大功率變頻電機(jī)專用電纜的研制

衛(wèi)國(guó)升

(遠(yuǎn)東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

近年來(lái)，變頻調(diào)速裝置憑借其節(jié)能、省力、易于自動(dòng)控制的顯著優(yōu)勢(shì)，成為電力傳動(dòng)的中樞設(shè)備，促使變頻調(diào)速技術(shù)越來(lái)越廣泛地深入到各行各業(yè)中。據(jù)中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng)報(bào)道，由于在大功率電機(jī)上普遍采用了變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可節(jié)能30%，并且能實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)電機(jī)的使用壽命和維護(hù)周期。但與之相對(duì)應(yīng)的用于連接變頻器和變頻電機(jī)的供電電纜，在實(shí)際安裝中卻是采用普通電力電纜，這已成為影響變頻器和變頻電機(jī)工作效率的主要因素。

本文主要闡述我公司大功率變頻電機(jī)專用電纜的研制情況，以8.7/10 kV級(jí)交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為例，對(duì)電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、制造技術(shù)工藝、產(chǎn)品性能等進(jìn)行了探討。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于變頻器—變頻電纜—變頻電機(jī)這樣的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，變頻器工作時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾。電力電纜作為傳輸電力的載體，如果沒(méi)有特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，就會(huì)使諧波危害程度加倍。因此，要求變頻電纜一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它相鄰電氣設(shè)備，以提高整個(gè)變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的用電安全性，實(shí)現(xiàn)電氣參數(shù)的匹配。

還有一個(gè)問(wèn)題是必須避免電流和電壓發(fā)生諧振。由于高次諧波的存在，一旦某次諧波與變頻器或電動(dòng)機(jī)一側(cè)電流或電壓發(fā)生諧振，這個(gè)諧振頻率接近于諧波源的某個(gè)諧波頻率時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電壓［1］，導(dǎo)致電氣設(shè)備嚴(yán)重?zé)龤У暮蠊?，而這類諧振與電纜長(zhǎng)度有關(guān)，一般希望電纜有較高的諧振點(diǎn)，也就是說(shuō)希望電纜的電感電容的乘積的平方根有較小值，這樣就可以得到較大的電纜長(zhǎng)度而不發(fā)生諧振。

對(duì)于具有公共金屬屏蔽的三相平衡系統(tǒng)，因線芯通過(guò)的三相電流的相量和為零，故在公共金屬屏蔽層中的感應(yīng)電壓相量和也為零［2］。當(dāng)產(chǎn)生的高次諧波，經(jīng)多次反射會(huì)出現(xiàn)波峰與波峰或波谷與波谷疊加的情況，電纜越長(zhǎng)這種現(xiàn)象越明顯，兼之電纜這個(gè)大的電容本身對(duì)高次諧波就有放大的作用。電纜屏蔽采用分屏蔽和總屏蔽的結(jié)構(gòu)，屏蔽效果更好，明顯提高電纜抗電磁輻射性能，減少高次諧波的不良影響。

1.2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低壓變頻電力電纜一般常采用符合GB/T 3956—2008要求的5類軟銅絲絞合導(dǎo)體，但8.7/10 kV電纜電壓等級(jí)高，因此在GB/T 12706.2—2008規(guī)定導(dǎo)體采用緊壓圓形結(jié)構(gòu)［3］，可以明顯改善電場(chǎng)均勻分布，以防止尖端放電破壞絕緣品質(zhì)。

1.3 電纜絕緣設(shè)計(jì)

對(duì)于選用一般電力電纜，如XLPE絕緣聚氯乙烯護(hù)套電纜，由于電纜本身耐壓水平較高，很少發(fā)生電纜本體擊穿，卻為何在工頻下能長(zhǎng)期運(yùn)行而變頻下幾小時(shí)內(nèi)擊穿?事實(shí)證明這絕不是老化問(wèn)題，基本可歸結(jié)于高頻脈沖電壓沖擊的緣故。

由于高次諧波的頻率為基波的3～8倍，因此由電感、電容產(chǎn)生的阻抗占比率與基波相比要大得多，這足以引起對(duì)無(wú)功損耗的重視［4］。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)到工作電壓的數(shù)倍，電纜越長(zhǎng)，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，就會(huì)擊穿。為使電纜能夠安全長(zhǎng)距離傳輸，要求8.7/10 kV變頻電纜具有優(yōu)異的絕緣性能，故8.7/10 kV電纜厚度適當(dāng)加厚，采用5 mm厚度的高介電XLPE材料作為變頻電纜的絕緣，采用導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠的方式，層間光滑，均化電場(chǎng)，提高絕緣性能，可應(yīng)對(duì)高頻脈沖反射疊加電壓的沖擊。

1.4 電纜對(duì)稱性設(shè)計(jì)

變頻器和變頻電機(jī)之間的電纜，由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱平衡，電纜的電場(chǎng)、磁場(chǎng)始終處于不平衡狀態(tài)，傳輸阻抗高，高次諧波發(fā)射量大;要求電纜必須采用電氣對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，普通電力電纜是將三根絕緣線芯采用銅帶屏蔽后成纜，而變頻電纜是由銅絲疏繞加銅帶反向間隙繞包屏蔽后擠包分相護(hù)套，然后對(duì)稱成纜(見(jiàn)圖1)。良好的對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)有更好的電磁相容性，能抑制電磁波干擾，提高電纜的抗干擾性能。

1.5 電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電纜屏蔽采用分相屏蔽和總屏蔽的結(jié)構(gòu)，分相屏蔽如上所述一般采用銅絲疏繞加銅帶反向扎緊組合屏蔽方式;總屏蔽結(jié)構(gòu)采用氬弧焊皺紋銅套屏蔽方式。由于電纜的總屏蔽采用氬弧焊皺紋銅套結(jié)構(gòu)工藝，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電纜便于彎曲、完全密封屏蔽效果，屏蔽抑制系數(shù)小于0.01，能有效地抑制高次諧波、電磁波的輻射和傳導(dǎo)，達(dá)到了電纜各項(xiàng)電氣參數(shù)的對(duì)稱平衡，在含有高次平衡狀態(tài)下(包括電感、電容等各種電氣參數(shù))，傳輸阻抗低、高次諧波發(fā)射量?。?］。電纜處于最佳狀態(tài)而充分地發(fā)揮其絕緣水平，確保在高頻脈沖發(fā)射作用下保持性能穩(wěn)定，安全可靠，并具有良好的綜合性能，適應(yīng)多種敷設(shè)環(huán)境，保證電纜運(yùn)行長(zhǎng)期可靠。

圖1 銅絲疏繞加銅帶屏蔽后分相護(hù)套結(jié)構(gòu)變頻電纜

1.6 屏蔽層接地方式

屏蔽層接地良好是抑制電磁波對(duì)外發(fā)射的必要條件，銅線的接地方式比較容易解決，即金屬屏蔽和變頻電機(jī)外殼一并接地;而皺紋銅套屏蔽需用專用夾具接地，夾具與皺紋銅套的接觸面應(yīng)當(dāng)吻合，接地線由夾具尾端引出接地即可。

2 材料的選用

高次諧波加在電纜兩端時(shí)，電纜承受相當(dāng)大的的高頻脈沖過(guò)電壓、過(guò)電流，導(dǎo)致絕緣易老化、擊穿，且電纜越長(zhǎng)，電纜中過(guò)電壓、過(guò)電流越嚴(yán)重，發(fā)熱更甚。因此，有效減少電纜的電容，才能減小絕緣損耗和容性過(guò)電流;低電容要求電纜絕緣材料應(yīng)選用低介質(zhì)常數(shù)和耐電暈強(qiáng)度較高的材料。

電纜采用5 mm厚度的高介電XLPE作為電纜的絕緣，電纜絕緣性能好、介電性能高，能經(jīng)受高頻脈沖反射疊加(2～3倍)電壓的長(zhǎng)期不斷沖擊。

電纜分相護(hù)套、內(nèi)護(hù)層、外護(hù)套采用低煙無(wú)鹵阻燃聚烯烴環(huán)保材料，電纜在制造加工、運(yùn)輸、敷設(shè)及使用過(guò)程中，無(wú)有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生，極大地保護(hù)了自然資源與生態(tài)環(huán)境。

3 電纜電氣性能設(shè)計(jì)

變頻電纜除滿足GB/T 12706—2008標(biāo)準(zhǔn)外，還增加了電容和電感等性能要求;根據(jù)變頻電纜的實(shí)際使用情況并參照GB/T 12706—2008和ABB公司對(duì)電力傳動(dòng)電纜的技術(shù)條件，確定電纜電氣性能參數(shù)。例如，BP-YJTW02 3×300+3×50-8.7/10 kV，其部分電氣性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電氣性能

4 電纜的主要制造技術(shù)工藝控制

4.1 絕緣線芯三層共擠的交聯(lián)工藝

絕緣三層共擠的交聯(lián)質(zhì)量直接影響電纜的電氣性能，在生產(chǎn)過(guò)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性，控制絕緣偏心度和絕緣外徑的均勻一致，這樣可減少界面效應(yīng)，提高電纜的電氣性能。

交聯(lián)溫度(包括擠塑溫度和交聯(lián)硫化溫度)、擠出速度是交聯(lián)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，通過(guò)諾基亞交聯(lián)度曲線計(jì)算和實(shí)際生產(chǎn)的調(diào)試、總結(jié)，記錄絕緣厚度和生產(chǎn)速度與交聯(lián)硫化溫度的合理關(guān)系，繪制準(zhǔn)確的交聯(lián)曲線關(guān)系圖，確定合理的交聯(lián)工藝，指導(dǎo)交聯(lián)生產(chǎn)。

4.2 結(jié)構(gòu)對(duì)稱的成纜工序

由于要求電纜結(jié)構(gòu)對(duì)稱，成纜時(shí)必須保證絕緣線芯的放線張力保持均勻、成纜節(jié)距較同規(guī)格的電力電纜要小一些、填充要飽滿圓整等，確保電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀圓整，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。

4.3 氬弧焊皺紋銅套的總屏蔽工序

我公司采用氬弧焊皺紋銅套總屏蔽，其結(jié)構(gòu)和工藝先進(jìn)，形成了全封閉金屬層，只要銅套厚度相當(dāng)，完全達(dá)到優(yōu)良的屏蔽效能，保證抑制電磁波對(duì)外、對(duì)內(nèi)的發(fā)射。

氬弧焊皺紋銅套工藝是采用厚度均勻的銅板，經(jīng)清洗、精切、縱包、焊接、在線檢測(cè)、軋紋過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的;該工藝是在氬氣和氦氣保護(hù)下，銅板為負(fù)極，鎢極為正極，通過(guò)低電壓、大電流來(lái)完成;鎢極焊頭只有2 mm的直徑，并且由保護(hù)氣體連續(xù)吹向焊點(diǎn)處，迅速帶走熱量，使焊接部位均勻快速冷卻，電纜結(jié)構(gòu)不會(huì)受到任何不良影響，同時(shí)也避免銅套的高溫氧化。

采用先進(jìn)的氬弧焊接技術(shù)，并裝有超聲波等在線檢測(cè)裝置，保證了焊接的密封性，為了檢驗(yàn)是否還有漏焊，我公司又加了一項(xiàng)中間檢驗(yàn)裝置，將整盤焊接后的電纜進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，且進(jìn)行百分之百的檢驗(yàn)，該生產(chǎn)工藝技術(shù)性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語(yǔ)

XLPE絕緣變頻電機(jī)專用電纜，其屏蔽效果優(yōu)、耐脈沖反射電壓沖擊性能高、電氣結(jié)構(gòu)平衡對(duì)稱，具有防水、防腐、防鼠、防蟻、抗壓、易彎曲、阻燃等綜合性能。該產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，符合或超過(guò)國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，完全滿足使用要求。

［1］張 珍.變頻系統(tǒng)長(zhǎng)電線電纜的研究及過(guò)電壓抑制［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［2］卓金玉.電力電纜設(shè)計(jì)原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

［3］GB/T 12706.2—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分［S］.

［4］吉啟榮.變頻系統(tǒng)電力電纜諧波振蕩輻射及抑制［J］.EMC及抗干擾技術(shù)，2007，9(4):100-103.

［5］徐 剛，吳 炯.中高壓電力電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)特性分析［J］.電線電纜，2004(5):19-22.