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| 結(jié)構(gòu) | 屏蔽層 | EMC評(píng)價(jià) | |
| | 對(duì)稱 3+3 | 細(xì)銅絲編織屏蔽層 | 性能最優(yōu) |
| | 對(duì)稱 3芯 | 細(xì)銅絲編織屏蔽層 | 好 |
| | 非對(duì)稱 4芯 | 細(xì)銅絲編織屏蔽層 | 好 |
| | 對(duì)稱 3+3 | — | 尚好 |
| | 非對(duì)稱 4芯 | — | 中等 |
| | 非對(duì)稱平行芯線或扁電纜 | 銅編織屏蔽層 | 中等 |
| | 非對(duì)稱平行芯線或扁電纜 | — | 差 |
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圖2a所示是一種三芯電纜,它配有同心銅屏蔽層。在此種情況下相線之間以及相線與屏蔽線的距離都是相等的,同時(shí)屏蔽層還作一根保護(hù)導(dǎo)體使用。采用這種結(jié)構(gòu)的電纜和接線方式,應(yīng)考慮到屏蔽層截面的大小必須要保證電纜能夠安全的運(yùn)行。
圖2b所示是一種3+3對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電纜,電纜具有屏蔽層,此種情況三根對(duì)稱導(dǎo)體用作電纜的保護(hù)接地線。該類型電纜的屏蔽層采用銅/鋁縱包加工而成。屏蔽線一端連接到變頻器的保護(hù)條上,一端連接到電機(jī)的保護(hù)端上。
圖2c所示是第三種類型電纜,它采用鍍鋅鋼絲、低節(jié)距絞制鎧裝/屏蔽層。屏蔽線的兩端都連接到保護(hù)線上,但也可以另外增加一層具有高導(dǎo)電率的保護(hù)導(dǎo)體,以防止絞制銅線的截面不夠。
圖2 典型的電纜連接方式此外,電纜的屏蔽層應(yīng)在變頻器的一端用環(huán)型夾360度可靠的接地。如圖3所示。
6結(jié)束語(yǔ)
6.1 變頻系統(tǒng)用電力電纜宜采用對(duì)稱纜芯結(jié)構(gòu),此外電纜應(yīng)具有屏蔽層,屏蔽層宜采用屏蔽效果較佳的縱包結(jié)構(gòu)。建議變頻系統(tǒng)用
電力電纜在安裝時(shí)采用整根連接,帶有中間接頭的電纜其電纜抗干擾性能會(huì)有所降低。
6.2 變頻系統(tǒng)用電力電纜對(duì)于我國(guó)電纜行業(yè)來(lái)說(shuō)是一種新型的電纜產(chǎn)品,應(yīng)加強(qiáng)這種電纜的性能指標(biāo)研究,特別是電纜的電磁兼容
性能、屏蔽性能和傳輸阻抗的研究,同時(shí)應(yīng)盡快制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以期推動(dòng)該電纜的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展應(yīng)用。并能和電機(jī)行業(yè)在電纜的技
術(shù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)尺寸上形成統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。
6.3應(yīng)盡快研制開(kāi)發(fā)滿足變頻系統(tǒng)用電力電纜相關(guān)電氣性能(電磁兼容性能、屏蔽性能和傳輸阻抗等)的測(cè)試設(shè)備,從而滿足電纜質(zhì)
量控制的需要。
6.4應(yīng)加強(qiáng)變頻系統(tǒng)用電力電纜專用附件的開(kāi)發(fā)。
7參考文獻(xiàn)
[1]Pirelli公司電纜資料.2000.
[2]Anixter and BICC cables.1997.
(本文摘自南方電纜網(wǎng))
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雖然變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性,具有功率因數(shù)高、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬和使用方便等優(yōu)點(diǎn),但是由于變頻器要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變等非線型電路,故產(chǎn)生高次諧波電流。現(xiàn)代“綠色”變頻器對(duì)高次諧波有較好的抑制作用,因而能減少高次諧波的輻射,而它通過(guò)電纜輸出的電力,成了干擾源,對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾,尤其是在對(duì)防干擾要求比較高的高精度儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等諧波干擾問(wèn)題尤為突出。所以設(shè)計(jì)合適的變頻用電力電纜,才能有效力減少諧波的輻射和污染,減少電機(jī)的損耗和發(fā)熱。
2 電纜輸送高次諧波電力的危害
電纜是輸送電力的載體,電纜輸出的高次諧波是由于變頻器輸出和輸入產(chǎn)生的,研究變頻器諧波特點(diǎn)和危害,才能設(shè)計(jì)并應(yīng)用合適的電力電纜。
2.1 變頻器產(chǎn)生高次諧波變頻器內(nèi)存在大量非線性電子組件,使變頻器輸出與輸入的電力不是連續(xù)的正弦波,因而就產(chǎn)生了大量高次諧波。根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉(M.Fourier)分析原理證明,任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波可以區(qū)分為偶次性與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中,由于對(duì)稱關(guān)系,偶次諧波已經(jīng)被消除了,只有奇次諧波存在,奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大,常見(jiàn)奇次諧波為3、5、7、9倍諧波,以5倍諧波危害最為嚴(yán)重,如圖1所示。
圖1 電纜中的高次諧波 2.2 變頻電力電纜產(chǎn)生高次諧波的輻射危害 變頻器的輸出電壓和電流波形如圖2所示。在變頻條件下電力電纜是傳輸經(jīng)變頻器電力“加工”的具有高次諧波的電力,高次諧波的輻射危害主要有: (1)增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗,使設(shè)備的溫度過(guò)熱; (2)引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng),使其動(dòng)作失去選擇性,可靠性降低,容易造成系統(tǒng)事故,嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行; (3)對(duì)通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾,影響通信線路通話的清晰度,甚至還會(huì)威脅著通信設(shè)備和人員的安全; (4)對(duì)用電設(shè)備的影響很大,電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變,使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤,嚴(yán)重時(shí)甚至損害機(jī)器; 此外,電力諧波還會(huì)對(duì)測(cè)量和計(jì)量?jī)x器的指示造成不準(zhǔn)確及對(duì)裝置等產(chǎn)生不良影響,它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。 圖2 變頻器的輸出電壓和電流波形 3 電力電纜阻抗振蕩輻射 電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理有兩種,一種是電纜中的電流(差模電流)回路產(chǎn)生的差模輻射,另一種是電纜中的導(dǎo)線(包括屏蔽層)上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射主要來(lái)自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的,共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地(或鄰近其它大型導(dǎo)體)形成的,因此具有較大的環(huán)路面積,會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射,而且頻率越高產(chǎn)生的輻射越強(qiáng)。 逆變器輸出的高頻脈沖在電纜傳輸時(shí)產(chǎn)生反射波電壓,主要是因?yàn)檩敵鲭娎|和電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配引起的。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配,那么輸出的電流和最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同,這就引起在接收端產(chǎn)生反射,這個(gè)反射將傳回發(fā)射端并再次反射回來(lái)。隨著能量的減弱,反射電流的幅度將減小,直到電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定,這種效應(yīng)被稱為振蕩。 電力電纜的阻抗包括交流電阻和電抗部分,在高頻運(yùn)行時(shí),電纜電抗將隨頻率的倍數(shù)而增加,而大量高次諧波的產(chǎn)生,電纜的損耗大大增加,使無(wú)功功率增加,功率因數(shù)減小。 電纜的電抗(主要是感抗,容抗較小):X=2πfL 電感分內(nèi)感和外感兩部分,總計(jì)為: Li=[0.55+2ln()]×10-7H/m 電纜阻抗:Z=R+j2πfL 通常變頻在電力高次諧波的頻率為基波的(3~8)倍,高于工頻,因而由電感產(chǎn)生的阻抗占有比率與普通工頻相比要大得多,足以引起人們對(duì)無(wú)功損耗的重視。據(jù)悉,變頻電力(主要是6脈沖整流)傳輸中產(chǎn)生的高次諧波的功率約為總功率的30%。這些高次諧波可通過(guò)電纜電容和電感的振蕩特性,向周圍環(huán)境進(jìn)行電磁振蕩輻射。 交流電力系統(tǒng)中變頻器產(chǎn)生有害的高次諧波,變頻器就成為連接于該點(diǎn)的諧波源,其諧波電流經(jīng)過(guò)電纜內(nèi)阻的耦合作用,產(chǎn)生交流電壓的波動(dòng)。當(dāng)電纜和電機(jī)負(fù)載電抗不同時(shí),電力電抗有可能和負(fù)載電抗形成諧振,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。因此,必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定的程度,才不會(huì)對(duì)電路中的其他設(shè)備造成有害的影響。 電力非線性失真,電力相位不平衡,高次諧波功率較大,電纜阻抗較大,這是電纜產(chǎn)生電磁振蕩輻射的主要原因。 4 電纜的高頻容性效應(yīng) 由于變頻器輸出端與電機(jī)之間的聯(lián)系采用的電纜各相均存在對(duì)地電容,所以運(yùn)行時(shí)線路上的電容電流是不相等的,且線路中又存在高次諧波電流,如果電纜敷設(shè)距離較長(zhǎng),電容電流離散性就會(huì)更大。在高頻時(shí),電纜的電容決定電纜的傳輸效率,電容電流占到電纜載流容量的相當(dāng)一部分,而且能夠達(dá)到與導(dǎo)體電流相同的數(shù)值,使電纜的傳輸距離減小和無(wú)功損耗增大。 電纜的電容計(jì)算:C=nε×10-12(F/m) 電容充電電流:IC=2πfUC 電纜的介質(zhì)損耗:Wd=2πfU2Ctgδ 高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí),由于電纜絕緣電容承受能力有限,電纜很容易發(fā)生過(guò)負(fù)荷導(dǎo)致絕緣損壞;高次諧波引起電纜內(nèi)耗加大,電纜發(fā)熱,縮短電纜的使用壽命。變頻器與電機(jī)之間的連接電纜存在雜散電容,產(chǎn)生容性漏電流,受高次諧波的激勵(lì)而產(chǎn)生衰減振蕩,造成傳送到電機(jī)輸入端的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生過(guò)沖現(xiàn)象,同時(shí)電機(jī)繞組也存在雜散電容,過(guò)沖電壓在繞組中產(chǎn)生尖峰電流,使其在繞組絕緣層不均勻處引起過(guò)熱,甚至破壞絕緣層而導(dǎo)致電機(jī)損壞,還會(huì)增加電源的功率損耗。電線電纜減小電容,才能夠減少絕緣損耗和容性過(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)的材料,從電纜結(jié)構(gòu)上采用降低電容的設(shè)計(jì),在使用時(shí)應(yīng)盡量減小電纜的使用長(zhǎng)度,才能使電纜電容降到較小的程度。 5 電纜的電磁兼容(EMC) 國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)EMC的定義是:指在不損害信號(hào)所含信息的條件下,信號(hào)和干擾能夠共存。研究電磁兼容的目的是為了保證電器組件或裝置在電磁環(huán)境中能夠具有正常工作的能力。變頻電力電纜的電磁兼容主要考慮的是電纜電磁場(chǎng)不會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生干擾。 從電纜方面講,屏蔽是實(shí)現(xiàn)電磁兼容,減少電磁輻射最好的方式。 屏蔽主要運(yùn)用各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料,制造成各種金屬保護(hù)體并與大地連接,以切斷通過(guò)空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場(chǎng)耦合形成的電磁噪聲傳播途徑,其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開(kāi)來(lái),切斷通過(guò)阻抗進(jìn)行耦合的可能。 根據(jù)“集膚效應(yīng)”,屏蔽電纜的靜電電流(高頻)將趨于在屏蔽層的表面流動(dòng),屏蔽層的表面積較大,能減少“集膚效應(yīng)”阻抗。為了使屏蔽層起到更好的效果,屏蔽層的接地方式通常要采取兩端接地,使得高頻共模電流通過(guò)大地形成了環(huán)路,這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng),減弱電纜內(nèi)電磁振蕩輻射;如果屏蔽不接地,屏蔽上將產(chǎn)生大量共模電壓,將成為電纜的輻射源,同樣具有較大的輻射危害性。 電磁兼容效果的好壞與電纜理想屏蔽抑制系數(shù)有關(guān),一般來(lái)說(shuō),電纜至少需要屏蔽90%的電磁輻射,這就要求電纜屏蔽層具有較大的屏蔽覆蓋面積,較小的屏蔽阻抗,較短的接地線路,才能做到電磁兼容,抑制輻射,保護(hù)電磁環(huán)境。 6 變頻系統(tǒng)電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要性能要求 根據(jù)以上阻抗、電容、屏蔽和對(duì)稱性絕緣多線芯結(jié)構(gòu)的方法,因而電線電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下: (1)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)要求 由于“集膚效應(yīng)”的影響,因而設(shè)計(jì)變頻電纜時(shí)因適當(dāng)增加導(dǎo)體表面積,以減小阻抗。2類導(dǎo)體單根要多,而且在可能的情況下盡量采用5類軟導(dǎo)體,以增加表面積,減少電抗。 (2)絕緣材料選用 采用介質(zhì)常數(shù)較小和耐電暈強(qiáng)度較高的材料,如PE、EPRM、XLPE材料,以減小電容和共模電壓對(duì)電纜絕緣性能的影響,理想材料為XLPE。 (3)絞纜結(jié)構(gòu) 以圓形電纜代替扇形等異形結(jié)構(gòu),增加導(dǎo)體距離,可減少電抗。同時(shí)高切換頻率的脈沖電流要求電機(jī)電纜采用中性線均勻分開(kāi),為每相進(jìn)行電力回歸的方式,減少電抗的輻射;電纜常用的結(jié)構(gòu)方法為三加三分中性線的方法,并將中性線圍以每相之間。 (4)電纜的屏蔽 屏蔽主要采用電屏蔽方式,以銅和鋁等高導(dǎo)電性材料為主,可采用不同加工方式,而且根據(jù)電纜不同需求確定,但要采用增加屏蔽的表面積和降低屏蔽阻抗相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方法最為有效。電纜脈沖屏蔽抑制系數(shù)應(yīng)不大于0.05。如采用電磁屏蔽方式,屏蔽效果可能會(huì)更好。 江蘇亨通電力電纜有限公司屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為銅絲纏繞加銅帶屏蔽的方式,屏蔽表面積覆蓋率達(dá)100%,同時(shí)銅絲纏繞以超過(guò)銅帶截面導(dǎo)通屏蔽帶,使屏蔽阻抗減到最小。 江蘇亨通電力電纜有限公司根據(jù)以上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的變頻電機(jī)用電力電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。 圖3 變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)圖 1.主導(dǎo)體 2.中性導(dǎo)體 3.XLPE絕緣 4.成纜包帶 5.內(nèi)護(hù)套 6.銅絲屏蔽 7.銅帶屏蔽 8.隔離套 9.鎧裝 10.外護(hù)套 根據(jù)國(guó)外先進(jìn)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方式,結(jié)合本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),我公司設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了如圖3所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。 以BPYJVRP1P20.6/1kV3×70+3×10為例,產(chǎn)品主要性能參數(shù)見(jiàn)附表。
對(duì)于中壓大功率變頻系統(tǒng)用電力電纜,電纜采取適當(dāng)屏蔽方式,可有效減少高次諧波輻射。在變頻系統(tǒng)用電力電纜的生產(chǎn)和使用擴(kuò)大的情況下,建議編制相關(guān)行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn),研究特性,更好指導(dǎo)并規(guī)范市場(chǎng)。
7 結(jié)束語(yǔ) 變頻作為電力電子技術(shù)的新發(fā)展給電力環(huán)境提供了優(yōu)秀供電方式,但隨之而來(lái)的電磁輻射問(wèn)題也要有所警覺(jué),除了變頻器系統(tǒng)采用合適的拓樸方法外,作為電纜,雖然輻射比變頻器要小,但在有些場(chǎng)合,電纜電磁輻射也全成為主要的輻射源,因?yàn)樽冾l器、電機(jī)都會(huì)采用一定處理方式,如變頻器采用濾波器,電機(jī)采用一定的電力補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行解決。 因而研究變頻用電力電纜,減少高次諧波的發(fā)生,減少電磁輻射,變頻調(diào)速系統(tǒng)環(huán)境的電磁輻射應(yīng)引進(jìn)重視,采用主動(dòng)防治和被動(dòng)防治相結(jié)合的方法,創(chuàng)造“綠色”環(huán)保的電磁環(huán)境。