變頻系統(tǒng)電力電纜及其電磁兼容

1、變頻系統(tǒng)電力電纜及其電磁兼容變頻系統(tǒng)電力電纜及其電磁兼容同濟(jì)大學(xué) 張宗桐摘 要: 變頻系統(tǒng)對(duì)電源和其他鄰近設(shè)備將產(chǎn)生電磁干擾， 而與變頻器相連接的電纜是主要的干擾源，本文主要討論了變頻系統(tǒng)電纜的選取和電磁兼容的問(wèn)題，以求能有效減少這種電磁干擾。關(guān)鍵詞: 變頻器 電力電纜 介質(zhì)損耗 分布電容 電磁兼容Inverter Systems Electric Cable and Electromagnetism CompatiblenessZhang ZongtongAbstract: This paper talks about how to choose the electric cable on

2、inverter system with compatible electromagnetism, So that we can decrease the jam from electromagnetism, which always come into being on power and other equipments nearby.Keywords: Inverter electric cable waste of medium distributing capitance electromagnetism compatibleness 1 前 言在變頻系統(tǒng)中，饋電電纜特別是變頻器輸出

3、電纜的選取和電磁兼容的問(wèn)題越來(lái)越受到重視。從電磁發(fā)射和敏感度兩方面的觀點(diǎn)來(lái)看，饋電電纜線(xiàn)一方面起著發(fā)射天線(xiàn)的作用，又起著接收天線(xiàn)的作用，因而成為變頻系統(tǒng)對(duì)輻射敏感度的重要一環(huán)。由于變頻器輸出的電功率往往較大，頻率譜較寬，電纜的分布電容為傳送電磁干擾電壓和干擾電流提供了耦合途徑。這種由電纜造成的近場(chǎng)耦合和串?dāng)_往往成為鄰近設(shè)備的潛在威脅。鑒于上述原因，僅僅按照常規(guī)的電纜選取方法，如電壓等級(jí)、敷設(shè)方式和載流量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)從電壓或電流的波形畸變、電磁干擾、分布電容、波阻抗等諸多因素全面加以考慮，即便如此，對(duì)于耐壓和載流量的選取也將有所變化。2 關(guān)于電纜的耐壓按照IEC標(biāo)準(zhǔn)，電纜的電壓等級(jí)為U0/

4、U(Um),其中U0為電纜及其附件的導(dǎo)體與屏蔽或金屬護(hù)套之間的額定工頻電壓有效值；U為電纜及其附件的導(dǎo)體之間的額定工頻電壓有效值；Um為電纜及其附件的導(dǎo)體之間的最大工頻電壓有效值，對(duì)于中低壓系統(tǒng)，Um=1.2U。對(duì)于電壓型變壓器的輸入電纜，輸入電壓為正弦波，電壓的畸變一般在4%左右（該電壓的畸變率大小與電源系統(tǒng)的容量以及配電變壓器的阻抗有關(guān)），而變頻器的輸出電壓波形為PWM調(diào)制方波，這就不得不考慮如下因素:(1) 由于開(kāi)關(guān)速度的提高，過(guò)大的dv/dt使得介質(zhì)的電壓分布由均勻而變得不均勻，這無(wú)疑提高了對(duì)絕緣介質(zhì)的品質(zhì)要求。(2) Um原為工頻電源電壓的峰值，但是由于變頻器存在電機(jī)再生電壓回饋的因

5、素，通常再生電壓在控制的情況下，可達(dá)到1.4Um甚至更高。由此可見(jiàn)，額定電壓380V的變頻器必須選用耐壓750V以上的電纜產(chǎn)品，這顯然與常規(guī)選取有所不同。3 關(guān)于載流量對(duì)于電壓型變頻器來(lái)說(shuō)，輸出給電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流中，除了基波分量還含有諧波分量，通常在導(dǎo)線(xiàn)截面選取時(shí)，往往容易忽略諧波以及諧波所引起的發(fā)熱因素。在提出這個(gè)問(wèn)題之后，就涉及到如何計(jì)量變頻器的輸出電流。眾所周知，以往是采用平均相應(yīng)的有效值表來(lái)測(cè)量交流正弦波電流的，所謂交流電流的有效值，是指電流的等效熱效應(yīng)或方均根值，其數(shù)值等同于一個(gè)直流電流，當(dāng)直流電流與被測(cè)的交流電流具有同樣的熱效應(yīng)，這個(gè)值就稱(chēng)為有效值。常用的測(cè)量有效值方法是將交流電流

6、整流，得到整流信號(hào)的平均值，然后用一個(gè)波形系數(shù)1.1與結(jié)果相乘就可以得出有效值，這個(gè)因數(shù)代表了一個(gè)純正弦波的有效值與平均值的比例關(guān)系。 對(duì)于頻率變化并存在畸變的正弦波電流，必須采用真有效值測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。真有效值顧名思義就是真正的有效值，無(wú)論何種情況（頻率、諧波、溫度等條件的變化），測(cè)量電路將根據(jù)下列計(jì)算公式自動(dòng)正確地計(jì)算熱效應(yīng)。(1)真有效值測(cè)量與平均響應(yīng)的非真有效測(cè)量相比，后者最大可達(dá)50%以上。因此，依據(jù)真有效值來(lái)選取電路的載流量才是正確的。變頻器除了向電動(dòng)機(jī)輸出上述負(fù)載電流之外，還額外輸出電容電流，每相電容電流(2)電容電流的大小與電纜的長(zhǎng)度、電纜的分布電容以及變頻器的載波頻率成正比

7、。這些電容電流都將使電纜的實(shí)際電流增大。4 關(guān)于電纜的屏蔽電磁屏蔽能有效地抑制空間的電磁干擾，因此，變頻器輸入、輸出電纜的屏蔽與控制電纜的屏蔽一樣重要。 電磁場(chǎng)屏蔽對(duì)于電磁波衰減的機(jī)理是:(1) 屏蔽層引進(jìn)了新的分布電容，改變了原來(lái)的分布電容結(jié)構(gòu)，最終使受感物的干擾感應(yīng)電壓減弱。(2) 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。電磁波的透入深度 (3)式中，m為材料的相對(duì)導(dǎo)磁率;g為材料的電導(dǎo)率， 對(duì)于頻率很高的電磁波幾乎不能透入銅、鋁、鐵等金屬，上述材料均可用作電磁屏蔽材料。(3) 當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于介質(zhì)與金屬屏蔽層的交界面上阻抗的不連

8、續(xù)性，將對(duì)入射波產(chǎn)生反射，這種反射與屏幕材料的厚度無(wú)關(guān)，而只與交界面的波阻抗的不連續(xù)有關(guān)。(4) 未被屏蔽層反射而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播時(shí)，將屏蔽材料所衰減，這是一種稱(chēng)為吸收的物理過(guò)程。(5) 在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，在遇到屏蔽層和介質(zhì)的交界面時(shí)，會(huì)形成再次反射，并重新回到屏蔽體內(nèi)，這種反射可產(chǎn)生多次。綜上所述，電磁屏蔽對(duì)電磁干擾的衰減主要基于電磁波的反射和吸收。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。對(duì)于反射損耗，它不但與屏蔽材料的表面阻抗有關(guān)，也與波阻抗的大小以及輻射源的類(lèi)型有關(guān)。圖Ia和圖Ib分別給出了低阻抗磁場(chǎng)計(jì)算反射損耗和高阻抗電場(chǎng)計(jì)算反射損耗的

9、列線(xiàn)圖，圖中五條平行的列線(xiàn)自左至右分別為頻率、反射損耗、輻射源到屏蔽層之間的距離、無(wú)刻度的參考線(xiàn)和所選定屏蔽材料的電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率之比，在具體計(jì)算時(shí)，可根據(jù)已知距離和選定的金屬材料，在該列線(xiàn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間連一直線(xiàn)，得到與參考線(xiàn)的交點(diǎn)，再在這個(gè)交點(diǎn)與相應(yīng)的頻率上連另一條直線(xiàn)，后一條直線(xiàn)與反射損耗線(xiàn)的交點(diǎn)即為所求的反射損耗值。如果已知頻率和反射損耗值，也可以利用它們的連線(xiàn)在參考線(xiàn)上的交點(diǎn)，反過(guò)來(lái)求出所選定的金屬材料和必須有的輻射源到屏蔽層之間的距離。圖2給出計(jì)算吸收損耗的列線(xiàn)圖，圖中五條平行的列線(xiàn)自左至右分別為頻率、吸收損耗、材料厚度、無(wú)刻度參考線(xiàn)和可選用的材料。在具體計(jì)算時(shí)，可根據(jù)選定的金屬材料和厚

10、度在兩條列線(xiàn)上相應(yīng)點(diǎn)之間連一條直線(xiàn)，在參考線(xiàn)上得到一個(gè)交點(diǎn)，然后再在交點(diǎn)與頻率線(xiàn)上連一條直線(xiàn)，可在吸收損耗線(xiàn)獲得另一個(gè)交點(diǎn)，該點(diǎn)的讀數(shù)即為所求的吸收損耗值。反之，也可以根據(jù)指定頻率所要求的吸收損耗來(lái)連一根線(xiàn)，通過(guò)這個(gè)線(xiàn)在參考線(xiàn)上的交點(diǎn)再進(jìn)一步求取不同的材料和必須具有的厚度，這在設(shè)計(jì)或選用屏蔽電纜時(shí)都十分有用。5 電纜結(jié)構(gòu)及EMC評(píng)價(jià)表1提供了屏蔽和不屏蔽，對(duì)稱(chēng)芯線(xiàn)和不對(duì)稱(chēng)芯線(xiàn)、平行芯線(xiàn)的各種電力電纜EMC評(píng)價(jià)。通過(guò)以上的比較，由此可以清楚看出對(duì)稱(chēng)芯線(xiàn)帶屏蔽的結(jié)構(gòu)最令人滿(mǎn)意，經(jīng)驗(yàn)也表明，采用對(duì)稱(chēng)屏蔽電纜可以減少整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的電磁輻射，以及減小電動(dòng)機(jī)的軸電流和由此引起的軸承磨損。表1的意義還在于，

11、當(dāng)某種原因而未能使用屏蔽電纜的時(shí)候，將如何以EMC的角度去選擇其它適用的電纜結(jié)構(gòu)。如果說(shuō)表1是從定性的角度回答了怎樣的結(jié)構(gòu)才符合EMC要求，那么表2則從定量的角度為我們提供了有關(guān)屏蔽電纜應(yīng)該達(dá)到的電氣參數(shù)。這些參數(shù)中，明確限定了在不同頻率下電纜的阻抗（包括特征阻抗）、電感、泄漏傳導(dǎo)、電容和對(duì)電磁輻射的衰減量，這些參數(shù)除了生產(chǎn)廠(chǎng)可用于進(jìn)行質(zhì)量控制外，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)則可以按實(shí)際需要去加以選用。6 關(guān)于電纜的絕緣介質(zhì)就目前來(lái)說(shuō)，油紙絕緣電纜早已被塑料絕緣電纜所取代，在1kV及以下，塑料電纜中由于交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜的電性能優(yōu)于聚氯乙烯電纜（PVC），而被普遍采用。在敷設(shè)彎曲半徑較小的場(chǎng)合，乙丙橡膠

12、絕緣電纜由于柔軟性好，也被廣泛使用。從絕緣介質(zhì)的角度進(jìn)行比較，聚氯乙烯電纜、交聯(lián)聚乙烯電纜和普通橡膠電纜的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。 電纜介質(zhì)的介電常數(shù)e與分布電容直接有關(guān)，e越大，分布電容越大，通常普通電纜的分布電容要比變頻器專(zhuān)用電纜大一個(gè)數(shù)量級(jí)。而電纜的介質(zhì)損耗值tgd與介質(zhì)的發(fā)熱量成正比，在高載波PWM波所產(chǎn)生的瞬變電場(chǎng)下，介質(zhì)的發(fā)熱情況比正弦波下要大得多。綜觀表3，從介質(zhì)損耗和介電常數(shù)二個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較，交聯(lián)聚乙烯或普通橡膠電纜均優(yōu)于聚氯乙烯電纜，這對(duì)變頻器供電電纜的選擇提供了有用的依據(jù)。7 關(guān)于電纜附件值得指出的是，從電磁兼容出發(fā)，不應(yīng)僅僅考慮電纜的EMC要求，還必須考慮整個(gè)電纜線(xiàn)路中的電纜接頭、中間接頭、終端頭以及各種端接材料和導(dǎo)電墊襯材料的配套問(wèn)題，以保證屏蔽的連續(xù)性，防止電磁干擾能量的泄露和輻射。從目前情況看，這方面材料的適配情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)