郭儉旭

(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)

0 引言

近年來，隨著變頻調(diào)頻技術(shù)的快速發(fā)展，變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在鋼鐵、冶金、石油開采等特殊領(lǐng)域，工作環(huán)境惡劣，溫度較高，在使用遠(yuǎn)距離電纜連接安裝在不同位置的變頻器和電機(jī)時(shí)，電機(jī)功率較大，頻率譜帶較寬，因此，對(duì)于變頻器—電纜—電動(dòng)機(jī)這樣一個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，電纜的分布特性、長(zhǎng)度等成為影響變頻器工作效率的主要因素。

本文主要從使用環(huán)境、電壓或電流的波形畸變、電磁干擾、分布電容、波形阻抗等諸多因素加以考慮，對(duì)其電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇以及關(guān)鍵生產(chǎn)工藝進(jìn)行了分析，研制了硅橡膠絕緣硅橡膠護(hù)套變頻器電力電纜。該產(chǎn)品可以滿足使用環(huán)境的要求，從而使整個(gè)變頻系統(tǒng)工作地更加可靠、穩(wěn)定。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(見圖1)

圖1 硅橡膠絕緣硅橡膠護(hù)套變頻器電力電纜結(jié)構(gòu)

高頻電力電子技術(shù)用于變頻器，會(huì)產(chǎn)生高次諧波。電力電纜作為傳輸電力的載體，使得諧波危害加倍。由于變頻器電纜使用的特殊要求，我們主要從外界對(duì)變頻器電纜的影響以及變頻器電纜對(duì)外界的影響兩方面著手研究，同時(shí)還要考慮變頻電纜的絕緣電壓、敷設(shè)空間、彎曲半徑等，設(shè)計(jì)電纜結(jié)構(gòu)。

1.1.1 電纜整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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)上的共模電流回路產(chǎn)生的共模輻射。兩者都會(huì)隨輸入信號(hào)頻率的增高而增強(qiáng)。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，產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，而且頻率越高產(chǎn)生的輻射越強(qiáng)。常用變頻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、電容產(chǎn)生的阻抗占比率與普通工頻相比要大得多。這足以引起我們對(duì)無功損耗的重視［1］。

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%［2］。變頻交流電力系統(tǒng)中產(chǎn)生有害的高次諧波，變頻器為連接于該點(diǎn)的諧波源，其諧波電流經(jīng)過電感和電容的耦合作用，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)，輸出的電流和最終的穩(wěn)定狀態(tài)不同，將會(huì)在接收端產(chǎn)生反射波，反射波與入射波疊加，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［3］。因此，必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定水平，才不會(huì)對(duì)電路中的其他設(shè)備造成有害的影響。

在完整的三相系統(tǒng)中，當(dāng)三相電流平衡時(shí)，其接地線芯的電流為零，當(dāng)高次諧波產(chǎn)生時(shí)，經(jīng)多次反射便會(huì)出現(xiàn)波峰與波峰或波谷與波谷疊加的情況，電纜越長(zhǎng)這種現(xiàn)象越明顯。對(duì)于3+1型電纜，高次諧波產(chǎn)生的電流分量為接地分量的數(shù)倍，最終使得接地線芯在高頻脈沖下很快被擊穿。電纜采用“3+3”結(jié)構(gòu)，即將傳統(tǒng)的一根中性線分成三相，主線芯和接地線芯構(gòu)成隔離式對(duì)稱分布，將電位不平衡的因素給予整合，保證電場(chǎng)相位的一致性，電場(chǎng)再次均衡，且電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠;對(duì)稱“3+3”屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高電纜抗電磁輻射性能，保證電纜應(yīng)用于變頻器時(shí)，一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它電器設(shè)施，以提高整個(gè)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的用電安全性，實(shí)現(xiàn)變頻器和電源的匹配，改善功率因數(shù)，減少高次諧波的不良影響，降低電機(jī)噪音。

1.1.2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)由于變頻器電力電纜多敷設(shè)在室內(nèi)，空間較小，這就要求在保證性能的基礎(chǔ)上電纜的外徑、重量、彎曲半徑等盡量小，為此該電纜的導(dǎo)體一般采用符合GB/T 3956要求的5類軟銅絲絞合導(dǎo)體。

(2)由于“集膚效應(yīng)”的影響，設(shè)計(jì)變頻器電力電纜時(shí)應(yīng)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。

(3)采用圓形結(jié)構(gòu)代替異型結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)體距離，可減少電抗。

1.1.3 電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于屏蔽層引進(jìn)了新的分布電容，改變了原來的分布電容結(jié)構(gòu)，因此，可以有效減弱受感物的干擾感應(yīng)電壓;同時(shí)，導(dǎo)電的磁屏蔽層處在交變電磁場(chǎng)中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，導(dǎo)致電磁場(chǎng)在該導(dǎo)電媒質(zhì)中按指數(shù)規(guī)律衰減;第三，銅、鋁、鐵等金屬材料導(dǎo)電性強(qiáng)，頻率較高的電磁波幾乎不能透入。因此，電磁屏蔽能有效抑制空間的電磁干擾，變頻器輸入、輸出電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)非常重要。

不同的屏蔽材料以及材料的厚度對(duì)于電磁波的吸收效果是不一樣的。我們主要采用電屏蔽方式，以銅和鋁等高導(dǎo)電性材料為主，根據(jù)電纜不同需求，采用不同加工方式，結(jié)合增加屏蔽表面積和降低屏蔽阻抗相結(jié)合的方法。電纜脈沖屏蔽抑制系數(shù)應(yīng)不大于0.05。屏蔽層既起到抑制電磁波對(duì)外發(fā)射的作用，又可作為短路電流的通道，起到中性線芯的保護(hù)作用。傳統(tǒng)制造者習(xí)慣采用銅線編織屏蔽，實(shí)際上這并不是好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效果不是最理想。采用銅絲疏繞+銅帶繞包復(fù)合屏蔽是較為先進(jìn)的結(jié)構(gòu)和工藝，形成了全封閉金屬層，達(dá)到有效的屏蔽效果。銅絲疏繞屏蔽間平均間隙不大于4 mm，任兩線間最大間隙不大于8 mm，銅帶屏蔽需重疊搭蓋，搭蓋率不小于25%。因此，屏蔽表面積覆蓋率達(dá)100%，同時(shí)銅絲疏繞以超過銅帶截面導(dǎo)通屏蔽帶，使屏蔽阻抗減到最小。

1.2 材料的選用

由于連接變頻器與電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電纜各相均存在分布電容，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在寄生電容，并且線路中又存在高次諧波電流。高頻條件下，電纜內(nèi)部存在的雜散分布電容以及電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在的寄生電容，將產(chǎn)生容性漏電流，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)生過沖現(xiàn)象?？梢?，高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí)，由于電纜承受相當(dāng)大的高頻脈沖過電壓、過電流，使得電纜絕緣容易老化、擊穿，且輸出電纜線越長(zhǎng)，電纜中過電壓、過電流越嚴(yán)重，發(fā)熱也越嚴(yán)重。如果沒有特殊的電纜絕緣設(shè)計(jì)，電纜會(huì)迅速擊穿。因此，有效地減小電線電纜電容，才能夠減少絕緣損耗和容性過電流。低電容要求電纜絕緣材料應(yīng)選用低介質(zhì)常數(shù)和耐電暈強(qiáng)度較高的材料，以減小電容和共模過電壓對(duì)電纜絕緣性能的影響。

硅橡膠材料具有優(yōu)異的耐高溫、耐低溫、耐油、耐酸堿等性能，同時(shí)，其電絕緣性能、耐電暈性和耐電弧性非常好，介電常數(shù)雖不如交聯(lián)聚乙烯理想，但是綜合使用環(huán)境，如在高溫、低溫、有油污、有污染的環(huán)境中使用，硅橡膠材料具有特定的優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 材料機(jī)械性能驗(yàn)證

在選擇硅橡膠材料時(shí)，采用試驗(yàn)對(duì)比的方法，以硅橡膠為基料，添加一定的硫化劑、色膏等。根據(jù)調(diào)整硫化劑的比例及壓片時(shí)的溫度、時(shí)間，驗(yàn)證材料性能達(dá)到最佳時(shí)的試驗(yàn)條件，最終調(diào)整生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)溫度和速率。

硅橡膠材料機(jī)械性能驗(yàn)證如下:

原材料:硅橡膠基料、雙2、4硫化劑

試驗(yàn)條件:

常量(1)試驗(yàn)厚度1 mm左右;(2)試驗(yàn)壓力15 MPa;(3)壓片時(shí)間3 min。

變量 (1)硫化劑比例1.2%、1.5%;(2)壓片溫度140℃、150℃、170℃(160℃時(shí)試樣有缺陷，未做試驗(yàn))。

試驗(yàn)一:將添加不同比例硫化劑的硅橡膠原料進(jìn)行混煉，在一定的溫度下進(jìn)行壓片，測(cè)試材料老化前后的抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，測(cè)試結(jié)果見表1。

試驗(yàn)二:將硅橡膠原料及硫化劑按照一定的比例進(jìn)行混煉，在不同的溫度下進(jìn)行壓片，測(cè)試材料老化前后的抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及材料的體積電阻率，測(cè)試結(jié)果見表2。

表1 添加劑比例與材料機(jī)械性能的關(guān)系

表2 壓片溫度與材料機(jī)械性能的關(guān)系

通過表1可以看出，添加劑比例在1.2%時(shí)抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均比添加劑比例在1.5%時(shí)好;通過表2可以看出，壓片溫度在140℃的抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較優(yōu)，且性能符合設(shè)計(jì)輸入的要求(老化前抗拉強(qiáng)度≥9.0，斷裂伸長(zhǎng)率≥400%，老化后抗拉強(qiáng)度≥8.0，斷裂伸長(zhǎng)率≥250%)，此時(shí)的性能指標(biāo)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)品的性能要求(老化前抗拉強(qiáng)度≥6.0，斷裂伸長(zhǎng)率≥100%，老化后抗拉強(qiáng)度≥5.0，斷裂伸長(zhǎng)率≥120%)。

2 關(guān)鍵生產(chǎn)工藝控制

2.1 硅橡膠的硫化工藝

硅橡膠材料可在開煉機(jī)上進(jìn)行低溫混煉。混煉時(shí)加入一定比例的硫化劑、色膏和其它助劑，輥筒溫度控制在50℃以下。在混煉完畢后最好在室溫下停放一段時(shí)間，但存放時(shí)間不宜過長(zhǎng)，然后進(jìn)行反煉后再進(jìn)行擠出、硫化。

絕緣和護(hù)套分別擠出采用65#和115#硅橡膠擠出機(jī)，單螺旋螺桿，長(zhǎng)徑比為14∶1，擠出溫度控制在60℃以下，機(jī)筒和螺桿均須通冷卻水，以免產(chǎn)生膠料焦燒、硫化過程產(chǎn)生氣泡等現(xiàn)象。在試制過程中，絕緣及護(hù)套的偏心現(xiàn)象嚴(yán)重，并且出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象。通過對(duì)模芯、模套配置進(jìn)行調(diào)整，該現(xiàn)象得到解決。試制時(shí)還經(jīng)常出現(xiàn)氣泡、起泡現(xiàn)象。經(jīng)過仔細(xì)分析研究發(fā)現(xiàn)，引起電纜氣泡的主要原因是膠料在煉制的過程中含有大量的空氣，通過對(duì)膠料配方進(jìn)行改進(jìn)加以解決。起泡現(xiàn)象是生產(chǎn)硅橡膠電纜經(jīng)常遇到的問題，如果膠料潮濕、電纜導(dǎo)體潮氣重、成纜填充物含水，在高溫硫化的過程中都會(huì)引起絕緣和護(hù)套表面起泡，因此，在硫化過程前要對(duì)導(dǎo)體、纜芯或者填充材料進(jìn)行烘干處理，硫化過程控制好溫度，便可以避免起泡現(xiàn)象的發(fā)生。

擠出速度是硫化質(zhì)量的關(guān)鍵，速度過快，硫化不足，力學(xué)性能和彈性不好;速度過慢，則過硫。通過對(duì)不同規(guī)格電纜的調(diào)試，記錄不同厚度和生產(chǎn)速度的關(guān)系，做出硫化曲線，確定合理的硫化工藝。

2.2 成纜工藝

變頻器電力電纜主要的一個(gè)性能就是屏蔽抑制性能，然而，電纜偏心現(xiàn)象嚴(yán)重將導(dǎo)致電纜的電磁屏蔽效果下降。成纜工藝是對(duì)3+3結(jié)構(gòu)變頻器電力電纜成品結(jié)構(gòu)對(duì)稱性影響至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。為了使變頻電纜性能最優(yōu)化，要求技術(shù)、工藝人員合理設(shè)計(jì)，操作人員技術(shù)嫻熟，生產(chǎn)設(shè)備性能穩(wěn)定。首先，導(dǎo)體的束絞要規(guī)則，絕緣線芯成纜時(shí)絞合節(jié)距要比同規(guī)格的普通電力電纜小一些，電纜的導(dǎo)體、絕緣線芯絞合及繞包帶的繞包方向均應(yīng)同向;其次，成纜時(shí)大截面電纜需采用填充物，填充要飽滿，絕緣線芯的放線張力應(yīng)保持均一，保證電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和成纜圓整，降低偏心。

3 結(jié)束語

硅橡膠絕緣變頻器電力電纜，主要適用于鋼鐵、冶金、石油石化、化工、電廠等多種高溫工業(yè)場(chǎng)所。它具有耐高溫、耐低溫、耐輻射、耐老化、耐臭氧、耐電暈性和耐電弧性、抗電磁干擾、柔軟等特性。對(duì)稱電纜結(jié)構(gòu)由于導(dǎo)線的對(duì)稱換位的絞合，有更好的電磁相容性，提高變頻電機(jī)專用電纜的抗干擾性，減少了整個(gè)系統(tǒng)中的電磁輻射。屏蔽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)充分利用了銅材良好的導(dǎo)電性與良好的塑性，采用“銅絲纏繞+銅帶繞包”方式，可抗電磁感應(yīng)、接地不良和電源線傳導(dǎo)干擾，減小電感。該產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測(cè)，符合或超過國(guó)內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)定，符合使用要求。

此外，根據(jù)產(chǎn)品的適用場(chǎng)合設(shè)計(jì)阻燃和耐火的變頻器電纜產(chǎn)品，可滿足更多特殊場(chǎng)所的使用要求。

［1］吉啟榮.變頻系統(tǒng)電力電纜諧波振蕩輻射及抑制［J］.EMC及抗干擾技術(shù)，2007(4):100-103.

［2］Sidney Bell，Tinothy J，Cook son.Experience with variable-frequency drives and motor bearing reliability［J］.IEEE Trans.Ind.Appl.2001，37(5):1438-1446.

［3］張 珍.變頻系統(tǒng)長(zhǎng)線電纜的研究及過電壓抑制［D］.大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，5-6.