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所屬分類：變頻電纜
更新時(shí)間：2020-08-13
變頻器工作原理 變頻器的工作原理是把市電通過整流器變成平滑直流，然后利用半導(dǎo)體器件組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
目前的變頻電源是通過電力半導(dǎo)體器件調(diào)壓，較大程度上改變了波形特性，從而對(duì)電機(jī)和電纜帶 來了新問題。變頻器中通常通過大功率的自關(guān)斷開關(guān)器件（BJT、IGBT等）進(jìn)行整流、然后對(duì)直流電壓進(jìn)行PWM逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電壓的高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備，尤其是控制系統(tǒng)的I/O信號(hào)。同時(shí)由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應(yīng)具有更高的絕緣安全裕度。在實(shí)際使用過程中，經(jīng)常遇到變頻器高次諧波的干擾問題，下面簡(jiǎn)單介紹諧波產(chǎn)生的機(jī)理、傳播途徑等問題。變頻器的主回路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶閘管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓。在整流回路中，由于不規(guī)則的矩形波的存在，波形按傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)。在逆變回路中，輸出電流波形是PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，其PWM的載波頻率為2～3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM載頻可達(dá)15kHz。同樣輸出回路電流也可分解為只含正弦波的基波和其他各次諧波，高次諧波電流通過電纜向空間輻射，干擾鄰近電氣設(shè)備。因此，針對(duì)變頻器的工作特點(diǎn)，變頻電纜應(yīng)著重解決以下問題：1電纜本體對(duì)外發(fā)射電磁波，抑制高次諧波通過電纜對(duì)外界的干擾。2脈沖電壓對(duì)絕緣的影響，防止脈沖電壓對(duì) 電纜的影響。變頻電纜從電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上解決防干擾能力及絕緣的安全可靠性上顯得尤為重要。
變頻電纜的工作特點(diǎn): 電纜本體對(duì)外發(fā)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(shè)計(jì)時(shí)已將變頻電源、連接電纜和變頻電機(jī)一并設(shè)置在金屬殼內(nèi)，抑制了電磁波對(duì)外發(fā)射。但是在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，電機(jī)功率較大，連接變頻電機(jī)和變頻電源之間的電纜長度長，在工作時(shí)電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對(duì)于周圍鄰近地區(qū)的通信工具（如無繩）或調(diào)幅接受器（如收音機(jī)調(diào)幅波段）將產(chǎn)生干擾，有時(shí)情況也比較嚴(yán)重，稱之為電磁波的環(huán)境污染，國外已對(duì)這種電纜提出要求，我們也已提出了相關(guān)EMC測(cè)試及控制方法。雖然目前沒有國家規(guī)范規(guī)定電纜發(fā)射電磁波造成環(huán)境污染的考核指標(biāo)，但抑制對(duì)外高頻干擾是必須做到的。要想達(dá)到高頻干擾的有效抑制，變頻電纜屏蔽結(jié)構(gòu)是尤為重要的。屏蔽結(jié)構(gòu)是抑制對(duì)外高頻干擾方法，而屏蔽結(jié)構(gòu)分為銅絲編織屏蔽及銅隨著銅絲編織密度的增大，屏蔽抑制系數(shù)也不斷增長，編織密度越大，屏蔽效果越好。反之，當(dāng)編織密度較低時(shí)，屏蔽抑制系數(shù)也偏低當(dāng)電纜采用銅帶屏蔽時(shí)，其屏蔽抑制系數(shù)是較高的，采用銅絲編織屏蔽時(shí)，其屏蔽效果才與銅帶屏蔽相當(dāng)。所以，變頻電纜應(yīng)盡量采用銅帶屏蔽，以確保屏蔽效果。制造者習(xí)慣 采用銅線編織屏蔽，實(shí)際上這并不是方法，材 料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是較理想。采 用銅帶搭蓋繞包并軋紋是較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和工藝，形成了全封閉金屬層，可達(dá)到有效的屏蔽功能。當(dāng)電纜采用銅帶屏蔽時(shí)，不同厚度銅帶對(duì)屏蔽效果的影響也應(yīng)予以考慮，銅帶厚度不能太薄，以保證抑制電磁波對(duì)外發(fā)射。如圖6所示，當(dāng)銅帶厚度較薄時(shí)，屏蔽抑制系數(shù)也很低，屏蔽效果不好，而隨著銅帶厚度的增加，其屏蔽效果得到了提高，但應(yīng)注意，當(dāng)銅帶達(dá)到一定厚度后，屏蔽抑制系數(shù)的數(shù)值變化不再明顯。 脈沖電壓對(duì)絕緣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(gè)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(dá)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。因此為確保電纜安全，我們從以下三個(gè)方面著手：增大絕緣厚度，提高絕緣耐電壓能力，同時(shí)選用絕緣性能較好材料。電纜絕緣厚度可采用對(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的規(guī)定，若適當(dāng)加厚，當(dāng)然更為可靠，這對(duì)變頻電纜更為有利。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯絕緣并不理想，因?yàn)槠浣橘|(zhì)系數(shù)偏大，在交變電場(chǎng)作用下，其介質(zhì)損耗也很大。而采用交聯(lián)聚乙烯絕緣則較為合適，交聯(lián)聚乙烯材料介質(zhì)系數(shù)低，介質(zhì)損耗小，同時(shí)其耐溫等級(jí)和機(jī)械性能也比聚氯乙烯好，其兼有機(jī)、電、熱等優(yōu)良性能。采用交聯(lián)聚乙烯作為絕緣材料是比較適合的選擇。導(dǎo)體外增加半導(dǎo)電層以均化電場(chǎng)，減少*放電。 導(dǎo)體在加工過程中，可能會(huì)在表面產(chǎn)生缺陷（如毛刺），導(dǎo)體外沒有半導(dǎo)電層，則在缺陷處產(chǎn)生電場(chǎng)畸變，容易產(chǎn)生擊穿破壞絕緣。如施加半導(dǎo)電層后，由于半導(dǎo)電層的存在，導(dǎo)體表面電場(chǎng)得到均化，可有效避免絕緣擊穿。電纜采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以達(dá)到均化電場(chǎng)和各相均衡。對(duì)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(gè)芯直接成纜，是不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如果將第四芯分解為三個(gè)截面較小的絕緣芯，把三大三小線芯對(duì)稱結(jié)構(gòu)成纜,二種情況相比較，對(duì)稱型電纜各主線芯間距離相等位置固定，電纜內(nèi)部電場(chǎng)均化，對(duì)絕緣安全比較有利。另外，完整的三相正弦供電系統(tǒng)，當(dāng)三相電流平衡時(shí)，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的三倍。若變頻原供電對(duì)象是三個(gè)單相變頻電機(jī)，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。為了取得很好的各相均衡特性，宜采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。屏蔽層接地措施 屏蔽層接地良好是抑制電磁波對(duì)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。外護(hù)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*排除用聚氯乙烯護(hù)套，但選用高密度聚乙烯更為合適。但另一方面提高變頻電源輸出電壓相對(duì)比較容易，提高電壓后,中壓變頻電機(jī)功率可大幅度增加，此時(shí)電纜的電壓等級(jí)也必須跟上。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發(fā)射能力明顯增強(qiáng)，所以屏蔽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，所以變頻電纜的三個(gè)主線芯采用同軸結(jié)構(gòu)，總屏蔽的結(jié)構(gòu)與低壓變頻電纜相同。
變頻電纜BPTPLVPL屏蔽標(biāo)準(zhǔn)GB/Tl2706
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交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動(dòng)技術(shù)的重要發(fā)展方向，其應(yīng)用領(lǐng)域也相應(yīng)地進(jìn)入了一個(gè)新的高潮，目前在磁懸浮列車、高速鐵路、石油采油的調(diào)速、超聲波驅(qū)油等領(lǐng)域也得到了大量的應(yīng)用。有資料表明我 國變頻器市場(chǎng)的增長速度每年都在10%以上。雖然變頻技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，但對(duì)于許多工程技術(shù)人員來說變頻技術(shù)尚屬于一門新的技術(shù)。同時(shí)，在此情況下也帶來了電機(jī)和變頻器之間電力電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和如何正確選用電力電纜等成為一個(gè)新的課題。鑒于這方面的原因，本文對(duì)變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)、相關(guān)性能要求以及電纜的接線方式等方面作一介紹。供相關(guān)電纜制造和電氣設(shè)計(jì)技術(shù)人員作參考。 2國外典型變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)介紹 2.1ABB公司認(rèn)可的電纜結(jié)構(gòu)及相關(guān)要求 2.1.1主電電纜為滿足工業(yè)環(huán)境的一般電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)，主電電纜必須是三芯或四芯屏蔽電纜。電纜屏蔽的有效性規(guī)則是，屏蔽層越緊密電磁輻射的水平就越低?？梢曰谄帘螌拥慕Y(jié)構(gòu)或傳輸阻抗來評(píng)價(jià)它的有效性：屏蔽結(jié)構(gòu)：電纜的屏蔽層采用銅絲纏繞在三芯或四芯相線的外面，帶有一個(gè)螺旋形銅帶，減小了屏蔽層孔的大小。屏蔽層傳輸阻抗：在100MHz范圍以內(nèi)，傳輸阻抗必須等于或小于1Ω/m。2.1.2電機(jī)電纜電機(jī)電纜屏蔽必須滿足上述主電電纜屏蔽的低要求。屏蔽結(jié)構(gòu)：電纜的屏蔽層至少包括一個(gè)銅帶重疊的層和銅絲纏繞的層繞包在三芯或四芯相線的外面，也可選擇銅絲編織作為屏蔽層。 變頻系統(tǒng)用電力電纜這種電纜是由ANIXTER公司和原BICC公司聯(lián)合研制開發(fā)的，在變頻系統(tǒng)應(yīng)用有著很多的業(yè)績(jī)。主要原因是這種電纜采用3根相線+3根接地線的對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)，并在電纜的結(jié)構(gòu)元件中設(shè)計(jì)了一層縱包焊接波紋鋁護(hù)套作為屏蔽層，屏蔽層一是防止電磁干擾；二是具有極低的傳輸阻抗。 變頻系統(tǒng)用電力電纜的具體規(guī)范是：導(dǎo)體：絞制裸退火銅； 絕緣：XLPE；成纜：采用3根相線+3根接地線的對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)。鋁護(hù)套：采用連續(xù)密封縱包焊接的波紋鋁護(hù)套，加工完成的鋁護(hù)套必須 進(jìn)行壓力試驗(yàn)；外護(hù)：黑色的耐光照PVC。該電纜在變頻系統(tǒng)中使用具有以下優(yōu)點(diǎn)：鋁護(hù)套提供了一個(gè)均勻*的電場(chǎng)，該電場(chǎng)能夠在電壓倍增之前增大了電機(jī)和傳動(dòng)器之間的允許長度；高強(qiáng)度絕緣材料的使用，使得電纜能夠承受由于反射導(dǎo)致的巨大電壓峰值（2-3X）；鋁護(hù)套起到一種有效的屏蔽作用，從而減小了相鄰電路間的串?dāng)_；鋁護(hù)套為一種低阻抗的路徑，可防止產(chǎn)生的高頻噪音擴(kuò)散到地面的電網(wǎng)； 外護(hù)套還起到一個(gè)絕緣的作用，可避免由于多個(gè)接地 點(diǎn)導(dǎo)致的接地電流的循環(huán)。3 不同電力電纜結(jié)構(gòu)及EMC相關(guān)評(píng)價(jià) EMC是電磁兼容的簡(jiǎn)稱。IEC對(duì)其的定義是"設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能工作正常且對(duì)環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁擾的能力"。EMC已成為產(chǎn)品認(rèn)證領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，它將成為電氣工程設(shè)計(jì)和研究人員在設(shè)計(jì)過程中必須考慮的主題。表1提供了屏蔽和不屏蔽，對(duì)稱芯線和不對(duì)稱芯線、平行芯線的各種電力電纜EMC評(píng)價(jià)。通過比較，3+3對(duì)稱芯線帶屏蔽的結(jié)構(gòu)性能，經(jīng)驗(yàn)也表明，采用對(duì)稱屏蔽電纜也可以減少傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁輻射，以及減小電動(dòng)機(jī)的軸電流和由此引起的軸承磨損。表1的意義還在于，當(dāng)某種原因未能使用屏蔽電纜的時(shí)候，將如何以EMC的角度去選擇其它適用的電纜結(jié)構(gòu)。 電力電纜的EMC評(píng)價(jià) 普通電力電纜的纜芯為平行絞合結(jié)構(gòu)，且大都呈非對(duì)稱形。有文章報(bào)導(dǎo)過，普通結(jié)構(gòu)的電力電纜在一些特殊場(chǎng)所使用會(huì)暴露出許多問題。對(duì)于變頻系統(tǒng)用電力電纜的纜芯結(jié)構(gòu)一般傾向于圖1(a)所示的三芯電纜，電纜纜芯呈對(duì)稱形、并均佩有屏蔽層。電纜的導(dǎo)體常規(guī)變頻系統(tǒng)用電力電纜的導(dǎo)體同普通電力電纜相同，特殊場(chǎng)所有采用軟結(jié)構(gòu)導(dǎo)體的需求（也即R型導(dǎo)體）。電纜的屏蔽 設(shè)有屏蔽層的電纜能夠有效的抑制內(nèi)、外界的電磁干擾，決定屏蔽層的屏蔽效果好壞常用屏蔽抑制系數(shù)來表示，屏蔽抑制系數(shù)為零說明電纜的屏蔽效果。 變頻系統(tǒng)用電力電纜常采用的屏蔽方式有：銅絲編織屏蔽，銅帶繞包屏蔽，銅絲纏繞屏蔽，銅絲銅帶組合屏蔽，銅帶縱包屏蔽（分軋紋與不軋紋），鋁帶縱包屏蔽（分軋紋與不軋紋），鋼絲銅絲組合屏蔽。縱包結(jié)構(gòu)的屏蔽效果要比繞包結(jié)構(gòu)的好。此外，也有采用鋁/塑復(fù)合帶進(jìn)行繞包或縱包作為屏蔽層，這種屏蔽層應(yīng)用到變頻系統(tǒng)用電力電纜的結(jié)構(gòu)上是否滿足抗電磁干擾的要求還值得商榷。選用何種屏蔽方式要依據(jù)電纜的使用場(chǎng)合而定。屏蔽層的截面一般根據(jù)使用要求 而定，通常屏蔽層的截面是相線截面的50%，也有要求和相線截面相等。 電纜的絕緣 普通電力電纜用絕緣有PVC、XLPE、ERP、CSM、CR/PCP、NBR等材料，從材料的絕緣性能和彎曲性能等方面來考慮，變頻系統(tǒng)用電力電纜的絕緣使用較 多的材料為XLPE和ERP。 4.5電纜的電壓等級(jí)目前變頻系統(tǒng)用電力電纜電壓等級(jí)均在6/10kV以下，市場(chǎng)用量較大的電壓等級(jí)為0.6/1kV。4.6電纜的護(hù)套 變頻系統(tǒng)用電力電纜的護(hù)套材料多為PVC、ERP、無鹵低煙阻燃聚烯烴。
變頻電纜與普通電纜區(qū)別 變頻裝置的節(jié)能效果十分明顯，在大功率電機(jī)中采用變頻調(diào)速電機(jī)，整個(gè)發(fā)電機(jī)組可節(jié)電30％。并且使用變頻調(diào)速后，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，使電機(jī)工作平穩(wěn)，電機(jī)軸承磨損減小，延長了電機(jī)使用壽命和維護(hù)周期。因此，變頻調(diào)速技術(shù)在石油、冶金、發(fā)電、鐵路、礦山等工業(yè)方面得到了廣泛的使用。電纜對(duì)稱性設(shè)計(jì),對(duì)于1.8／3KW及以下變頻電機(jī)電纜，和對(duì)稱3＋1芯和4芯電纜僅可用于主電源的輸入纜，但使用對(duì)稱結(jié)構(gòu)電纜。變頻器與變頻電機(jī)問電纜均需采用對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)，對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)有3芯和3+3芯兩種， 3+3芯電纜結(jié)構(gòu)是將三大一小四芯絕緣線芯中第四芯（中性線芯）分解為三個(gè)截面較小的絕緣線芯，把三大三小線芯對(duì)稱成纜，對(duì)于6／10kV變頻電機(jī)電纜，該電纜結(jié)構(gòu)與6／10kV普通電力電纜有所不同，普通電力電纜是將三根絕緣線芯采用銅帶屏蔽后成纜，而變頻電機(jī)電纜是由銅絲銅帶屏蔽后擠包分相護(hù)套，然后對(duì)稱成纜，對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)由于導(dǎo)線的互換性，有更好的電磁相容性，對(duì)抑制電磁干擾起到一定的作用，能抵消高次諧彼中的奇次頻率，提高變頻電機(jī)電纜的抗干擾性，減少了整個(gè)系統(tǒng)中的電磁輻射。屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),1.8/3kV及以下變頻電機(jī)電纜的屏蔽一般采用總屏蔽， 6/10kv變頻電機(jī)電纜屏蔽由分相屏蔽和總屏蔽構(gòu)成，分相屏蔽一般可采用銅帶屏蔽或銅絲銅帶組合屏蔽?？偲帘谓Y(jié)構(gòu)可采用銅絲銅帶組合屏蔽、銅絲編織屏蔽、銅帶屏蔽、銅絲編織銅帶屏蔽等，屏蔽層截面與主線芯截面按一定比例。此結(jié)構(gòu)的屏蔽電纜可抗電磁感應(yīng)、接地不良和電源線傳導(dǎo)干擾，減小電感，防止感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)過大。屏蔽層既起到抑制電磁波對(duì)外發(fā)射的作用，又可作為短路電流的通道，能起到中性線芯的保護(hù)作用。6/10kV變頻電機(jī)電纜，考慮到電纜在使用過程中經(jīng)常受到徑向外力作用，在電纜屏蔽層外增加鍍鋅鋼帶鎧裝層（在屏蔽層和鋼帶鎧裝層之間加隔離套）。鋼帶鎧裝主要是作為電纜的徑向機(jī)械保護(hù)層，同時(shí)它也起到附加性總屏蔽作用，特別是鋼帶鎧裝和銅絲、銅帶屏蔽，是采用了兩種不同屏蔽材料，在電磁波屏蔽上起到一定的互補(bǔ)作用，屏蔽效果將更好.電纜的主要制造工藝技求,在變頻電機(jī)電纜生產(chǎn)過程中，絕緣線芯擠包工序、成纜工序等是關(guān)鍵的工序。 絕緣線芯擠包工序絕緣線芯的質(zhì)量將直接影響到電纜的電氣性能。為了提高電纜的質(zhì)量，我們選擇高電性能絕緣材料生產(chǎn)，例如1.8/3kv變頻電機(jī)電纜，采用10kV交聯(lián)絕緣材料，6/10kv變頻電機(jī)電纜采用35kv交聯(lián)絕緣材料，導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽和絕緣材料均采用了進(jìn)口材料。在生產(chǎn)過程中，我們特別注重原材料的凈化，屏蔽與絕緣材料擠包緊密，控制絕緣偏心度和絕緣外徑的均勻*，這樣可減少界面效應(yīng)，提高電纜電氣性能。成纜工序變頻電纜要求結(jié)構(gòu)對(duì)稱，成纜時(shí)必須保證絕緣線芯張力均勻，使成纜后的線芯長度盡量保持*，否則會(huì)引起結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致電容和電感的不均勻性，影響電纜的電氣性能。而且在具有退扭的成纜設(shè)備上完成。 變頻電纜的結(jié)構(gòu)包括三根主線絕緣線、三根零線絕緣線，在主線絕緣線和零線絕緣線外依次設(shè)置內(nèi)繞包層、銅帶層、外繞包層和外護(hù)套層，形成３＋３線芯結(jié)構(gòu)，使電纜具有較強(qiáng)的耐電壓沖擊性，能經(jīng)受高速頻繁變頻時(shí)的脈沖電壓，對(duì)變頻電器起到良好的保護(hù)作用。產(chǎn)品用途，變頻電纜主要用于變頻電源和變頻電機(jī)之間連接用的電纜,以及額定電壓1KV及以下的輸配電線路中,作輸送電能用.電纜導(dǎo)體長期允許溫度為90度,短路時(shí)溫度250度3安裝敷設(shè)環(huán)境溫度不低于0度,固定敷設(shè)時(shí)環(huán)境溫度不低于-10度.4電纜允許小彎曲半徑不小于15D(D-電纜外徑,mm) 產(chǎn)品性能交聯(lián)聚乙烯絕緣、耐溫耐候性好。低傳輸阻抗，電磁兼容性好。低工作電容良好的抗干擾和低輻射性能。對(duì)稱的三芯電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有比四芯電纜更好的傳輸性能。
變頻電纜BPTPLVPL屏蔽標(biāo)準(zhǔn)GB/Tl2706
