关于变频电缆的设计与分析

该文通过对变频控制器(VVVF)调频调压机理、输出波形特性的细致分析，提出设计变频电缆应注意的若干问题，为设计变频电缆提供了一定的依据。

近二十年来变频调速系统应用愈加广泛，中国变频器市场研究报告显示，中国的变频器市场在过去几年内保持15%-20%的高速增长，由于工业行业及建筑业的迅猛发展以及各行业的大量投资，当年同比增长达到了近40%，市场规模超过了 85 亿元人民币. 随着变频装置的大量应用，与之配套使用的变频电缆的需求也与日俱增，市场年需求量也以年 30%的速度递增。变频电缆作为变频器与负载之间动力及信号传输的专用电缆，其设计和使用必须满足变频工况下的特殊要求。

2变频器工作原理

变频器的工作原理是把市电(380V、50Hz)通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件(GTO、GTR或 IGBT)组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。上述的两次变换可简化为 AC-DC-AC(交-直-交)变频方式。

目前的变频电源是通过电力半导体器件调压，较大程度上改变了波形特性，从而对电机和电缆带来了新问题。变频器中通常通过大功率的自关断开关器件(BJT、IGBT 等)进行整流、然后对直流电压进行 PWM 逆变，结果是在输入输出回路产生电压的高次谐波，干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备，尤其是控制系统的 I/O 信号。同时由于高次谐波的存在，使得变频电缆应具有更高的绝缘安全裕度。在实际使用过程中，经常遇到变频器高次谐波的干扰问题，下面简单介绍谐波产生的机理、传播途径等问题。变频器的主回路一般为交-直-交组成，外部输入 380V/50Hz 的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶闸管开关元件逆变为频率可变的交流电压。在整流回路中，由于不规则的矩形波的存在，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统。在逆变回路中，输出电流波形是 PWM 载波信号调制的脉冲波形，对于 GTR 大功率逆变元件，其 PWM 的载波频率为 2～3kHz，而 IGBT 大功率逆变元件的 PWM 最高载频可达15kHz。同样输出回路电流也可分解为只含正弦波的基波和其他各次谐波，高次谐波电流通过电缆向空间辐射，干扰邻近电气设备。因此，针对变频器的工作特点，变频电缆应着重解决以下问题：电缆本体对外发射电磁波，抑制高次谐波通过电缆对外界的干扰;脉冲电压对绝缘的影响，防止脉冲电压对电缆的影响。变频电缆从电缆结构设计上解决防干扰能力及绝缘的安全可靠性上显得尤为重要。

3变频电缆的工作特点

了解变频器的工作特点，变频电缆的设计应着重控制以下方面：

电缆本体对外发射电磁波。一般变频家用电器为单相供电，长度很短，功率也较小，设计时已将变频电源、连接电缆和变频电机一并设置在金属壳内，抑制了电磁波对外发射。但是在工业领域内，电机功率较大，连接变频电机和变频电源之间的电缆长度长，在工作时电缆就是高频电磁波向外发射的有效载体，对于周围邻近地区的通信工具或调幅接受器将产生干扰，有时情况也比较严重，称之为电磁波的环境污染，国外已对这种电缆提出要求，我们也已提出了相关 EMC 测试及控制方法。虽然目前没有国家规范规定电缆发射电磁波造成环境污染的考核指标，但抑制对外高频干扰是必须做到的。要想达到高频干扰的有效抑制，变频电缆屏蔽结构是尤为重要的。屏蔽结构是抑制对外高频干扰最佳方法，而屏蔽结构分为铜丝编织屏蔽及铜带屏蔽。电缆采用铜丝编织屏蔽时，随着铜丝编织密度的增大，屏蔽抑制系数也不断增长，编织密度越大，屏蔽效果越好。电缆采用铜带编织屏蔽时，只有编织密度达到 90%以上，其屏蔽效果才与铜带屏蔽相当。所以，变频电缆应尽量采用铜带屏蔽，以确保屏蔽效果。制造者习惯采用铜线编织屏蔽，实际上这并不是最好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用铜带搭盖绕包并轧纹是较为先进的结构和工艺，形成了全封闭金属层，可达到有效的屏蔽功能。

脉冲电压对绝缘的影响。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。因此为确保电缆安全，我们从以下三个方面着手：

增大绝缘厚度，提高绝缘耐电压能力，同时选用绝缘性能较好材料。电缆绝缘厚度可采用对应电压等级的规定，若适当加厚，当然更为可靠，这对变频电缆更为有利。一般陆用情况下，采用聚氯乙烯绝缘并不理想，因为其介质系数偏大，在交变电场作用下，其介质损耗也很大。而采用交联聚乙烯绝缘则较为合适，交联聚乙烯材料介质系数低，介质损耗小，同时其耐温等级和机械性能也比聚氯乙烯好，其兼有机、电、热等优良性能。采用交联聚乙烯作为绝缘材料是比较适合的选择。

导体外增加半导电层以均化电场，减少尖端放电。 导体在加工过程中，可能会在表面产生缺陷(如毛刺)，导体外没有半导电层，则在缺陷处产生电场畸变，容易产生击穿破坏绝缘。如施加半导电层后，由于半导电层的存在，导体表面电场得到均化，可有效避免绝缘击穿。

电缆采用对称结构，以达到均化电场和各相均衡。对于四芯低压电缆，首先是改善绝缘线芯的排列，假如电缆的四个芯直接成缆，是不对称结构，如果将第四芯分解为三个截面较小的绝缘芯，把三大三小线芯对称结构成缆。

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。

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。

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IEC 60502 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1200～1900 V，振铃频率约 100～2000 kHz ，对电缆进行脉冲电压试验(型式试验)是为验证电缆的绝缘水平。试验可参考 IEC 60502 标准，即施加正 负 各 十 次 脉 冲 电 压 试 验 ， 试 验 电 压 可 考 虑 40kV ，但需要进一步验证，是否必要工厂也可自行决定。

3.6/6 ～ 6/10 kV 中压变频电缆的发展由于机械装备大型化，需要电机容量也配套扩大，相应变频电源的输出电流也要求增大，但受到大电流变频元件的限制，进一步提高电流容量技术发展受到限制。但另一方面提高变频电源输出电压相对比较容易，提高电压后,中压变频电机功率可大幅度增加，此时电缆的电压等级也必须跟上。目前3.6/6～ 6/10kV 中压变频电缆已有投入使用，从绝缘结构和电气、机械、物理性能上说，可以与电力电缆等同，交联聚乙烯显然是首选绝缘材料，如果在敷设时要求柔软，采用乙丙橡胶绝缘也有一定的优点。由于工作电压的提高，高频电磁波的发射能力明显增强，所以屏蔽结构要求更完善。在变频电缆工作条件下，同轴电缆是一种合适的结构，所以变频电缆的三个主线芯采用同轴结构，总屏蔽的结构与低压变频电缆相同。

作为一种变频专用电缆，变频电机用交联聚乙烯绝缘电缆是一种新的系列产品，尽管市场的总需求量并不很大，但这种电缆的发展很有前途，中型及以上的变频电机应当采用这类专用电缆，至于小型变频电机用变频电缆，归入此范畴也未尝不可。