额定电压1kV到3kV变频器用电力电缆

额定电压1kV到3kV变频器用电力电缆

标准宣贯胡光政无为●高沟

安徽省无为县电线电缆行业协会2011﹒7﹒15导读标准制订的背景相关理论研究与结论标准重要条款解读材料结构试验类别标准制订的背景为了实现变频，必须将电压和频率稳定的交流电，变换为电压或频率可变的交流电，这一装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)，把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。后来产品本身就被命名为“inverter”，中文为“变频器”。标准制订背景交流变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向，其应用领域非常广泛，市场发展速度平均增长率达10%；变频电缆是变频调速系统中重要部件，而至目前没有一部相对规范的标准；变频电缆按电压等级分低压、中压二大类，本标准为1kV到3kV级；是电力电缆范畴，因为实际的工作频率为30～300Hz，常简称为变频电缆。

各种理论与实践都在不断发展中，特别是试验方法、试验项目和模型还是在研究中。标准制订背景变频品-电缆-变频电机系统示意图标准制订背景相关理论研究与结论变频调速已经成为目前主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。现代变频技术是集高频、高压和大电流于一身的交流电气传动技术，变频器具有高效、节能和智能化的特点，已经成为提高能源效率和控制特性、改善机械设备性能的一个强有力的途径。变频系统由变频器、变频电机、控制电路组成，变频调速按变换环节主要分为“交—直—交”和“交—交”两种。交流传动与控制技术已是目前发展最为迅速的技术之一。

相关理论研究与结论虽然变频器在工业生产中具有无可比拟的优越性，具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽和使用方便等优点，但是由于变频器要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变等非线型电路，故产生高次谐波电流。现代“绿色”变频器对高次谐波有较好的抑制作用，因而能减少高次谐波的辐射，而它通过电缆输出的电力，成了干扰源，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，尤其是在对防干扰要求比较高的高精度仪表、计算机控制系统等谐波干扰问题尤为突出。所以设计合适的变频用电力电缆，才能有效力减少谐波的辐射和污染，减少电机的损耗和发热。

相关理论研究与结论—变频技术存在的问题变频器产生高次谐波

变频器内存在大量非线性电子组件，使变频器输出与输入的电力不是连续的正弦波，因而就产生了大量高次谐波。

图1

高次谐波图相关理论研究与结论—电缆输送高次谐波电力的危害电缆是输送电力的载体，电缆输出的高次谐波是由于变频器输出和输入产生的，研究变频器谐波特点和危害，才能设计并应用合适的电力电缆。变频电力电缆产生高次谐波的辐射危害

变频器的输出电压和电流波形如下图所示●在变频条件下电力电缆是传输经变频器电力“加工”的具有高次谐波的电力，高次谐波的辐射危害主要有：（1）增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热；

电缆输送高次谐波电力的危害电缆输送高次谐波电力的危害变频电力电缆产生高次谐波的辐射危害（2）引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁系统的安全运行；（3）

对通讯系统工作产生干扰，影响通信线路通话的清晰度，甚至还会威胁着通信设备和人员的安全；

（4）

对用电设备的影响很大，电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，使计算机及数据处理系统出现错误，严重时甚至损害机器；

此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示造成不准确及对装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。

完整的三项供电系统，当三项电流平衡时，其中性线芯的电流为零；当高次谐波产生时，经过电缆的多次反射，便会出现对此的波峰与波峰或波谷与波谷相叠加的机会，电缆越长叠加机会越多表现得也就越明显。加之电缆这个大的电容本身对高次谐波就有着放大的作用，对于3+1型电缆，高次谐波产生的电流分量在中性线芯内无相位差，这样一来电流将会叠加成原分量的数倍，中性线芯在高频脉冲下很快就会被击穿。变频电缆的影响及解决办法

为了解决这个问题，我们将3+1型的电缆中的1芯分成了三份，以对称的方式做成3+3结构，这样，三个中性线芯的相位一次滞后120°，形成了一个对称平衡的状态，使得电流不会型叠加，有效的减小了高次谐波对变频电缆的危害。变频电缆的影响及解决办法

→变频电缆主要是用来连接电源与变频器、变频器与用电设备的电缆。其敷设的空间相对较小，而电压等级有相对比较高（最高可达8.7/15kV），在其运行过程中，会产生大量的电磁波，对周围的供电和用电系统都会产生强烈的干扰。这就要求变频电缆要有更好的屏蔽措施。所以对电压等级为3.6/6kV及以上的变频电缆都要求有分相屏蔽和统包屏蔽。采用多层屏蔽可以达到非常好的效果。然而，若是屏蔽内的回路出现了偏心，电磁屏蔽的效果势必要下降，这时屏蔽中产生的涡流损耗就会有所增加。对于偏心的电缆，设屏蔽衰减值为Ap

则有Ap=As+㏑∣1/Sp∣

式中As为缆芯位于屏蔽中心时的衰减值

Sp为偏心系数变频电缆的影响及解决办法

分析：

在偏心的电缆中，Sp是用远大于1的，于是㏑∣1/Sp∣就成了一个负值，这样，我们就得到了一个结论：Ap﹤As即：电缆在偏心的情况下金属屏蔽的效果有所下降；偏心是绝对的，也就是说Ap永远都小于As，问题在于我们要设法使Ap﹣As的值达到最小，以此来增强金属屏蔽的效果，从而减少变频电缆对外界的干扰。那么，如何才能最大限度的减少偏心呢？唯有对称：3+3结构的变频电缆是对称的。这种对称的结构加上相应的金属屏蔽，可以使电缆的屏蔽系数降低到0.7，甚至更小。这就有效屏蔽了电磁波的外泄，使金属屏蔽得以更好的发挥作用。变频电缆的影响及解决办法

电力电缆的EMC评价研究结论EMC是电磁兼容的简称，是指设备或系统在电磁环境中能工作正常且对环境中任何事物不构成其能承受的电磁骚扰的能力（1）对称3+3结构的变频电缆缆芯是互换的，这样便有了更好的电磁兼容性，对抑制干扰起到一定的作用，并且能抵消高次谐波中的奇次谐波，提高了电缆的抗干扰性。（2）采用对称3+3结构的变频电缆可以有效的防止高频轴电流的产生。研究结论①低压变频电缆的结构设计对称化，对于小功率电机，可用3芯成缆后加总屏；对于大功率电机，可用3大3小绝缘导体，对称排列成缆，最后加总屏。②中压变频电缆的结构设计同轴化。③任何屏蔽层的截面，应满足用户提出的最小规定，如果铜带截面尺寸不够，可稀疏缠绕铜线，达到要求的导体面积。

变频电缆结构设计原则实践与应用ABB电机变频电缆推荐及限制ABB电机变频电缆屏蔽的最低要求实践与应用典型的变频电缆连接方式实践与应用实践与应用电缆接地示意图1、由于存在脉冲电压，对绝缘产生严重的影响变频电源的频率调节范围较宽，不论频率高低，具有一个主频率的波形轮廓，它包含了许多高次谐波，作为一种行波经多次反射，幅值叠加可达到工作电压数倍，电缆越长，幅值越高，若电缆绝缘安全系数不高，可能被击穿。因此，绝缘厚度及工艺应加以重视，实心绝缘是可靠的，绕包绝缘是不适合的。一般陆用情况下，采用聚氯乙烯绝缘并不理想，因为其介质损耗偏大。交联聚乙烯绝缘较为满意，它兼有机、电、热等优良性能。电缆绝缘厚度可采用1kV电压等级的规定，若适当加厚，当然更为可靠，这对变频电缆更为有利。

变频电缆设计注意事项2、中性线电流的叠加完整的三相正弦供电系统，当三相电流平衡时，其中性线的电流为零，若出现三次谐波，则三次谐波的电流分量在中性线内不存在相位差，所以直接叠加成分量得三倍。若变频原供电对象是三个单相变频电机，而且处于三相功率分布平衡状态，则中性线电流更大，中性线截面应不小于相截面。变频电缆设计注意事项3.屏蔽层接地措施屏蔽层接地良好是抑制电磁波对外发射的必要条件，铜线编织屏蔽的接地方式较容易解决，而纵包铜带轧纹屏蔽需用专用夹具接地，夹具与轧纹铜管的接触面应当吻合，接地线由夹具尾端引出。4.外护套这种电缆大多数敷设在室内，一般不需铠装，虽然不完全排除用聚氯乙烯护套，但选用高密度聚乙烯更为合适。

变频电缆设计注意事项5.电缆的附加试验一般低压电缆不需要进行脉冲电压试验，如IEC60502标准仅对3.6/6kV及以上的电缆才规定进行脉冲电压试验。变频电机的连接电缆情况略有不同，需要承受高频脉冲电压。高频波振幅可达1200～1900V，振铃频率约100～2000kHz，对电缆进行脉冲电压试验（型式试验）是体现电缆绝缘水平。试验可参考IEC60502标准，即施加正负各十次脉冲电压试验，试验电压可考虑40kV，这还需要进一步验证，是否必要工厂也可自行决定。变频电缆设计注意事项标准重要条款解读材料交联聚乙烯/聚烯烃…YJ硅橡胶……G乙丙橡胶…………………E聚氯乙烯…………………V材料—绝缘绝缘混合料绝缘混合料代号导体最高温度/℃正常运行时短路时（最长持续5s）聚氯乙烯PVC/A70160交联聚乙烯XLPE90250乙丙橡胶EPR90250硅橡胶绝缘G180350材料—绝缘聚乙烯/聚烯烃………………Y（3）交联聚烯烃

……YJ硅橡胶………G（4）乙丙橡胶/弹性体

………………E聚氯乙烯

……V（2）

材料—护套材料—护套护套混合料电缆的导体最高温度护套混合料代号正常运行时导体最高温度/℃聚氯乙烯ST180ST290聚乙烯ST380ST790无卤阻燃材料ST890弹性体（TPE、TPU、氯化聚乙烯等）SE185硅橡胶G180铜丝疏绕（即同心导体）………………SP铜丝编织

………………P镀锡铜丝编织

…………P1铜带

……P2

材料—金属屏蔽层双钢带铠装…………2镀锌钢丝缠绕铠装

………………3镀锌钢丝编织铠装………………9材料—金属铠装层标准重要条款解读结构电缆结构典型变频电缆结构示意图结构—规格3+3芯3芯主线芯标称截面/mm2单根中性线截面/mm2主线芯标称截面/mm2单根中性线截面/mm2主线芯标称截面/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：括号中中性线截面可根据用户的实际应用需要确定。电缆规格

其他结构层的技术要求和计算方法等同GB/T12706标准。标准重要条款解读试验类别试验类别绝缘电阻额定电压规格/mm220℃绝缘电阻/MΩ·km工作温度下绝缘电阻/MΩ·km0.6/1kV35及以下1500.1550～1501000.10185～400800.081.8/3kV35及以下2500.2550～1502000.20185～4001500.15电缆应进行冲击电压试验，试验应在另外（10～15）m长的成品电缆上进行，试验温度高于导体最高工作温度5℃～10℃。试验应按GB/T3048.13规定步骤施加冲击电压，额定电压0.6/1kV变频电缆其冲击电压峰值为40kV；额定电压1.8/3kV变频电缆其冲击电压峰值应为50kV。对于没有分相屏蔽的多芯电缆，每次冲击电压应依次施加在每相导体与地之间，其它导体连接在一起并接地。每根电缆绝缘线芯应承受正负极性各十次冲击电压后不击穿。试验类别冲击电压试验●主回路电