淺談變頻系統(tǒng)用電纜標(biāo)準(zhǔn)的制定

文/上海電纜研究所 曲文波 陳佶民

1 前言

隨著近二十年來(lái)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，特別是IGBT器件的出現(xiàn)，變頻系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)場(chǎng)合，小到如電機(jī)調(diào)速，大到如列車(chē)驅(qū)動(dòng)、石油開(kāi)采、船舶推進(jìn)等場(chǎng)合。在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn):在一般電氣系統(tǒng)中不被認(rèn)為是薄弱環(huán)節(jié)的電纜，在變頻系統(tǒng)中卻遇到了在一般情況下很少出現(xiàn)的問(wèn)題，如電氣壽命短、電磁干擾嚴(yán)重等。針對(duì)這樣的情況，變頻系統(tǒng)涉及的行業(yè)對(duì)該類(lèi)電線產(chǎn)品進(jìn)行了大量的研究和研發(fā)工作，也形成了一定的共識(shí):變頻系統(tǒng)用電纜有別于一般的電線電纜類(lèi)產(chǎn)品，具有獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)。

2 變頻系統(tǒng)對(duì)電纜的不同要求

與一般的輸配電系統(tǒng)不同的是用于變頻系統(tǒng)的電纜面臨兩個(gè)特殊的技術(shù)問(wèn)題。

2.1 高次諧波

在電力工業(yè)中電能質(zhì)量的一個(gè)表征指標(biāo)就是諧波的比例，如發(fā)電機(jī)的端電壓波形在任何瞬間與其基波波形之差不得大于基波波幅的5%，而用于常規(guī)輸配電系統(tǒng)的電纜基本可以認(rèn)為在沒(méi)有諧波的環(huán)境下運(yùn)行。對(duì)于變頻系統(tǒng)來(lái)講，高次諧波是明顯存在的。高次諧波可以等效看作電場(chǎng)老化因子的時(shí)間加速試驗(yàn)，必然減少了電纜的電氣絕緣結(jié)構(gòu)的壽命；甚至有些場(chǎng)合下奇次諧波的比例可能超過(guò)15%[1]，在這樣的情況下高次諧波對(duì)電纜的影響就比較明顯。當(dāng)使用按照普通輸配電網(wǎng)絡(luò)絕緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)的電纜時(shí)，不恰當(dāng)?shù)慕^緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得其電氣壽命縮短，電纜成為整個(gè)系統(tǒng)的“短板”。

對(duì)于長(zhǎng)距離大功率（超過(guò)200m）以上的變頻系統(tǒng)線路，由于線路阻抗不匹配產(chǎn)生的駐波問(wèn)題，諧波的危害會(huì)變得更加明顯。文獻(xiàn)報(bào)道，整體線路的某些點(diǎn)可能產(chǎn)生1.85-1.9倍的額定電壓[1]，這種情況下電纜的電氣壽命會(huì)大大的縮短。因此變頻系統(tǒng)用電纜的電氣絕緣結(jié)構(gòu)與常規(guī)的電力電纜有較大不同。

2.2 電磁干擾

變頻系統(tǒng)用電纜另外一個(gè)顯著的特點(diǎn)是電磁干擾問(wèn)題。由于電纜中傳輸?shù)男盘?hào)本身包含明顯的高次諧波，可以視為一個(gè)“噪音”發(fā)射源，變頻電纜必須從結(jié)構(gòu)上降低本身的噪音發(fā)射能力和內(nèi)部線路間相互干擾；其次變頻系統(tǒng)本身也是一個(gè)“噪音”接收源，為避免電力電子器件的誤動(dòng)作或損傷，盡量少的接收錯(cuò)誤的外界干擾信號(hào)[2]。當(dāng)然，對(duì)于變頻系統(tǒng)用電纜來(lái)講，最重要的是降低自身噪聲的傳播可能性。因此對(duì)于變頻系統(tǒng)用電纜來(lái)講，從結(jié)構(gòu)上均存在必不可少的電磁屏蔽層，這也是變頻系統(tǒng)用電纜與一般常規(guī)電力電纜顯著不同的地方。

3 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中可能涉及的參數(shù)

3.1 電壓等級(jí)與絕緣厚度

變頻系統(tǒng)用電纜的額定電壓等級(jí)應(yīng)與整體變頻系統(tǒng)的電壓等級(jí)相匹配，該參數(shù)是產(chǎn)品最重要的參數(shù)之一，也決定了電氣絕緣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度即絕緣層厚度。如前所述，由于高次諧波的存在，變頻系統(tǒng)用電纜的電氣絕緣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與普通的電力電纜應(yīng)有明顯的不同。Ronald認(rèn)為變頻系統(tǒng)用電纜的額定電壓等級(jí)與采用相匹配的普通電纜額定電壓等級(jí)如表1[3]，并進(jìn)行了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。

表1

我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)體系與表1有所不同，變頻系統(tǒng)用電纜可按照表2劃分。由于額定電壓0.6/1kV及以下電纜的絕緣層厚度本身裕度較大，其絕緣層厚度可基本不變；其余電壓等級(jí)的變頻器電纜應(yīng)靠上一等級(jí)額定電壓。對(duì)于一些特殊的長(zhǎng)距離大功率變頻傳輸系統(tǒng),絕緣層的厚度可在表2的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加，以保證足夠的絕緣強(qiáng)度。

表2

3.2 結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)多年的研究和開(kāi)發(fā),變頻系統(tǒng)用電纜的基本結(jié)構(gòu)可以分為兩類(lèi)[4][5]:（1）低壓變頻系統(tǒng)用電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；（2）中壓變頻系統(tǒng)用電纜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

低壓變頻系統(tǒng)用電纜主要用于變頻系統(tǒng)額定電壓在3300V以下的系統(tǒng)。由于工作電場(chǎng)強(qiáng)度較低，絕緣層不需要導(dǎo)體屏蔽和絕緣屏蔽來(lái)降低局部場(chǎng)強(qiáng)。該類(lèi)電纜的基本結(jié)構(gòu)如圖1。纜芯中傳輸能量的線芯3根、接地線芯3根，交叉對(duì)稱分布；整體纜芯外采用金屬屏蔽層結(jié)構(gòu)保證電磁屏蔽特性。

中壓變頻系統(tǒng)用電纜主要用于變頻系統(tǒng)額定電壓在3300V及以上系統(tǒng)。由于工作場(chǎng)強(qiáng)較高，除了絕緣層如前所述應(yīng)采用增強(qiáng)的絕緣層厚度以外，還應(yīng)增加導(dǎo)體屏蔽層和絕緣屏蔽層來(lái)降低局部場(chǎng)強(qiáng)。絕緣線芯外應(yīng)采用銅絲/銅帶復(fù)合屏蔽層作為屏蔽層。

3.3 電纜材料

1）導(dǎo)體

對(duì)于移動(dòng)敷設(shè)的電纜，導(dǎo)體采用軟結(jié)構(gòu)銅絲，應(yīng)符合GB/T 3956-2008規(guī)定的第5類(lèi)導(dǎo)體。對(duì)于頻繁移動(dòng)的電纜可采用更軟結(jié)構(gòu)的電纜。

對(duì)于固定敷設(shè)的電纜，導(dǎo)體可采用符合GB/T 3956-2008規(guī)定的第2類(lèi)導(dǎo)體。

2）絕緣材料

變頻系統(tǒng)中消除共模電流的干擾可以減小線芯間相互的干擾。從結(jié)構(gòu)上，電纜的纜芯采用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)目的就是在一定程度上減小共模電流的影響。除了結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱設(shè)計(jì)外，電纜絕緣層材料的選擇也有關(guān)鍵的作用。電纜的共模干擾電流的大小與電纜的工作電容成正比。電纜的工作電容取決于絕緣層材料的介電常數(shù)。因此減小共模電流的的干擾，須盡量選用介電常數(shù)小的絕緣材料，常用電纜絕緣材料的相對(duì)介電常數(shù)見(jiàn)表3[6]。

如表3所示，絕緣層材料應(yīng)盡量選用氟塑料、交聯(lián)聚乙烯，在一些需要軟結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合或工藝限制的場(chǎng)合可以選用乙丙橡膠和硅橡膠；盡量不要選擇聚氯乙烯和阻燃聚烯烴作為電纜的絕緣材料。

3）屏蔽層與接地導(dǎo)體

變頻系統(tǒng)用電纜的屏蔽層應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)屏蔽覆蓋率100%。根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)尺寸和加工工藝的便利，可以分別采用鋁塑復(fù)合帶繞包/鍍錫銅絲編織/銅帶繞包等結(jié)構(gòu)或它們的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于低壓變頻系統(tǒng)用電纜，接地導(dǎo)體一般采用三分裂絕緣線芯（或裸導(dǎo)體）對(duì)稱分布的結(jié)構(gòu)；對(duì)于中壓變頻系統(tǒng)用電纜，接地導(dǎo)體須采用銅帶/銅絲復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)保證電纜的接地回路具有足夠低的直流電阻，這樣的結(jié)構(gòu)中屏蔽層和接地導(dǎo)體是合二為一的。

接地導(dǎo)體的截面之和應(yīng)盡量接近主絕緣線芯的導(dǎo)體截面積。根據(jù)制造工藝的實(shí)際情況，根據(jù)實(shí)際的制造工藝，低壓變頻系統(tǒng)用電纜的接地導(dǎo)體的截面大致可按照表4的規(guī)定進(jìn)行選擇。

對(duì)于中壓變頻系統(tǒng)用電纜，其接地導(dǎo)體截面應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)（傳輸電流、過(guò)電流及保護(hù)情況）進(jìn)行細(xì)致的核算。

4）外護(hù)套材料

根據(jù)電纜的實(shí)際使用環(huán)境和實(shí)際制造工藝進(jìn)行選擇，符合一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即可。

3.4 特殊試驗(yàn)考核方法

變頻系統(tǒng)用電纜與常規(guī)系統(tǒng)用電纜的考核項(xiàng)目基本一致，但基于使用條件的特殊性，其考核項(xiàng)目須包含下列兩個(gè)特殊項(xiàng)目:

1）變頻耐壓試驗(yàn)

變頻系統(tǒng)的運(yùn)行與常規(guī)電纜的最大的區(qū)別在于高次諧波的加速老化效應(yīng)。在進(jìn)行產(chǎn)品的型式試驗(yàn)考核時(shí)，必須考慮如何體現(xiàn)高次諧波的效應(yīng)。目前國(guó)內(nèi)在進(jìn)行該類(lèi)電纜的型式試驗(yàn)考核時(shí)多采用GB/T 3048.13-2007規(guī)定的沖擊電壓試驗(yàn)來(lái)表征電纜在高次諧波的耐壓水平。誠(chéng)然沖擊電壓的波形中包含了豐富的高次諧波，但無(wú)論操作過(guò)電壓還是雷電過(guò)電壓均是為了模擬電力系統(tǒng)在遭遇誤操作或雷電時(shí)可能遇到的過(guò)電壓情況，與電纜在實(shí)際變頻系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)的電壓情況大不相同。

表3

表4

a 50Hz

b 200Hz

400Hz

圖3為模擬某工程運(yùn)行時(shí)，100m電纜在負(fù)載情況下運(yùn)行的實(shí)際波形。從波形圖中可知:（1）基于電力電子器件的變頻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)波形外廓基本為正弦波形，同時(shí)根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行負(fù)載的不同，正弦波形上多有不同的“毛刺”存在，這樣的毛刺即包含了豐富的高次諧波，是變頻電纜電氣壽命縮短的關(guān)鍵。（2）實(shí)際運(yùn)行的波形與GB/T 3048.13-2007規(guī)定的沖擊波形大不相同。

采用GB/T 3048.13-2007作為電纜耐受高次諧波能力的考核方式是在沒(méi)有專(zhuān)用的變頻耐壓試驗(yàn)設(shè)備情況下的權(quán)宜之計(jì)。隨著變頻系統(tǒng)用電纜產(chǎn)品的逐步推廣，相關(guān)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)正在逐步建立專(zhuān)用的變頻耐壓試驗(yàn)平臺(tái)。

2）電磁屏蔽試驗(yàn)

根據(jù)電纜的屏蔽層結(jié)構(gòu)和材料的不同，選擇合適的電磁屏蔽試驗(yàn)來(lái)考核電纜的電磁屏蔽試驗(yàn):（1）轉(zhuǎn)移阻抗試驗(yàn)；測(cè)試電纜屏蔽層的轉(zhuǎn)移阻抗。一般認(rèn)為在100MHz測(cè)試時(shí)電纜屏蔽層的轉(zhuǎn)移阻抗應(yīng)不大于100Ω·m；當(dāng)然指標(biāo)值應(yīng)根據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)尺寸大小有所調(diào)整。（2）屏蔽抑制系數(shù)試驗(yàn)；在條件允許的情況下，應(yīng)該進(jìn)行電磁屏蔽抑制系數(shù)的試驗(yàn)，應(yīng)證明電纜具有明顯的屏蔽抑制效果即屏蔽抑制系數(shù)應(yīng)不大于0.7。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從標(biāo)準(zhǔn)制定的角度討論了變頻系統(tǒng)用電纜在制定過(guò)程中應(yīng)著重考慮的問(wèn)題，希望能為標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考性意見(jiàn)。雖然變頻系統(tǒng)用電纜在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外也沒(méi)有可以直接采用的標(biāo)準(zhǔn)，但隨著該類(lèi)產(chǎn)品的技術(shù)以及應(yīng)用實(shí)踐的不斷深入，業(yè)界各方都對(duì)其展開(kāi)了研究，一定程度上奠定了制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。

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