近二十年來變頻調速電機在國內外有很大的發(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,如設備投資費用少,結構簡單,體積小,成本低,節(jié)能,調速范圍大,具有恒功率、恒轉速的特性,使用方便,容量大等等。因此當前在冶金、礦山、鐵路等工業(yè)方面廣泛地使用,最近在家用電器同樣也大量應用。
變頻調速技術關系到變頻電機、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,絕緣性能屬于
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,當前常選用交聯(lián)聚乙烯為絕緣材料。
大概三十年前,電纜研究所開發(fā)和生產過中頻電纜,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 ,提供電源的設備是由直流電機驅動的中頻發(fā)電機組,改變直流電機轉速來調節(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,當時電纜的設計思路是降低線路阻抗和集膚效應,采取
同軸電纜和擴大內導體直徑,電纜在冶金工業(yè)上應用效果十分良好。
但目前的變頻電源是通過可控硅元件調頻,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、變頻線纜的工作特點
1.脈沖電壓對絕緣的影響 變頻電源的頻率調節(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,若電纜絕緣安全系數(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,所以預防是必要的。由于交聯(lián)絕緣電力電纜的耐壓水平較高,電纜長度一般在300米以內,多年來的運行未發(fā)生擊穿事件,盡管如此,絕緣厚度及工藝應加以重視,實心絕緣是可靠的,繞包絕緣是不適合的。
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,設計時已將變頻電源、連接電纜和變頻電機一并設置在金屬殼內,抑制了電磁波對外發(fā)射。但是在工業(yè)領域內,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)或調幅接受器(如收音機調幅波段)將產生干擾,有時情況也比較嚴重,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,國內也很重視,目前各電纜廠制訂了企業(yè)標準,今后將會統(tǒng)一制訂行業(yè)標準。
3.中性線電流的疊加 完整的三相正弦供電系統(tǒng),當三相電流平衡時,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,中性線截面應不小于相截面。
二、變頻線纜的結構及附加試驗討論
從變頻電纜工作特點,我們再從電纜結構改進來解決上述三個問題。
1.絕緣的電氣擊穿問題 變頻電機大量應用后,重慶線纜大多數(shù)情況選用一般電力電纜,如聚氯乙烯絕緣、護套電纜或交聯(lián)聚乙烯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。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/聚全氟乙丙烯復合薄膜繞包燒結和乙丙橡膠雙層絕緣,從厚度和絕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)境嚴酷,電纜處在高溫、高壓、含油和含水的條件中工作,其絕緣性能比較脆弱,當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致絕緣擊穿。為何電纜在工頻下能長期運行而變頻下幾小時內擊穿? 這決不是老化問題,基本上可歸結于高頻脈沖電壓的影響。一般陸用情況下,采用聚氯乙烯絕緣并不理想,因為其介質損耗偏大。交聯(lián)聚乙烯絕緣較為滿意,它兼有機、電、熱等優(yōu)良性能。電纜絕緣厚度可采用1kV 電壓等級的規(guī)定,若適當加厚,當然更為可靠,這對變頻電纜更為有利。
2.高頻電磁波對環(huán)境污染問題 雖然目前沒有國家規(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,但抑制對外高頻干擾是必須做到的。對于四芯低壓電纜,首先是改善絕緣線芯的排列,假如電纜的四個芯直接成纜,是不對稱結構,如果將第四芯分解為三個截面較小的絕緣芯,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。第二應認為更重要的是加強總屏蔽結構。制造者習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、屏蔽效應不是最理想。采用銅帶搭蓋縱包并軋紋是較為先進的結構和工藝,形成了全封閉金屬層,只要厚度適當,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領域中已十分普遍,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當吻合,接地線由夾具尾端引出。
4.外護套 這種電纜大多數(shù)敷設在室內,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 標準僅對 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)電纜絕緣水平。試驗可參考IEC 60502 標準,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,此時電纜的電壓等級也必須跟上。目前3.6/6 ~ 6/10 kV中壓變頻電纜已有投入使用,從絕緣結構和電氣、機械、物理性能上說,可以與電力電纜等同,交聯(lián)聚乙烯顯然是首選絕緣材料,如果在敷設時要求柔軟,采用乙丙橡膠絕緣也有一定的優(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,所以屏蔽結構要求更完善。在變頻電纜工作條件下,同軸電纜是一種合適的結構,所以變頻線纜的三個主線芯采用同軸結構,總屏蔽的結構與低壓變頻電纜相同。四、結束語變頻電機用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜是一種新的系列產品,目前還不能說很成熟,技術上比較容易解決。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當采用這類專用電纜,至于小型變頻電機用變頻電纜,歸入此范疇也未嘗不可,當前對這類產品的行業(yè)標準也可提上日程。