本文主要闡述變頻器用電纜的一般要求、結(jié)構(gòu)以及專門用于長距離傳輸?shù)牡碗娙葑冾l器用電纜材料的選用、參數(shù)的確定和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

隨著我國電氣工業(yè)的迅速發(fā)展，變頻技術(shù)越來越多地被應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，各種電機在使用變頻調(diào)速后，實現(xiàn)了電機的軟啟動，使電機工作平穩(wěn)，電機軸承磨損減小，延長了電機使用壽命和維護周期，在石油、冶金、發(fā)電、鐵路、礦山等大功率電機中采用變頻調(diào)速電機，可節(jié)電30%左右。變頻電纜主要用于變頻電源和變頻電機之間的連接，作輸送電能用，尤其適用于造紙、冶金、金屬加工、礦山、鐵路和食品加工等行業(yè)。

變頻器輸出距離和與之連接電纜的分布電容具有密切的關(guān)系。不只是電容器才有電容，任何兩個絕緣導(dǎo)體之間都存在電容，例如導(dǎo)線之間，導(dǎo)線與大地之間，都被絕緣層和空氣介質(zhì)隔開的，都存在著電容。電纜本身便是一個圓柱形的電容器，導(dǎo)電線芯和接地的金屬屏蔽層構(gòu)成了電容的兩個極，電容電流將會限制電纜的傳輸容量和長度，當(dāng)電纜長度較短時，實際影響可以忽略不計，如果電纜很長或傳輸信號頻率很高時，必須考慮分布電容的作用。

一、變頻電纜一般要求

（一）變頻工作原理

目前的變頻電源是通過電力半導(dǎo)體器件調(diào)壓，較大程度上改變了波形特性，這就給電機和電纜帶 來了新問題：變頻器中通常通過大功率的自關(guān)斷開關(guān)器件進(jìn)行整流、然后對直流電壓進(jìn)行PWM逆變，結(jié)果是在輸入輸出回路產(chǎn)生電壓的高次諧波，干擾供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備，尤其是控制系統(tǒng)的I/O信號，同時由于高次諧波的存在，使得變頻電纜應(yīng)具有更高的絕緣安全裕度。在實際使用過程中，經(jīng)常會遇到變頻器高次諧波的干擾問題。變頻器的主回路一般為交-直-交組成，外部輸入380V/50Hz的工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓，經(jīng)濾波電容濾波及大功率晶閘管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流電壓，在整流回路中，由于不規(guī)則的矩形波的存在，波形按傅立葉級數(shù)分解為基波和各次諧波，其中的高次諧波將干擾輸入供電系統(tǒng)，在逆變回路中，輸出電流波形是PWM載波信號調(diào)制的脈沖波形，對于GTR大功率逆變元件，其PWM的載波頻率為3000赫茲，而IGBT大功率逆變元件的PWM載頻可達(dá)1500赫茲。

（二）變頻電纜特點

1.脈沖電壓對絕緣的影響

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)到工作電壓數(shù)倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，可能被擊穿。

2.電纜本體對外發(fā)射電磁波

一般變頻家用電器為單相供電，長度很短，功率也較小，變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設(shè)置在金屬殼內(nèi)，抑制了電磁波對外發(fā)射。但是在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，電機功率較大，連接變頻電機和變頻電源之間的電纜長度長，在工作時電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對于周圍鄰近地區(qū)的廣播通信將產(chǎn)生較大的干擾，有時情況也比較嚴(yán)重，稱之為電磁波的環(huán)境污染。

3.中性線電流的疊加

完整的三相正弦供電系統(tǒng)，當(dāng)三相電流平衡時，其中性線的電流為零，若出現(xiàn)三次諧波，則三次諧波的電流分量在中性線內(nèi)不存在相位差，所以直接疊加成分量的三倍。若變頻原供電對象是三個單相變頻電機，而且處于三相功率分布平衡狀態(tài)，則中性線電流更大，中性線截面應(yīng)不小于相截面。?

（三）大長度變頻電纜特點

在電纜遠(yuǎn)距離敷設(shè)系統(tǒng)中，電纜的電容會表現(xiàn)地較為明顯，對控制回路產(chǎn)生一定的影響，甚至影響控制功能，特別是對于變頻器控制普通低壓電機的控制回路，故障較多表現(xiàn)為過流、起停失靈等現(xiàn)象，給生產(chǎn)和維護造成很大的安全隱患。由于輸出線上的分布電容和分布電感的共振產(chǎn)生浪涌電壓，將會疊加到輸出電壓上，晶體管的開關(guān)頻率越高，電纜越長，產(chǎn)生的浪涌電壓越高時，可產(chǎn)生直流電壓的兩倍的浪涌電壓。這種情況下，很容易引起過壓過流保護，甚至燒壞模塊。

二、低電容變頻電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)變頻電纜的使用特點，低電容變頻電纜除了滿足普通變頻電纜的使用要求：良好的絕緣性能、電纜絕緣線芯對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計、以及滿足使用要求的屏蔽結(jié)構(gòu)外，還要具有低電容性能，以滿足大長度變頻電纜的使用要求。目前，變頻電纜各個生產(chǎn)廠商一般參照GB/T12706來制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，或者是執(zhí)行地方標(biāo)準(zhǔn)，還沒有明確的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)定低電容變頻電纜的具體制造方法，根據(jù)低電容的電纜的特點要求，本文重點在影響電纜電容的絕緣材料、幾何因數(shù)方面作以下介紹，提出低電容變頻電纜的設(shè)計要求，供同行之間相互交流。

（一）絕緣材料選擇

單位長度單芯電纜的電容按以下公式計算：

式中：ε0—真空介電常數(shù)，ε0=8.86×10-12 F/m；

? ε—絕緣材料相對介電常數(shù)；

? Di—絕緣外徑；

? Dc—導(dǎo)體緣外徑。

為方便計算，可將公式（1）寫成：

對于多芯圓形電纜。三芯聯(lián)在一起對金屬屏蔽層（或金屬護套）的電容為：

式中：n—電纜芯數(shù)；

G1—多芯電纜的幾何因數(shù)；

從式（2）中可以看出，電纜電容的大小與絕緣材料的選用有直接關(guān)系，在相同的擠出厚度前提下，絕緣材料相對介電常數(shù)越大，電纜的電容就越大；相同的擠包絕緣材料，包覆厚度越小，其電容就越大，下表列出了常用的絕緣材料的相對介電常數(shù)。

表1 絕緣材料相對介電常數(shù)

從表1我們可以看出，電纜常用的絕緣材料當(dāng)中，聚氯乙烯（PVC）絕緣的相對介電常數(shù)最大，故一般不適用于用作低電容要求的變頻電纜，氟塑料絕緣的相對介電常數(shù)較小，但其擠出厚度一般較薄，電容與同規(guī)格其他絕緣電纜相比也較大，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)使用環(huán)境要求，計算后再行確定；比較以上幾種絕緣材料，交聯(lián)聚乙烯以及硅橡膠比較適合用于低電容要求電纜絕緣材料。

（二）幾何因數(shù)確定

從公式（2）我們可以看到，影響電纜電容的參數(shù)除了絕緣材料外，還有幾何因數(shù)G，圖1為各種型式電纜的幾何因數(shù)，從圖中而幾何因數(shù)是由電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)來決定的，包括絕緣厚度、導(dǎo)體外徑、導(dǎo)體表面到金屬屏蔽間的距離以及導(dǎo)體形狀等，下面我們逐一介紹。

1.絕緣厚度

圖1中Δ為兩絕緣線芯的絕緣厚度之和，Δ1為導(dǎo)體表面到金屬屏蔽層間的距離，即絕緣厚度和屏蔽層下墊層厚度之和，Δ1/Δ 受到絕緣厚度和屏蔽層下墊層厚度兩個參數(shù)的影響，Δ1/Δ為≥1時，幾何因數(shù)最大，即：

式中：

t1—屏蔽層下墊層厚度；

t2—絕緣厚度；

計算后，得：t1≥t2 （5）

從式（5）可以看出，若其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，當(dāng)屏蔽下墊層厚度不小于絕緣厚度時，幾何因數(shù)最大，電纜電容最小。

2.導(dǎo)體外徑

從圖1曲線可以直接看出，Δ1/DC值越大，幾何因數(shù)越大，電容越小，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，導(dǎo)體直徑DC越小，電容越小。

3.導(dǎo)體表面到金屬屏蔽距離

幾何因數(shù)是通過計算Δ1/Δ和Δ1/DC兩個值，然后查幾何因數(shù)曲線圖得來的，故幾何因數(shù)最重要的影響參數(shù)即為導(dǎo)體表面到金屬屏蔽層間的距離Δ1來決定的，所以當(dāng)導(dǎo)體直徑、絕緣厚度值不變時，屏蔽層下墊層厚度的大小直接影響電纜對地電容，屏蔽層下墊層厚度越厚，幾何因數(shù)越大，電容越小。

4.導(dǎo)體形狀

低壓電力電纜導(dǎo)體結(jié)構(gòu)一般有圓形和扇形結(jié)構(gòu)，對于3芯變頻電纜，若形狀采用扇形結(jié)構(gòu)，還需乘扇形校正因數(shù)，扇形校正因數(shù)取值范圍為0.6-1.0，故若采用扇形導(dǎo)體，其幾何因數(shù)是一定小于圓形導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的，相應(yīng)的扇形導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電纜電容一定是大于圓形導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

5.影響因素分析

從以上分析來看，絕緣厚度、導(dǎo)體外徑、導(dǎo)體表面到金屬屏蔽間的距離以及導(dǎo)體形狀都會直接影響電纜的電容，但各個參數(shù)影響大小卻不相同，我們以BPYJVP-0.6/1kV 3×4和BPYJVP-0.6/1kV? 3×70來舉例說明，具體見表2：

從表中看到，導(dǎo)體外徑是影響幾何因數(shù)最重要的參數(shù)，但是對于相同規(guī)格電纜，導(dǎo)體外徑相差不大，硬導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電容要小于軟結(jié)構(gòu)電纜；其次導(dǎo)體表面到金屬屏蔽距離是影響幾何因數(shù)的次要因素，由于金屬屏蔽下墊層厚度容易實現(xiàn)，采用擠包墊層結(jié)構(gòu)或者繞包較厚的墊層，即可實現(xiàn)電纜較小的電容，值得注意的是，當(dāng)導(dǎo)體外徑較大時，墊層厚度增加的幅度較大，否則幾何因數(shù)變化不明顯；增加絕緣厚度也可以增大幾何因數(shù)，減小電纜的電容，但是在設(shè)計時，要盡可能保證屏蔽下墊層厚度不小于絕緣厚度。

三、舉例計算及試驗結(jié)果

應(yīng)客戶要求，BPYJVRP-0.6/1 3×4+3×1，該變頻電纜要求絕緣線芯間工作電容不大于120pF/m：按照普通變頻電纜來設(shè)計：

根據(jù)公式（2），并帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得：

由于電纜工作環(huán)境中，還有其他分布電容，所以如果按照普通結(jié)構(gòu)設(shè)計，測量結(jié)果很有可能會超過客戶要求值。

將參數(shù)帶入公式（2）得：

采用上述設(shè)計參數(shù)，電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于客戶要求值，即使加上其他分布電容，也不會高于客戶要求值，我們按照該參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，經(jīng)國家電線電纜檢測中心（安徽）檢測，絕緣線芯工作電容為71.0 pF/m，基本與設(shè)計結(jié)果吻合。

四、結(jié)束語

對于變頻電纜，如果沒有特殊使用要求，按照各個企業(yè)制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或地方標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)即可，若是傳輸長度較長，一定要考慮電容對傳輸性能的影響，根據(jù)客戶要求，設(shè)計好結(jié)構(gòu)參數(shù)后，應(yīng)考慮安全裕度，最后還需實際測量驗證，而且分布電容是一種分布參數(shù)，其數(shù)值不僅隨電纜的生產(chǎn)廠商不同而存在差異，而且會因為電纜的敷設(shè)方式、工作狀態(tài)和外界環(huán)境因素而不同，這需要在設(shè)計時綜合考慮。

參考文獻(xiàn)：

[1] 卓金玉.電力電纜設(shè)計原理.高等學(xué)校教材.

[2] 額定電壓1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分：額定電壓1kV（Um=1.2kV）和3kV（Um=3.6kV）電纜 [M].國家市場監(jiān)督管理總局 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理文員會，2020.

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