆本身耐压水平较高，很少发生电缆本体击穿，却为何在工频下能长期运行而变频下几小时内击穿?事实证明这绝不是老化问题，基本可归结于高频脉冲电压冲击的缘故。

由于高次谐波的频率为基波的3～8倍，因此由电感、电容产生的阻抗占比率与基波相比要大得多，这足以引起对无功损耗的重视［4］。变频电源的频率调节范围较宽，不论频率高低，具有一个主频率的波形轮廓。它包含了许多高次谐波，作为一种行波经多次反射，幅值叠加可达到工作电压的数倍，电缆越长，幅值越高，若电缆绝缘安全系数不高，就会击穿。为使电缆能够安全长距离传输，要求8.7/10 kV变频电缆具有优异的绝缘性能，故8.7/10 kV电缆厚度适当加厚，采用5 mm厚度的高介电XLPE材料作为变频电缆的绝缘，采用导体屏蔽、绝缘、绝缘屏蔽三层共挤的方式，层间光滑，均化电场，提高绝缘性能，可应对高频脉冲反射叠加电压的冲击。

1.4 电缆对称性设计

变频器和变频电机之间的电缆，由于结构不对称平衡，电缆的电场、磁场始终处于不平衡状态，传输阻抗高，高次谐波发射量大;要求电缆必须采用电气对称的结构，普通电力电缆是将三根绝缘线芯采用铜带屏蔽后成缆，而变频电缆是由铜丝疏绕加铜带反向间隙绕包屏蔽后挤包分相护套，然后对称成缆(见图1)。良好的对称电缆结构有更好的电磁相容性，能抑制电磁波干扰，提高电缆的抗干扰性能。

1.5 电缆屏蔽结构设计

电缆屏蔽采用分相屏蔽和总屏蔽的结构，分相屏蔽如上所述一般采用铜丝疏绕加铜带反向扎紧组合屏蔽方式;总屏蔽结构采用氩弧焊皱纹铜套屏蔽方式。由于电缆的总屏蔽采用氩弧焊皱纹铜套结构工艺，实现了整个电缆便于弯曲、完全密封屏蔽效果，屏蔽抑制系数小于0.01，能有效地抑制高次谐波、电磁波的辐射和传导，达到了电缆各项电气参数的对称平衡，在含有高次平衡状态下(包括电感、电容等各种电气参数)，传输阻抗低、高次谐波发射量小［5］。电缆处于最佳状态而充分地发挥其绝缘水平，确保在高频脉冲发射作用下保持性能稳定，安全可靠，并具有良好的综合性能，适应多种敷设环境，保证电缆运行长期可靠。

图1 铜丝疏绕加铜带屏蔽后分相护套结构变频电缆

1.6 屏蔽层接地方式

屏蔽层接地良好是抑制电磁波对外发射的必要条件，铜线的接地方式比较容易解决，即金属屏蔽和变频电机外壳一并接地;而皱纹铜套屏蔽需用专用夹具接地，夹具与皱纹铜套的接触面应当吻合，接地线由夹具尾端引出接地即可。

2 材料的选用

高次谐波加在电缆两端时，电缆承受相当大的的高频脉冲过电压、过电流，导致绝缘易老化、击穿，且电缆越长，电缆中过电压、过电流越严重，发热更甚。因此，有效减少电缆的电容，才能减小绝缘损耗和容性过电流;低电容要求电缆绝缘材料应选用低介质常数和耐电晕强度较高的材料。

电缆采用5 mm厚度的高介电XLPE作为电缆的绝缘，电缆绝缘性能好、介电性能高，能经受高频脉冲反射叠加(2～3倍)电压的长期不断冲击。

电缆分相护套、内护层、外护套采用低烟无卤阻燃聚烯烃环保材料，电缆在制造加工、运输、敷设及使用过程中，无有毒有害物质产生，极大地保护了自然资源与生态环境。

3 电缆电气性能设计

变频电缆除满足GB/T 12706—2008标准外，还增加了电容和电感等性能要求;根据变频电缆的实际使用情况并参照GB/T 12706—2008和ABB公司对电力传动电缆的技术条件，确定电缆电气性能参数。例如，BP-YJTW02 3×300+3×50-8.7/10 kV，其部分电气性能参数见表1。

表1 电气性能

4 电缆的主要制造技术工艺控制

4.1 绝缘线芯三层共挤的交联工艺

绝缘三层共挤的交联质量直接影响电缆的电气性能，在生产过程中，我们特别注重原材料的净化，屏蔽与绝缘材料挤包紧密性，控制绝缘偏心度和绝缘外径的均匀一致，这样可减少界面效应，提高电缆的电气性能。

交联温度(包括挤塑温度和交联硫化温度)、挤出速度是交联质量好坏的关键，通过诺基亚交联度曲线计算和实际生产的调试、总结，记录绝缘厚度和生产速度与交联硫化温度的合理关系，绘制准确的交联曲线关系图，确定合理的交联工艺，指导交联生产。

4.2 结构对称的成缆工序

由于要求电缆结构对称，成缆时必须保证绝缘线芯的放线张力保持均匀、成缆节距较同规格的电力电缆要小一些、填充要饱满圆整等，确保电缆结构稳定、外观圆整，否则会引起结构变化，导致电容和电感的不均匀性，影响电缆的电气性能。

4.3 氩弧焊皱纹铜套的总屏蔽工序

我公司采用氩弧焊皱纹铜套总屏蔽，其结构和工艺先进，形成了全封闭金属层，只要铜套厚度相当，完全达到优良的屏蔽效能，保证抑制电磁波对外、对内的发射。

氩弧焊皱纹铜套工艺是采用厚度均匀的铜板，经清洗、精切、纵包、焊接、在线检测、轧纹过程来实现的;该工艺是在氩气和氦气保护下，铜板为负极，钨极为正极，通过低电压、大电流来完成;钨极焊头只有2 mm的直径，并且由保护气体连续吹向焊点处，迅速带走热量，使焊接部位均匀快速冷却，电缆结构不会受到任何不良影响，同时也避免铜套的高温氧化。

采用先进的氩弧焊接技术，并装有超声波等在线检测装置，保证了焊接的密封性，为了检验是否还有漏焊，我公司又加了一项中间检验装置，将整盘焊接后的电缆进行气密性试验，且进行百分之百的检验，该生产工艺技术性能稳定可靠。