楊 楠

（中天合創(chuàng)化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317）

變頻器輸出諧波對(duì)電纜絕緣影響的實(shí)例分析及對(duì)策

楊 楠

（中天合創(chuàng)化工分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317）

以某化工公司合成橡塑裝置 101線擠壓機(jī)電纜故障處理為工程實(shí)例，從變頻器的工作原理出發(fā)，詳細(xì)分析逆變器高次諧波的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而對(duì)諧波函數(shù)進(jìn)行功率運(yùn)算，得出熱效應(yīng)積累加速電纜絕緣老化的結(jié)論，并結(jié)合預(yù)防性試驗(yàn)的工作經(jīng)驗(yàn)，提出解決方案。

變頻器；諧波；電纜；熱效應(yīng)；絕緣

在2015年夏季的一次洪災(zāi)中，某化工公司合成橡塑裝置8條生產(chǎn)線全部被洪水及淤泥嚴(yán)重侵蝕，其中101線在經(jīng)過(guò)5天緊急搶修后投產(chǎn)，然而其擠壓機(jī)電機(jī)電纜在運(yùn)行54h后發(fā)生短路故障，使生產(chǎn)線再次停工。本文通過(guò)對(duì)變頻器輸出諧波的分析，得出熱效應(yīng)積累加速電纜絕緣老化的結(jié)論并總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)概述

1.1 變頻器

變頻器是實(shí)現(xiàn)將頻率不變（一般為工頻50Hz）的電量轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率在一定范圍內(nèi)可調(diào)功能的電力電子設(shè)備，通常情況下，變頻器由整流器、逆變器、主板芯片、控制電路等元件構(gòu)成。

1.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)

本文中的“變頻調(diào)速系統(tǒng)”是指由作為原動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)、作為電能傳輸和變換設(shè)備的電纜及變頻器、起到保護(hù)和控制作用的電抗器和供電回路，以及從動(dòng)設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)。

如圖1所示，電動(dòng)機(jī)在頻率變化的電源作用下，根據(jù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理，以變化的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，并與傳感器、DCS等工控設(shè)備實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用概況

2.1 生產(chǎn)流程

某化工公司合成橡塑裝置的基本工藝流程可以概括為：聚丙烯、聚乙烯等顆粒料成品在該裝置中經(jīng)過(guò)下料、添加、混合、攪拌后，與特種添加劑產(chǎn)生反應(yīng)，并通過(guò)擠壓、切粒、干燥、包裝等工藝處理，生成具有特殊物理性能的工程塑料，因此，該裝置的功能是熱塑性樹脂的二次造粒（如圖2所示）。

圖2 合成橡塑擠壓造粒生產(chǎn)流程（簡(jiǎn)圖）

擠壓機(jī)電動(dòng)機(jī) M-4101是整條生產(chǎn)線的原動(dòng)設(shè)備，該電動(dòng)機(jī)由變頻調(diào)速系統(tǒng)控制。擠壓機(jī)組主要電氣設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 擠壓機(jī)組主要電氣設(shè)備參數(shù)

2.2 故障簡(jiǎn)介

圖2所示的生產(chǎn)線在一次洪災(zāi)中被嚴(yán)重摧毀，隨著搶修工作的有序開(kāi)展，生產(chǎn)線逐步恢復(fù)生產(chǎn)，而當(dāng)擠壓機(jī)運(yùn)行54h后，其變頻器突報(bào)“B、C相電流越限”，保護(hù)動(dòng)作使擠壓機(jī)停車，經(jīng)過(guò)分析定位，確認(rèn)故障為擠壓機(jī)電纜B、C相間短路。

故障發(fā)生后，試驗(yàn)人員從變頻器輸出側(cè)諧波電流的產(chǎn)生原理、波形等方面進(jìn)行了詳細(xì)探討，并結(jié)合故障電纜的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)綜合分析其原因。

3 諧波電流分析

3.1 產(chǎn)生機(jī)理

在三相橋式逆變器工作過(guò)程中，分成3組的多只晶閘管由于導(dǎo)通和關(guān)斷產(chǎn)生非線性電流/電壓，造成波形上的畸變。根據(jù)傅里葉積分原理，畸變后的波形可分解成一系列頻率不同的正弦波，其中0次正弦波成為基波，其余波形按分解后得到的頻率分?jǐn)?shù)成為3次、5次、7次諧波等。

三相橋式逆變電路的接線如圖3所示，對(duì)于電流型逆變器，輸出電流為畸變后的方波。

圖3 三相橋式逆變電路接線圖

3.2 擠壓機(jī)變頻器簡(jiǎn)介

擠壓機(jī)變頻器的輸出單元采用電壓型逆變器，在 SPWM調(diào)制作用下輸出電壓在理想狀態(tài)下為頻率變化的方波，經(jīng)過(guò)感抗作用后，輸出電流為正弦波，由于在開(kāi)關(guān)元件動(dòng)作瞬間，感性電路的存在使每只晶閘管所承受的電壓不能突變，在瞬態(tài)過(guò)程造成輸出方波電壓的畸變，進(jìn)而造成輸出電流的畸變。

3.3 逆變器輸出波形

在擠壓機(jī)故障發(fā)生后，為了準(zhǔn)確分析故障發(fā)生的暫態(tài)過(guò)程，試驗(yàn)人員針對(duì)電氣參數(shù)相同的另一條生產(chǎn)線，用波形分析器測(cè)得變頻器在 50Hz頻率下輸出電流的波形。

從圖4中可以看出，每相電流波形在周期性變化過(guò)程中均帶有一定的“鋸齒”，即變頻器的輸出電流在逆變器的作用下，較之理想的正弦波發(fā)生了明顯的周期性畸變。

圖4 102線擠壓機(jī)變頻器輸出電流波形

3.4 熱效應(yīng)評(píng)價(jià)

為了進(jìn)行電流的熱效應(yīng)計(jì)算，將圖4中C相電流波形近似等效成局部呈現(xiàn)周期性波動(dòng)的鋸齒波，且整體呈現(xiàn)正弦趨勢(shì)變化的波形，并將其某半周期變化波形投影在平面直角坐標(biāo)系下，如圖5所示。

圖5 近似等效半周期波形

由于導(dǎo)體發(fā)熱功率 P=I2R，對(duì)于特定的電纜線路，電阻R為常數(shù)，因此可以用電流的平方來(lái)評(píng)價(jià)其熱效應(yīng)，對(duì)于圖5中第一階段的正比折線及3個(gè)三角波，應(yīng)用式（1）進(jìn)行熱效應(yīng)積分運(yùn)算：

用同樣方法對(duì)第2至8段波形函數(shù)進(jìn)行積分計(jì)算后，將分段函數(shù)的等效電流平方值列于表 2（計(jì)算過(guò)程略）。

表2 等效電流平方值

則在近似等效電流的半波內(nèi)，電流等值熱效應(yīng)為

由式（2）、式（3）得P/P′=2220/1514≈1.82，近似計(jì)算的結(jié)果可以反映出：變頻器輸出諧波電流的熱效應(yīng)較之理想正弦波電流，約有82%的增加。

4 諧波電流對(duì)電纜的影響

4.1 加速絕緣老化

在處理好短路點(diǎn)后，試驗(yàn)人員在33℃環(huán)境下測(cè)得101線擠壓機(jī)及完好狀態(tài)下102線擠壓機(jī)電機(jī)電纜的相間直流電阻并計(jì)算其不平衡度見(jiàn)表3。

換算成每相直流電阻并計(jì)算其三相平均值，見(jiàn)表4，則兩條線擠壓機(jī)電纜直流電阻差如下。

表3 101、102線電纜相間直流電阻/Ω

表4 101、102線電纜每相直流電阻/Ω

電纜直流電阻數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明：

1）101線擠壓機(jī)電纜直阻的相不平衡度遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值（2%）。

2）與102線相比，101線擠壓機(jī)電纜的每相電阻值有明顯增加，幅度約為27%。

根據(jù)以上分析可以得出：雖然經(jīng)過(guò)檢修，但由于受到惡劣環(huán)境影響，電纜直流電阻值顯著增大，在諧波電流熱積累的作用下，加快了絕緣層的老化速率。

4.2 渦流效應(yīng)

雖然擠壓機(jī)電機(jī)采用三芯電纜，穩(wěn)態(tài)情況下的渦流發(fā)熱現(xiàn)象基本得到遏制，然而，三相電流在諧波電動(dòng)勢(shì)的影響下，仍然存在較大的不平衡分量，且由于晶閘管或 IGBT等開(kāi)關(guān)元件的頻繁換向，該不平衡電流是一直存在的，隨著每相開(kāi)關(guān)元件合閘角度的不同而呈現(xiàn)出不規(guī)律變化特性，其產(chǎn)生的渦流效應(yīng)是不可忽略的。

合成橡塑生產(chǎn)裝置多數(shù)電纜在其路徑中均有穿鋼管敷設(shè)部位，由于渦流效應(yīng)的存在，鋼管導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)出渦流，造成鋼管發(fā)熱，可能加快與電纜結(jié)合部位，尤其是管路邊緣受力處的老化程度。

5 解決方案

5.1 提高絕緣水平

在進(jìn)行諧波電流熱效應(yīng)分析的同時(shí)，試驗(yàn)人員也發(fā)現(xiàn)了電纜本身在絕緣性能方面的缺陷，在處理故障過(guò)程中，提出更新電纜的建議并得到了采納，電纜的更新大大提高了絕緣水平。

5.2 改善運(yùn)行環(huán)境

故障的原因雖然不能直接歸結(jié)于散熱問(wèn)題，但合成橡塑廠房?jī)?nèi)設(shè)備集中，門窗較少且缺少附加通風(fēng)設(shè)施，在炎熱的夏季易造成電氣設(shè)備散熱不良；電纜溝空間異常狹小并加裝金屬蓋板，在抽取故障電纜過(guò)程中發(fā)現(xiàn)溝內(nèi)仍有多處潮濕現(xiàn)象，反映出檢修的不徹底，因此，在正式恢復(fù)供電之前對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了集中整改，使電氣設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境得到了改善。

5.3 長(zhǎng)遠(yuǎn)方案

參照101線擠壓機(jī)電纜故障處理案例，在隨后的檢修中更換了102線擠壓機(jī)的電纜并安裝了匹配的電抗器；針對(duì)設(shè)備完全被摧毀的108、109線，提出了申報(bào)設(shè)備更新項(xiàng)目，采用具備多電平及多重化逆變器功能變頻器的建議，以從根本上消除輸出諧波。

6 效果評(píng)價(jià)

在擠壓機(jī)電纜故障處理后，101線再次恢復(fù)生產(chǎn)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行36h時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)人員對(duì)101線新更換的電纜及102線舊電纜各選取4處部位進(jìn)行了運(yùn)行溫度監(jiān)測(cè)（見(jiàn)表5）。

表5 檢修后電纜的實(shí)測(cè)溫度/℃

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明：101線擠壓機(jī)新電纜各部位溫升均在允許范圍內(nèi)，且明顯低于未更新電纜的 102線，其運(yùn)行狀況有了本質(zhì)上的改善。101線擠壓機(jī)在更新電纜后實(shí)現(xiàn)了安穩(wěn)運(yùn)行。

7 結(jié)論

1）對(duì)于經(jīng)受過(guò)臟污、受潮等惡劣環(huán)境影響的變頻回路動(dòng)力電纜，在除污、干燥等常規(guī)檢修項(xiàng)目完成后，應(yīng)進(jìn)行直流電阻的精確測(cè)試，尤其對(duì)于逆變輸出諧波含量高，且未采取額外消諧措施的變頻調(diào)速系統(tǒng)，必須進(jìn)行符合實(shí)際的諧波電流計(jì)算，綜合評(píng)價(jià)其熱效應(yīng)，以確認(rèn)電纜的熱穩(wěn)定性可以充分滿足繼續(xù)使用條件，否則，必須更換電纜。

2）鑒于三相橋式逆變電路在“換相”過(guò)程中，由于存在較大含量的不平衡諧波電流，導(dǎo)致“渦流”效應(yīng)的發(fā)生，建議變頻器輸出側(cè)電纜避免穿過(guò)金屬封閉的管路，且應(yīng)盡量敷設(shè)在通風(fēng)條件良好的路徑上，以降低渦流效應(yīng)的潛在影響。

［1］黎冰.變頻器實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［2］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院組織.低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及治理［M］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［3］萬(wàn)健如，林志強(qiáng)，禹華軍.變頻器諧波對(duì)負(fù)載影響的仿真分析［J］.電力電子技術(shù)，2001，35（5）：52-54，38.

［4］魏華勇.電力電纜施工與運(yùn)行技術(shù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2013.

The Affection of Insulation for Power Cable by Harmonic of Transducer Output Analysis and Solutions

Yang Nan
（Zhong Tian He Chuang Chemical Industry Company，Oldos，Inner Mongolia 017317）

Regard one power cable fault of the 101th Line extruder generator pertained to one chemical corporation's Synthetic Rubber And Plastic production unit as an instance.Start from the operating principle of transducer，analyze the mechanism of high-order harmonic produced by inverter，and then take a computational analysis of the harmonic functions' power，reach a conclusion that accumulation of heating effect accelerates the cable insulation's worse，and propose some effective solutions combined with the experiences of electric engineering precautionary tests.

transducer； harmonic； cable； heat effect； insulation

楊 楠（1983-），男，遼寧錦州人，本科，工程師，主要從事石化企業(yè)工廠供電系統(tǒng)運(yùn)行管理工作。