額定電壓1kV到3kV變頻器用電力電纜

額定電壓1kV到3kV變頻器用電力電纜

標(biāo)準(zhǔn)宣貫胡光政無為●高溝

安徽省無為縣電線電纜行業(yè)協(xié)會2011﹒7﹒15導(dǎo)讀標(biāo)準(zhǔn)制訂的背景相關(guān)理論研究與結(jié)論標(biāo)準(zhǔn)重要條款解讀材料結(jié)構(gòu)試驗類別標(biāo)準(zhǔn)制訂的背景為了實現(xiàn)變頻，必須將電壓和頻率穩(wěn)定的交流電，變換為電壓或頻率可變的交流電，這一裝置稱作“變頻器”。為了產(chǎn)生可變的電壓和頻率，變頻器首先要把電源的交流電變換為直流電(DC)，把直流電(DC)變換為交流電(AC)的裝置，其科學(xué)術(shù)語為“inverter”(逆變器)。后來產(chǎn)品本身就被命名為“inverter”，中文為“變頻器”。標(biāo)準(zhǔn)制訂背景交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)的重要發(fā)展方向，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，市場發(fā)展速度平均增長率達10%；變頻電纜是變頻調(diào)速系統(tǒng)中重要部件，而至目前沒有一部相對規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)；變頻電纜按電壓等級分低壓、中壓二大類，本標(biāo)準(zhǔn)為1kV到3kV級；是電力電纜范疇，因為實際的工作頻率為30～300Hz，常簡稱為變頻電纜。

各種理論與實踐都在不斷發(fā)展中，特別是試驗方法、試驗項目和模型還是在研究中。標(biāo)準(zhǔn)制訂背景變頻品-電纜-變頻電機系統(tǒng)示意圖標(biāo)準(zhǔn)制訂背景相關(guān)理論研究與結(jié)論變頻調(diào)速已經(jīng)成為目前主流的調(diào)速方案，可廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)無級變速傳動。現(xiàn)代變頻技術(shù)是集高頻、高壓和大電流于一身的交流電氣傳動技術(shù)，變頻器具有高效、節(jié)能和智能化的特點，已經(jīng)成為提高能源效率和控制特性、改善機械設(shè)備性能的一個強有力的途徑。變頻系統(tǒng)由變頻器、變頻電機、控制電路組成，變頻調(diào)速按變換環(huán)節(jié)主要分為“交—直—交”和“交—交”兩種。交流傳動與控制技術(shù)已是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。

相關(guān)理論研究與結(jié)論雖然變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中具有無可比擬的優(yōu)越性，具有功率因數(shù)高、起動平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬和使用方便等優(yōu)點，但是由于變頻器要進行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變等非線型電路，故產(chǎn)生高次諧波電流?，F(xiàn)代“綠色”變頻器對高次諧波有較好的抑制作用，因而能減少高次諧波的輻射，而它通過電纜輸出的電力，成了干擾源，對供電系統(tǒng)、負載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是在對防干擾要求比較高的高精度儀表、計算機控制系統(tǒng)等諧波干擾問題尤為突出。所以設(shè)計合適的變頻用電力電纜，才能有效力減少諧波的輻射和污染，減少電機的損耗和發(fā)熱。

相關(guān)理論研究與結(jié)論—變頻技術(shù)存在的問題變頻器產(chǎn)生高次諧波

變頻器內(nèi)存在大量非線性電子組件，使變頻器輸出與輸入的電力不是連續(xù)的正弦波，因而就產(chǎn)生了大量高次諧波。

圖1

高次諧波圖相關(guān)理論研究與結(jié)論—電纜輸送高次諧波電力的危害電纜是輸送電力的載體，電纜輸出的高次諧波是由于變頻器輸出和輸入產(chǎn)生的，研究變頻器諧波特點和危害，才能設(shè)計并應(yīng)用合適的電力電纜。變頻電力電纜產(chǎn)生高次諧波的輻射危害

變頻器的輸出電壓和電流波形如下圖所示●在變頻條件下電力電纜是傳輸經(jīng)變頻器電力“加工”的具有高次諧波的電力，高次諧波的輻射危害主要有：（1）增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱；

電纜輸送高次諧波電力的危害電纜輸送高次諧波電力的危害變頻電力電纜產(chǎn)生高次諧波的輻射危害（2）引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運行；（3）

對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾，影響通信線路通話的清晰度，甚至還會威脅著通信設(shè)備和人員的安全；

（4）

對用電設(shè)備的影響很大，電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴(yán)重時甚至損害機器；

此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示造成不準(zhǔn)確及對裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。

完整的三項供電系統(tǒng)，當(dāng)三項電流平衡時，其中性線芯的電流為零；當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時，經(jīng)過電纜的多次反射，便會出現(xiàn)對此的波峰與波峰或波谷與波谷相疊加的機會，電纜越長疊加機會越多表現(xiàn)得也就越明顯。加之電纜這個大的電容本身對高次諧波就有著放大的作用，對于3+1型電纜，高次諧波產(chǎn)生的電流分量在中性線芯內(nèi)無相位差，這樣一來電流將會疊加成原分量的數(shù)倍，中性線芯在高頻脈沖下很快就會被擊穿。變頻電纜的影響及解決辦法

為了解決這個問題，我們將3+1型的電纜中的1芯分成了三份，以對稱的方式做成3+3結(jié)構(gòu)，這樣，三個中性線芯的相位一次滯后120°，形成了一個對稱平衡的狀態(tài)，使得電流不會型疊加，有效的減小了高次諧波對變頻電纜的危害。變頻電纜的影響及解決辦法

→變頻電纜主要是用來連接電源與變頻器、變頻器與用電設(shè)備的電纜。其敷設(shè)的空間相對較小，而電壓等級有相對比較高（最高可達8.7/15kV），在其運行過程中，會產(chǎn)生大量的電磁波，對周圍的供電和用電系統(tǒng)都會產(chǎn)生強烈的干擾。這就要求變頻電纜要有更好的屏蔽措施。所以對電壓等級為3.6/6kV及以上的變頻電纜都要求有分相屏蔽和統(tǒng)包屏蔽。采用多層屏蔽可以達到非常好的效果。然而，若是屏蔽內(nèi)的回路出現(xiàn)了偏心，電磁屏蔽的效果勢必要下降，這時屏蔽中產(chǎn)生的渦流損耗就會有所增加。對于偏心的電纜，設(shè)屏蔽衰減值為Ap

則有Ap=As+㏑∣1/Sp∣

式中As為纜芯位于屏蔽中心時的衰減值

Sp為偏心系數(shù)變頻電纜的影響及解決辦法

分析：

在偏心的電纜中，Sp是用遠大于1的，于是㏑∣1/Sp∣就成了一個負值，這樣，我們就得到了一個結(jié)論：Ap﹤As即：電纜在偏心的情況下金屬屏蔽的效果有所下降；偏心是絕對的，也就是說Ap永遠都小于As，問題在于我們要設(shè)法使Ap﹣As的值達到最小，以此來增強金屬屏蔽的效果，從而減少變頻電纜對外界的干擾。那么，如何才能最大限度的減少偏心呢？唯有對稱：3+3結(jié)構(gòu)的變頻電纜是對稱的。這種對稱的結(jié)構(gòu)加上相應(yīng)的金屬屏蔽，可以使電纜的屏蔽系數(shù)降低到0.7，甚至更小。這就有效屏蔽了電磁波的外泄，使金屬屏蔽得以更好的發(fā)揮作用。變頻電纜的影響及解決辦法

電力電纜的EMC評價研究結(jié)論EMC是電磁兼容的簡稱，是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中能工作正常且對環(huán)境中任何事物不構(gòu)成其能承受的電磁騷擾的能力（1）對稱3+3結(jié)構(gòu)的變頻電纜纜芯是互換的，這樣便有了更好的電磁兼容性，對抑制干擾起到一定的作用，并且能抵消高次諧波中的奇次諧波，提高了電纜的抗干擾性。（2）采用對稱3+3結(jié)構(gòu)的變頻電纜可以有效的防止高頻軸電流的產(chǎn)生。研究結(jié)論①低壓變頻電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計對稱化，對于小功率電機，可用3芯成纜后加總屏；對于大功率電機，可用3大3小絕緣導(dǎo)體，對稱排列成纜，最后加總屏。②中壓變頻電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計同軸化。③任何屏蔽層的截面，應(yīng)滿足用戶提出的最小規(guī)定，如果銅帶截面尺寸不夠，可稀疏纏繞銅線，達到要求的導(dǎo)體面積。

變頻電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計原則實踐與應(yīng)用ABB電機變頻電纜推薦及限制ABB電機變頻電纜屏蔽的最低要求實踐與應(yīng)用典型的變頻電纜連接方式實踐與應(yīng)用實踐與應(yīng)用電纜接地示意圖1、由于存在脈沖電壓，對絕緣產(chǎn)生嚴(yán)重的影響變頻電源的頻率調(diào)節(jié)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(jīng)多次反射，幅值疊加可達到工作電壓數(shù)倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，可能被擊穿。因此，絕緣厚度及工藝應(yīng)加以重視，實心絕緣是可靠的，繞包絕緣是不適合的。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯絕緣并不理想，因為其介質(zhì)損耗偏大。交聯(lián)聚乙烯絕緣較為滿意，它兼有機、電、熱等優(yōu)良性能。電纜絕緣厚度可采用1kV電壓等級的規(guī)定，若適當(dāng)加厚，當(dāng)然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。

變頻電纜設(shè)計注意事項2、中性線電流的疊加完整的三相正弦供電系統(tǒng)，當(dāng)三相電流平衡時，其中性線的電流為零，若出現(xiàn)三次諧波，則三次諧波的電流分量在中性線內(nèi)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(tài)，則中性線電流更大，中性線截面應(yīng)不小于相截面。變頻電纜設(shè)計注意事項3.屏蔽層接地措施屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)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(yīng)當(dāng)吻合，接地線由夾具尾端引出。4.外護套這種電纜大多數(shù)敷設(shè)在室內(nèi)，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。

變頻電纜設(shè)計注意事項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IEC60502標(biāo)準(zhǔn)僅對3.6/6kV及以上的電纜才規(guī)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1200～1900V，振鈴頻率約100～2000kHz，對電纜進行脈沖電壓試驗（型式試驗）是體現(xiàn)電纜絕緣水平。試驗可參考IEC60502標(biāo)準(zhǔn)，即施加正負各十次脈沖電壓試驗，試驗電壓可考慮40kV，這還需要進一步驗證，是否必要工廠也可自行決定。變頻電纜設(shè)計注意事項標(biāo)準(zhǔn)重要條款解讀材料交聯(lián)聚乙烯/聚烯烴…YJ硅橡膠……G乙丙橡膠…………………E聚氯乙烯…………………V材料—絕緣絕緣混合料絕緣混合料代號導(dǎo)體最高溫度/℃正常運行時短路時（最長持續(xù)5s）聚氯乙烯PVC/A70160交聯(lián)聚乙烯XLPE90250乙丙橡膠EPR90250硅橡膠絕緣G180350材料—絕緣聚乙烯/聚烯烴………………Y（3）交聯(lián)聚烯烴

……YJ硅橡膠………G（4）乙丙橡膠/彈性體

………………E聚氯乙烯

……V（2）

材料—護套材料—護套護套混合料電纜的導(dǎo)體最高溫度護套混合料代號正常運行時導(dǎo)體最高溫度/℃聚氯乙烯ST180ST290聚乙烯ST380ST790無鹵阻燃材料ST890彈性體（TPE、TPU、氯化聚乙烯等）SE185硅橡膠G180銅絲疏繞（即同心導(dǎo)體）………………SP銅絲編織

………………P鍍錫銅絲編織

…………P1銅帶

……P2

材料—金屬屏蔽層雙鋼帶鎧裝…………2鍍鋅鋼絲纏繞鎧裝

………………3鍍鋅鋼絲編織鎧裝………………9材料—金屬鎧裝層標(biāo)準(zhǔn)重要條款解讀結(jié)構(gòu)電纜結(jié)構(gòu)典型變頻電纜結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)—規(guī)格3+3芯3芯主線芯標(biāo)稱截面/mm2單根中性線截面/mm2主線芯標(biāo)稱截面/mm2單根中性線截面/mm2主線芯標(biāo)稱截面/mm241（0.75）50101.5、2.5、4、6、10、16、25、35、50、70、95、120、150、185、240、30061.5（1）7010102.5（1.5）9516164（2.5）12025256（4）15025356//注：括號中中性線截面可根據(jù)用戶的實際應(yīng)用需要確定。電纜規(guī)格

其他結(jié)構(gòu)層的技術(shù)要求和計算方法等同GB/T12706標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)重要條款解讀試驗類別試驗類別絕緣電阻額定電壓規(guī)格/mm220℃絕緣電阻/MΩ·km工作溫度下絕緣電阻/MΩ·km0.6/1kV35及以下1500.1550～1501000.10185～400800.081.8/3kV35及以下2500.2550～1502000.20185～4001500.15電纜應(yīng)進行沖擊電壓試驗，試驗應(yīng)在另外（10～15）m長的成品電纜上進行，試驗溫度高于導(dǎo)體最高工作溫度5℃～10℃。試驗應(yīng)按GB/T3048.13規(guī)定步驟施加沖擊電壓，額定電壓0.6/1kV變頻電纜其沖擊電壓峰值為40kV；額定電壓1.8/3kV變頻電纜其沖擊電壓峰值應(yīng)為50kV。對于沒有分相屏蔽的多芯電纜，每次沖擊電壓應(yīng)依次施加在每相導(dǎo)體與地之間，其它導(dǎo)體連接在一起并接地。每根電纜絕緣線芯應(yīng)承受正負極性各十次沖擊電壓后不擊穿。試驗類別沖擊電壓試驗●主回路電