变频系统电力电缆及其电磁兼容

1、变频系统电力电缆及其电磁兼容变频系统电力电缆及其电磁兼容同济大学 张宗桐摘 要: 变频系统对电源和其他邻近设备将产生电磁干扰， 而与变频器相连接的电缆是主要的干扰源，本文主要讨论了变频系统电缆的选取和电磁兼容的问题，以求能有效减少这种电磁干扰。关键词: 变频器 电力电缆 介质损耗 分布电容 电磁兼容Inverter Systems Electric Cable and Electromagnetism CompatiblenessZhang ZongtongAbstract: This paper talks about how to choose the electric cable on

2、inverter system with compatible electromagnetism, So that we can decrease the jam from electromagnetism, which always come into being on power and other equipments nearby.Keywords: Inverter electric cable waste of medium distributing capitance electromagnetism compatibleness 1 前 言在变频系统中，馈电电缆特别是变频器输出

3、电缆的选取和电磁兼容的问题越来越受到重视。从电磁发射和敏感度两方面的观点来看，馈电电缆线一方面起着发射天线的作用，又起着接收天线的作用，因而成为变频系统对辐射敏感度的重要一环。由于变频器输出的电功率往往较大，频率谱较宽，电缆的分布电容为传送电磁干扰电压和干扰电流提供了耦合途径。这种由电缆造成的近场耦合和串扰往往成为邻近设备的潜在威胁。鉴于上述原因，仅仅按照常规的电缆选取方法，如电压等级、敷设方式和载流量是远远不够的，还应从电压或电流的波形畸变、电磁干扰、分布电容、波阻抗等诸多因素全面加以考虑，即便如此，对于耐压和载流量的选取也将有所变化。2 关于电缆的耐压按照IEC标准，电缆的电压等级为U0/

4、U(Um),其中U0为电缆及其附件的导体与屏蔽或金属护套之间的额定工频电压有效值；U为电缆及其附件的导体之间的额定工频电压有效值；Um为电缆及其附件的导体之间的最大工频电压有效值，对于中低压系统，Um=1.2U。对于电压型变压器的输入电缆，输入电压为正弦波，电压的畸变一般在4%左右（该电压的畸变率大小与电源系统的容量以及配电变压器的阻抗有关），而变频器的输出电压波形为PWM调制方波，这就不得不考虑如下因素:(1) 由于开关速度的提高，过大的dv/dt使得介质的电压分布由均匀而变得不均匀，这无疑提高了对绝缘介质的品质要求。(2) Um原为工频电源电压的峰值，但是由于变频器存在电机再生电压回馈的因

5、素，通常再生电压在控制的情况下，可达到1.4Um甚至更高。由此可见，额定电压380V的变频器必须选用耐压750V以上的电缆产品，这显然与常规选取有所不同。3 关于载流量对于电压型变频器来说，输出给电动机的负载电流中，除了基波分量还含有谐波分量，通常在导线截面选取时，往往容易忽略谐波以及谐波所引起的发热因素。在提出这个问题之后，就涉及到如何计量变频器的输出电流。众所周知，以往是采用平均相应的有效值表来测量交流正弦波电流的，所谓交流电流的有效值，是指电流的等效热效应或方均根值，其数值等同于一个直流电流，当直流电流与被测的交流电流具有同样的热效应，这个值就称为有效值。常用的测量有效值方法是将交流电流

6、整流，得到整流信号的平均值，然后用一个波形系数1.1与结果相乘就可以得出有效值，这个因数代表了一个纯正弦波的有效值与平均值的比例关系。 对于频率变化并存在畸变的正弦波电流，必须采用真有效值测量方法进行测量。真有效值顾名思义就是真正的有效值，无论何种情况（频率、谐波、温度等条件的变化），测量电路将根据下列计算公式自动正确地计算热效应。(1)真有效值测量与平均响应的非真有效测量相比，后者最大可达50%以上。因此，依据真有效值来选取电路的载流量才是正确的。变频器除了向电动机输出上述负载电流之外，还额外输出电容电流，每相电容电流(2)电容电流的大小与电缆的长度、电缆的分布电容以及变频器的载波频率成正比

7、。这些电容电流都将使电缆的实际电流增大。4 关于电缆的屏蔽电磁屏蔽能有效地抑制空间的电磁干扰，因此，变频器输入、输出电缆的屏蔽与控制电缆的屏蔽一样重要。 电磁场屏蔽对于电磁波衰减的机理是:(1) 屏蔽层引进了新的分布电容，改变了原来的分布电容结构，最终使受感物的干扰感应电压减弱。(2) 导电的磁屏蔽层处在交变电磁场中将产生感应电流，导致电磁场在该导电媒质中按指数规律衰减。电磁波的透入深度 (3)式中，m为材料的相对导磁率;g为材料的电导率， 对于频率很高的电磁波几乎不能透入铜、铝、铁等金属，上述材料均可用作电磁屏蔽材料。(3) 当电磁波到达屏蔽体表面时，由于介质与金属屏蔽层的交界面上阻抗的不连

8、续性，将对入射波产生反射，这种反射与屏幕材料的厚度无关，而只与交界面的波阻抗的不连续有关。(4) 未被屏蔽层反射而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播时，将屏蔽材料所衰减，这是一种称为吸收的物理过程。(5) 在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，在遇到屏蔽层和介质的交界面时，会形成再次反射，并重新回到屏蔽体内，这种反射可产生多次。综上所述，电磁屏蔽对电磁干扰的衰减主要基于电磁波的反射和吸收。不同的屏蔽材料以及材料的厚度对于电磁波的吸收效果是不一样的。对于反射损耗，它不但与屏蔽材料的表面阻抗有关，也与波阻抗的大小以及辐射源的类型有关。图Ia和图Ib分别给出了低阻抗磁场计算反射损耗和高阻抗电场计算反射损耗的

9、列线图，图中五条平行的列线自左至右分别为频率、反射损耗、辐射源到屏蔽层之间的距离、无刻度的参考线和所选定屏蔽材料的电导率与磁导率之比，在具体计算时，可根据已知距离和选定的金属材料，在该列线的对应点之间连一直线，得到与参考线的交点，再在这个交点与相应的频率上连另一条直线，后一条直线与反射损耗线的交点即为所求的反射损耗值。如果已知频率和反射损耗值，也可以利用它们的连线在参考线上的交点，反过来求出所选定的金属材料和必须有的辐射源到屏蔽层之间的距离。图2给出计算吸收损耗的列线图，图中五条平行的列线自左至右分别为频率、吸收损耗、材料厚度、无刻度参考线和可选用的材料。在具体计算时，可根据选定的金属材料和厚

10、度在两条列线上相应点之间连一条直线，在参考线上得到一个交点，然后再在交点与频率线上连一条直线，可在吸收损耗线获得另一个交点，该点的读数即为所求的吸收损耗值。反之，也可以根据指定频率所要求的吸收损耗来连一根线，通过这个线在参考线上的交点再进一步求取不同的材料和必须具有的厚度，这在设计或选用屏蔽电缆时都十分有用。5 电缆结构及EMC评价表1提供了屏蔽和不屏蔽，对称芯线和不对称芯线、平行芯线的各种电力电缆EMC评价。通过以上的比较，由此可以清楚看出对称芯线带屏蔽的结构最令人满意，经验也表明，采用对称屏蔽电缆可以减少整个传动系统的电磁辐射，以及减小电动机的轴电流和由此引起的轴承磨损。表1的意义还在于，

11、当某种原因而未能使用屏蔽电缆的时候，将如何以EMC的角度去选择其它适用的电缆结构。如果说表1是从定性的角度回答了怎样的结构才符合EMC要求，那么表2则从定量的角度为我们提供了有关屏蔽电缆应该达到的电气参数。这些参数中，明确限定了在不同频率下电缆的阻抗（包括特征阻抗）、电感、泄漏传导、电容和对电磁辐射的衰减量，这些参数除了生产厂可用于进行质量控制外，对用户来说则可以按实际需要去加以选用。6 关于电缆的绝缘介质就目前来说，油纸绝缘电缆早已被塑料绝缘电缆所取代，在1kV及以下，塑料电缆中由于交联聚乙烯（XLPE）电缆的电性能优于聚氯乙烯电缆（PVC），而被普遍采用。在敷设弯曲半径较小的场合，乙丙橡胶

12、绝缘电缆由于柔软性好，也被广泛使用。从绝缘介质的角度进行比较，聚氯乙烯电缆、交联聚乙烯电缆和普通橡胶电缆的主要技术参数见表3。 电缆介质的介电常数e与分布电容直接有关，e越大，分布电容越大，通常普通电缆的分布电容要比变频器专用电缆大一个数量级。而电缆的介质损耗值tgd与介质的发热量成正比，在高载波PWM波所产生的瞬变电场下，介质的发热情况比正弦波下要大得多。综观表3，从介质损耗和介电常数二个参数进行比较，交联聚乙烯或普通橡胶电缆均优于聚氯乙烯电缆，这对变频器供电电缆的选择提供了有用的依据。7 关于电缆附件值得指出的是，从电磁兼容出发，不应仅仅考虑电缆的EMC要求，还必须考虑整个电缆线路中的电缆接头、中间接头、终端头以及各种端接材料和导电垫衬材料的配套问题，以保证屏蔽的连续性，防止电磁干扰能量的泄露和辐射。从目前情况看，这方面材料的适配情况远远不能满足实