衛(wèi)國升

(遠東電纜有限公司，江蘇宜興214257)

0 引言

近年來，變頻調(diào)速裝置憑借其節(jié)能、省力、易于自動控制的顯著優(yōu)勢，成為電力傳動的中樞設(shè)備，促使變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛地深入到各行各業(yè)中。據(jù)中國自動化網(wǎng)報道，由于在大功率電機上普遍采用了變頻調(diào)速技術(shù)，不僅可節(jié)能30%，并且能實現(xiàn)電機的軟啟動，使電機工作平穩(wěn)，電機軸承磨損減小，延長電機的使用壽命和維護周期。但與之相對應(yīng)的用于連接變頻器和變頻電機的供電電纜，在實際安裝中卻是采用普通電力電纜，這已成為影響變頻器和變頻電機工作效率的主要因素。

本文主要闡述我公司大功率變頻電機專用電纜的研制情況，以8.7/10 kV級交聯(lián)聚乙烯(XLPE)絕緣電纜為例，對電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制造技術(shù)工藝、產(chǎn)品性能等進行了探討。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于變頻器—變頻電纜—變頻電機這樣的電氣傳動系統(tǒng)，變頻器工作時不可避免地會產(chǎn)生高次諧波電流和高次諧波干擾。電力電纜作為傳輸電力的載體，如果沒有特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)，就會使諧波危害程度加倍。因此，要求變頻電纜一方面不受外界干擾，另一方面不干擾其它相鄰電氣設(shè)備，以提高整個變頻傳動系統(tǒng)的用電安全性，實現(xiàn)電氣參數(shù)的匹配。

還有一個問題是必須避免電流和電壓發(fā)生諧振。由于高次諧波的存在，一旦某次諧波與變頻器或電動機一側(cè)電流或電壓發(fā)生諧振，這個諧振頻率接近于諧波源的某個諧波頻率時就會產(chǎn)生很高的諧波電壓［1］，導(dǎo)致電氣設(shè)備嚴重?zé)龤У暮蠊@類諧振與電纜長度有關(guān)，一般希望電纜有較高的諧振點，也就是說希望電纜的電感電容的乘積的平方根有較小值，這樣就可以得到較大的電纜長度而不發(fā)生諧振。

對于具有公共金屬屏蔽的三相平衡系統(tǒng)，因線芯通過的三相電流的相量和為零，故在公共金屬屏蔽層中的感應(yīng)電壓相量和也為零［2］。當產(chǎn)生的高次諧波，經(jīng)多次反射會出現(xiàn)波峰與波峰或波谷與波谷疊加的情況，電纜越長這種現(xiàn)象越明顯，兼之電纜這個大的電容本身對高次諧波就有放大的作用。電纜屏蔽采用分屏蔽和總屏蔽的結(jié)構(gòu)，屏蔽效果更好，明顯提高電纜抗電磁輻射性能，減少高次諧波的不良影響。

1.2 導(dǎo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計

低壓變頻電力電纜一般常采用符合GB/T 3956—2008要求的5類軟銅絲絞合導(dǎo)體，但8.7/10 kV電纜電壓等級高，因此在GB/T 12706.2—2008規(guī)定導(dǎo)體采用緊壓圓形結(jié)構(gòu)［3］，可以明顯改善電場均勻分布，以防止尖端放電破壞絕緣品質(zhì)。

1.3 電纜絕緣設(shè)計

對于選用一般電力電纜，如XLPE絕緣聚氯乙烯護套電纜，由于電纜本身耐壓水平較高，很少發(fā)生電纜本體擊穿，卻為何在工頻下能長期運行而變頻下幾小時內(nèi)擊穿?事實證明這絕不是老化問題，基本可歸結(jié)于高頻脈沖電壓沖擊的緣故。

由于高次諧波的頻率為基波的3～8倍，因此由電感、電容產(chǎn)生的阻抗占比率與基波相比要大得多，這足以引起對無功損耗的重視［4］。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，幅值疊加可達到工作電壓的數(shù)倍，電纜越長，幅值越高，若電纜絕緣安全系數(shù)不高，就會擊穿。為使電纜能夠安全長距離傳輸，要求8.7/10 kV變頻電纜具有優(yōu)異的絕緣性能，故8.7/10 kV電纜厚度適當加厚，采用5 mm厚度的高介電XLPE材料作為變頻電纜的絕緣，采用導(dǎo)體屏蔽、絕緣、絕緣屏蔽三層共擠的方式，層間光滑，均化電場，提高絕緣性能，可應(yīng)對高頻脈沖反射疊加電壓的沖擊。

1.4 電纜對稱性設(shè)計

變頻器和變頻電機之間的電纜，由于結(jié)構(gòu)不對稱平衡，電纜的電場、磁場始終處于不平衡狀態(tài)，傳輸阻抗高，高次諧波發(fā)射量大;要求電纜必須采用電氣對稱的結(jié)構(gòu)，普通電力電纜是將三根絕緣線芯采用銅帶屏蔽后成纜，而變頻電纜是由銅絲疏繞加銅帶反向間隙繞包屏蔽后擠包分相護套，然后對稱成纜(見圖1)。良好的對稱電纜結(jié)構(gòu)有更好的電磁相容性，能抑制電磁波干擾，提高電纜的抗干擾性能。

1.5 電纜屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

電纜屏蔽采用分相屏蔽和總屏蔽的結(jié)構(gòu)，分相屏蔽如上所述一般采用銅絲疏繞加銅帶反向扎緊組合屏蔽方式;總屏蔽結(jié)構(gòu)采用氬弧焊皺紋銅套屏蔽方式。由于電纜的總屏蔽采用氬弧焊皺紋銅套結(jié)構(gòu)工藝，實現(xiàn)了整個電纜便于彎曲、完全密封屏蔽效果，屏蔽抑制系數(shù)小于0.01，能有效地抑制高次諧波、電磁波的輻射和傳導(dǎo)，達到了電纜各項電氣參數(shù)的對稱平衡，在含有高次平衡狀態(tài)下(包括電感、電容等各種電氣參數(shù))，傳輸阻抗低、高次諧波發(fā)射量小［5］。電纜處于最佳狀態(tài)而充分地發(fā)揮其絕緣水平，確保在高頻脈沖發(fā)射作用下保持性能穩(wěn)定，安全可靠，并具有良好的綜合性能，適應(yīng)多種敷設(shè)環(huán)境，保證電纜運行長期可靠。

圖1 銅絲疏繞加銅帶屏蔽后分相護套結(jié)構(gòu)變頻電纜

1.6 屏蔽層接地方式

屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)射的必要條件，銅線的接地方式比較容易解決，即金屬屏蔽和變頻電機外殼一并接地;而皺紋銅套屏蔽需用專用夾具接地，夾具與皺紋銅套的接觸面應(yīng)當吻合，接地線由夾具尾端引出接地即可。

2 材料的選用

高次諧波加在電纜兩端時，電纜承受相當大的的高頻脈沖過電壓、過電流，導(dǎo)致絕緣易老化、擊穿，且電纜越長，電纜中過電壓、過電流越嚴重，發(fā)熱更甚。因此，有效減少電纜的電容，才能減小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)和耐電暈強度較高的材料。

電纜采用5 mm厚度的高介電XLPE作為電纜的絕緣，電纜絕緣性能好、介電性能高，能經(jīng)受高頻脈沖反射疊加(2～3倍)電壓的長期不斷沖擊。

電纜分相護套、內(nèi)護層、外護套采用低煙無鹵阻燃聚烯烴環(huán)保材料，電纜在制造加工、運輸、敷設(shè)及使用過程中，無有毒有害物質(zhì)產(chǎn)生，極大地保護了自然資源與生態(tài)環(huán)境。

3 電纜電氣性能設(shè)計

變頻電纜除滿足GB/T 12706—2008標準外，還增加了電容和電感等性能要求;根據(jù)變頻電纜的實際使用情況并參照GB/T 12706—2008和ABB公司對電力傳動電纜的技術(shù)條件，確定電纜電氣性能參數(shù)。例如，BP-YJTW02 3×300+3×50-8.7/10 kV，其部分電氣性能參數(shù)見表1。

表1 電氣性能

4 電纜的主要制造技術(shù)工藝控制

4.1 絕緣線芯三層共擠的交聯(lián)工藝

絕緣三層共擠的交聯(lián)質(zhì)量直接影響電纜的電氣性能，在生產(chǎn)過程中，我們特別注重原材料的凈化，屏蔽與絕緣材料擠包緊密性，控制絕緣偏心度和絕緣外徑的均勻一致，這樣可減少界面效應(yīng)，提高電纜的電氣性能。

交聯(lián)溫度(包括擠塑溫度和交聯(lián)硫化溫度)、擠出速度是交聯(lián)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，通過諾基亞交聯(lián)度曲線計算和實際生產(chǎn)的調(diào)試、總結(jié)，記錄絕緣厚度和生產(chǎn)速度與交聯(lián)硫化溫度的合理關(guān)系，繪制準確的交聯(lián)曲線關(guān)系圖，確定合理的交聯(lián)工藝，指導(dǎo)交聯(lián)生產(chǎn)。

4.2 結(jié)構(gòu)對稱的成纜工序

由于要求電纜結(jié)構(gòu)對稱，成纜時必須保證絕緣線芯的放線張力保持均勻、成纜節(jié)距較同規(guī)格的電力電纜要小一些、填充要飽滿圓整等，確保電纜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀圓整，否則會引起結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致電容和電感的不均勻性，影響電纜的電氣性能。

4.3 氬弧焊皺紋銅套的總屏蔽工序

我公司采用氬弧焊皺紋銅套總屏蔽，其結(jié)構(gòu)和工藝先進，形成了全封閉金屬層，只要銅套厚度相當，完全達到優(yōu)良的屏蔽效能，保證抑制電磁波對外、對內(nèi)的發(fā)射。

氬弧焊皺紋銅套工藝是采用厚度均勻的銅板，經(jīng)清洗、精切、縱包、焊接、在線檢測、軋紋過程來實現(xiàn)的;該工藝是在氬氣和氦氣保護下，銅板為負極，鎢極為正極，通過低電壓、大電流來完成;鎢極焊頭只有2 mm的直徑，并且由保護氣體連續(xù)吹向焊點處，迅速帶走熱量，使焊接部位均勻快速冷卻，電纜結(jié)構(gòu)不會受到任何不良影響，同時也避免銅套的高溫氧化。

采用先進的氬弧焊接技術(shù)，并裝有超聲波等在線檢測裝置，保證了焊接的密封性，為了檢驗是否還有漏焊，我公司又加了一項中間檢驗裝置，將整盤焊接后的電纜進行氣密性試驗，且進行百分之百的檢驗，該生產(chǎn)工藝技術(shù)性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)束語

XLPE絕緣變頻電機專用電纜，其屏蔽效果優(yōu)、耐脈沖反射電壓沖擊性能高、電氣結(jié)構(gòu)平衡對稱，具有防水、防腐、防鼠、防蟻、抗壓、易彎曲、阻燃等綜合性能。該產(chǎn)品經(jīng)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢驗，符合或超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，完全滿足使用要求。

［1］張 珍.變頻系統(tǒng)長電線電纜的研究及過電壓抑制［D］.大連:大連理工大學(xué)，2009.

［2］卓金玉.電力電纜設(shè)計原理［M］.北京:機械工業(yè)出版社.

［3］GB/T 12706.2—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件 第2部分［S］.

［4］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)，2007，9(4):100-103.

［5］徐 剛，吳 炯.中高壓電力電纜金屬屏蔽結(jié)構(gòu)特性分析［J］.電線電纜，2004(5):19-22.