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变频电缆发展关键 变频电缆摘要 当前变频电缆的发展。上海电缆研究所 高级顾问 张兆焕 近二十年来变频调速电机在国内外有很大的发展，年增长率略超过10% ，而直流传动年增长率为3-4% 。变频电机具有较多的优点，如设备投资费用少，结构简单，体积小，成本低，节能，调速范围大，具有恒功率、恒转速的特性，使用方便，容量大等等。因此当前在冶金、矿山、铁路等工业方面广泛地使用，最近在家用电器同样也大量应用。 变频调速技术关系到变频电机、变频电源和连接电缆，这段电缆长度并不很长，截面也不很大，绝缘性能属于电力电缆范畴，因为实际的工作频率为30～300 Hz ，常简称为变频电缆，当前常选用交联聚乙烯为绝缘材料。 大概三十年前，电缆研究所开发和生产过中频电缆，这也可称得上是目前变频电缆的前身，其工作频率为100～400 Hz ，提供电源的设备是由直流电机驱动的中频发电机组，改变直流电机转速来调节发电机的输出频率，中频电压的波形能维持形状规则的正弦波，当时电缆的设计思路是降低线路阻抗和集肤效应，采取同轴电缆和扩大内导体直径，电缆在冶金工业上应用效果十分良好。 目前的变频电源是通过可控硅元件调频，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。 一、变频电缆的工作特点 1.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。石油开采用3000多米长的潜油泵电缆，在工频下能长期正常运行，可是在变频条件下，电缆才投入运行数小时即发生击穿，说明脉冲过电压的危害性，所以预防是必要的。由于交联绝缘电力电缆的耐压水平较高，电缆长度一般在300米以内，多年来的运行未发生击穿事件，尽管如此，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。 2.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（如无绳电话）或调幅接受器（如收音机调幅波段）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，国外早已对这种电缆提出要求，国内也很重视，目前各电缆厂制订了企业标准，今后将会统一制订行业标准。 3.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。二、变频电缆的结构及附加试验讨论 了解变频电缆工作特点之后，就不难从电缆结构改进来解决上述三个问题。 1.绝缘的电气击穿问题 变频电机大量应用后，大多数情况选用一般电力电缆，如聚氯乙烯绝缘、护套电缆或交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套电缆，由于电缆本身耐压水平较高，很少发生电缆本体击穿。这与上述深井油泵电缆击穿事故显然不同，深井油泵电缆采用聚酰亚胺/聚全氟乙丙烯复合薄膜绕包烧结和乙丙橡胶双层绝缘，从厚度和绝缘密实来看并不理想，油泵电缆长度超过3千米，油井的工作环境严酷，电缆处在高温、高压、含油和含水的条件中工作，其绝缘性能比较脆弱，当运行过程中受到多种恶劣因素的侵蚀后发生电、热因子交错作用而导致绝缘击穿。为何电缆在工频下能长期运行而变频下几小时内击穿? 这决不是老化问题，基本上可归结于高频脉冲电压的影响。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。 2.高频电磁波对环境污染问题 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。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成缆,二种情况相比较，对称型比较有利。第二应认为更重要的是加强总屏蔽结构。制造者习惯采用铜线编织屏蔽，实际上这并不是好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效应不是最理想。采用铜带搭盖纵包并轧纹是较为先进的结构和工艺，形成了全封闭金属层，只要厚度适当，可达到有效的屏蔽功能。而这种工艺及其所用的材料在光缆领域中已十分普遍，铜带厚度不能太薄，以保证抑制电磁波对外发射。 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。 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IEC 60502 标准仅对 3.6/6 kV 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）是体现电缆绝缘水平。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 40 kV ，但需要进一步验证，是否必要工厂也可自行决定。三、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 ～ 6/10 kV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。四、结束语变频电机用交联聚乙烯绝缘电缆是一种新的系列产品，目前还不能说很成熟，技术上比较容易解决。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，当前对这类产品的行业标准也可提上日程。

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