變頻電纜的應(yīng)用前景
近二十年來變頻調(diào)速電機在國內(nèi)外有很大的發(fā)展，年增長率略超過10% ，而直流傳動年增長率為3-4% 。變頻電機具有較多的優(yōu)點，如設(shè)備投資費用少，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，節(jié)能，調(diào)速范圍大，具有恒功率、恒轉(zhuǎn)速的特性，使用方便，容量大等等。因此當(dāng)前在冶金、礦山、鐵路等工業(yè)方面廣泛地使用，近在家用電器同樣也大量應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)關(guān)系到變頻電機、變頻電源和連接電纜，這段電纜長度并不很長，截面也不很大，J緣性能屬于電力電纜范疇，因為實際的工作頻率為30～300 Hz ，常簡稱為變頻電纜，當(dāng)前常選用交聯(lián)聚乙烯為J緣材料。大概三十年前，電纜研究所開發(fā)和生產(chǎn)過中頻電纜，這也可稱得上是目前變頻電纜的前身，其工作頻率為100～400 Hz ，提供電源的設(shè)備是由直流電機驅(qū)動的中頻發(fā)電機組，改變直流電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出頻率，中頻電壓的波形能維持形狀規(guī)則的正弦波，當(dāng)時電纜的設(shè)計思路是降低線路阻抗和集膚效應(yīng)，采取同軸電纜和擴大內(nèi)導(dǎo)體直徑，電纜在冶金工業(yè)上應(yīng)用效果十分良好。目前的變頻電源是通過可控硅元件調(diào)頻，較大程度上改變了波形特性，從而對電機和電纜帶來了新問題。
一、變頻電纜的工作特點
1.脈沖電壓對J緣的影響 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數(shù)倍，電纜越長，幅值越高，若電纜J緣放心系數(shù)不高，可能被擊穿。石油開采用3000多米長的潛油泵電纜，在工頻下能長期正常運行，可是在變頻條件下，電纜才投入運行數(shù)小時即發(fā)生擊穿，說明脈沖過電壓的危害性，所以預(yù)防是必要的。由于交聯(lián)J緣電力電纜的耐壓水平較高，電纜長度一般在300米以內(nèi)，多年來的運行未發(fā)生擊穿事件，盡管如此，J緣厚度及工藝應(yīng)加以重視，實心J緣是可靠的，繞包J緣是不適合的。
2.電纜本體對外發(fā)射電磁波 一般變頻家用電器為單相供電，長度很短，功率也較小，設(shè)計時已將變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設(shè)置在金屬殼內(nèi)，抑制了電磁波對外發(fā)射。但是在工業(yè)L域內(nèi)，電機功率較大，連接變頻電機和變頻電源之間的電纜長度長，在工作時電纜就是高頻電磁波向外發(fā)射的有效載體，對于周圍鄰近地區(qū)的通信工具(如無繩電話)或調(diào)幅接受器(如收音機調(diào)幅波段)將產(chǎn)生干擾，有時情況也比較嚴(yán)重，稱之為電磁波的環(huán)境污染，國外早已對這種電纜提出要求，國內(nèi)也很重視，目前各電纜廠制訂了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，今后將會統(tǒng)一制訂行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
3.中性線電流的疊加 完整的三相正弦供電系統(tǒng)，當(dāng)三相電流平衡時，其中性線的電流為零，若出現(xiàn)三次諧波，則三次諧波的電流分量在中性線內(nèi)不存在相位差，所以直接疊加成分量得三倍。若變頻原供電對象是三個單相變頻電機，而且處于三相功率分布平衡狀態(tài)，則中性線電流更大，中性線截面應(yīng)不小于相截面。
二、變頻電纜的結(jié)構(gòu)及附加試驗討論 了解變頻電纜工作特點之后，就不難從電纜結(jié)構(gòu)改進來解決上述三個問題。
1.J緣的電氣擊穿問題 變頻電機大量應(yīng)用后，大多數(shù)情況選用一般電力電纜，如聚氯乙烯J緣、護套電纜或交聯(lián)聚乙烯J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。這與上述深井油泵電纜擊穿事故顯然不同，深井油泵電纜采用聚酰亞胺/聚全氟乙丙烯復(fù)合薄膜繞包燒結(jié)和乙丙橡膠雙層J緣，從厚度和J緣密實來看并不理想，油泵電纜長度超過3千米，油井的工作環(huán)境嚴(yán)酷，電纜處在高溫、高壓、含油和含水的條件中工作，其J緣性能比較脆弱，當(dāng)運行過程中受到多種惡劣因素的侵蝕后發(fā)生電、熱因子交錯作用而導(dǎo)致J緣擊穿。為何電纜在工頻下能長期運行而變頻下幾小時內(nèi)擊穿? 這決不是老化問題，基本上可歸結(jié)于高頻脈沖電壓的影響。一般陸用情況下，采用聚氯乙烯J緣并不理想，因為其介質(zhì)損耗偏大。交聯(lián)聚乙烯J緣較為滿意，它兼有機、電、熱等優(yōu)良性能。電纜J緣厚度可采用1kV 電壓等J的規(guī)定，若適當(dāng)加厚，當(dāng)然更為可靠，這對變頻電纜更為有利。
2.高頻電磁波對環(huán)境污染問題 雖然目前沒有規(guī)范規(guī)定電纜發(fā)射電磁波造成環(huán)境污染的考核指標(biāo)，但抑制對外高頻干擾是須做到的。對于四芯低壓電纜，先是改善J緣線芯的排列，假如電纜的四個芯直接成纜，是不對稱結(jié)構(gòu)，如果將D四芯分解為三個截面較小的J緣芯，把三大三小線芯對稱成纜，二種情況相比較，對稱型比較有利。D二應(yīng)認(rèn)為更重要的是加強總屏蔽結(jié)構(gòu)。制造者習(xí)慣采用銅線編織屏蔽，實際上這并不是好方法，材料消耗大、加工速度慢、屏蔽效應(yīng)不是理想。采用銅帶搭蓋縱包并軋紋是較為XJ的結(jié)構(gòu)和工藝，形成了全封閉金屬層，只要厚度適當(dāng)，可達到有效的屏蔽功能。而這種工藝及其所用的材料在光纜L域中已十分普遍，銅帶厚度不能太薄，以保證抑制電磁波對外發(fā)射。
3.屏蔽層接地措施 屏蔽層接地良好是抑制電磁波對外發(fā)射的必要條件，銅線編織屏蔽的接地方式較容易解決，而縱包銅帶軋紋屏蔽需用專用夾具接地，夾具與軋紋銅管的接觸面應(yīng)當(dāng)吻合，接地線由夾具尾端引出。
4.外護套 這種電纜大多數(shù)敷設(shè)在室內(nèi)，一般不需鎧裝，雖然不完全排除用聚氯乙烯護套，但選用高密度聚乙烯更為合適。
5.電纜的附加試驗一般低壓電纜不需要進行脈沖電壓試驗，如IEC 60502 標(biāo)準(zhǔn)僅對 3.6/6 kV 及以上的電纜才規(guī)定進行脈沖電壓試驗。變頻電機的連接電纜情況略有不同，需要承受高頻脈沖電壓。高頻波振幅可達1200～1900 V ，振鈴頻率約 100～2000 kHz ，對電纜進行脈沖電壓試驗(型式試驗)是體現(xiàn)電纜J緣水平。試驗可參考IEC 60502 標(biāo)準(zhǔn)，即施加正負各十次脈沖電壓試驗，試驗電壓可考慮 40 kV ，但需要進一步驗證，是否必要工廠也可自行決定。
三、3.6/6 ～ 6/10 kV中壓變頻電纜的發(fā)展由于機械裝備大型化，需要電機容量也配套擴大，相應(yīng)變頻電源的輸出電流也要求增大，但受到大電流變頻元件的限制，進一步提高電流容量技術(shù)發(fā)展受到限制。但另一方面提高變頻電源輸出電壓相對比較容易，提高電壓后，中壓變頻電機功率可大幅度增加，此時電纜的電壓等J也須跟上。目前3.6/6 ～ 6/10 kV中壓變頻電纜已有投入使用，從J緣結(jié)構(gòu)和電氣、機械、物理性能上說，可以與電力電纜等同，交聯(lián)聚乙烯顯然是選J緣材料，如果在敷設(shè)時要求柔軟，采用乙丙橡膠J緣也有一定的優(yōu)點。由于工作電壓的提高，高頻電磁波的發(fā)射能力明顯增強，所以屏蔽結(jié)構(gòu)要求更完善。在變頻電纜工作條件下，同軸電纜是一種合適的結(jié)構(gòu)，所以變頻電纜的三個主線芯采用同軸結(jié)構(gòu)，總屏蔽的結(jié)構(gòu)與低壓變頻電纜相同。
四、結(jié)束語變頻電機用交聯(lián)聚乙烯J緣電纜是一種新的系列產(chǎn)品，目前還不能說很成熟，技術(shù)上比較容易解決。盡管市場的總需求量并不很大，但這種電纜的發(fā)展很有前途，中型及以上的變頻電機應(yīng)當(dāng)采用這類專用電纜，至于小型變頻電機用變頻電纜，歸入此范疇也未嘗不可，當(dāng)前對這類產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也可提上日程。
