1、變頻系統電力電纜及其電磁兼容變頻系統電力電纜及其電磁兼容同濟大學 張宗桐摘 要: 變頻系統對電源和其他鄰近設備將產生電磁干擾， 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電纜的選取和電磁兼容的問題，以求能有效減少這種電磁干擾。關鍵詞: 變頻器 電力電纜 介質損耗 分布電容 電磁兼容Inverter System's Electric Cable and Electromagnetism CompatiblenessZhang ZongtongAbstract: This paper talks about how to choose the electric cabl

2、e on 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 言在變頻系統中，饋電電纜特別是

3、變頻器輸出電纜的選取和電磁兼容的問題越來越受到重視。從電磁發射和敏感度兩方面的觀點來看，饋電電纜線一方面起著發射天線的作用，又起著接收天線的作用，因而成為變頻系統對輻射敏感度的重要一環。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耦合和串擾往往成為鄰近設備的潛在威脅。鑒于上述原因，僅僅按照常規的電纜選取方法，如電壓等級、敷設方式和載流量是遠遠不夠的，還應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，對于耐壓和載流量的選取也將有所變化。2 關于電纜的耐壓按照IEC標準，電纜的電壓等

4、級為U0/U(Um),其中U0為電纜及其附件的導體與屏蔽或金屬護套之間的額定工頻電壓有效值；U為電纜及其附件的導體之間的額定工頻電壓有效值；Um為電纜及其附件的導體之間的最大工頻電壓有效值，對于中低壓系統，Um=1.2U。對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的容量以及配電變壓器的阻抗有關），而變頻器的輸出電壓波形為PWM調制方波，這就不得不考慮如下因素:(1) 由于開關速度的提高，過大的dv/dt使得介質的電壓分布由均勻而變得不均勻，這無疑提高了對絕緣介質的品質要求。(2) Um原為工頻電源電壓的峰值，但是由于變頻器存在電機再生電

5、壓回饋的因素，通常再生電壓在控制的情況下，可達到1.4Um甚至更高。由此可見，額定電壓380V的變頻器必須選用耐壓750V以上的電纜產品，這顯然與常規選取有所不同。3 關于載流量對于電壓型變頻器來說，輸出給電動機的負載電流中，除了基波分量還含有諧波分量，通常在導線截面選取時，往往容易忽略諧波以及諧波所引起的發熱因素。在提出這個問題之后，就涉及到如何計量變頻器的輸出電流。眾所周知，以往是采用平均相應的有效值表來測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或方均根值，其數值等同于一個直流電流，當直流電流與被測的交流電流具有同樣的熱效應，這個值就稱為有效值。常用的測量有效值方法是

6、將交流電流整流，得到整流信號的平均值，然后用一個波形系數1.1與結果相乘就可以得出有效值，這個因數代表了一個純正弦波的有效值與平均值的比例關系。 對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量方法進行測量。真有效值顧名思義就是真正的有效值，無論何種情況（頻率、諧波、溫度等條件的變化），測量電路將根據下列計算公式自動正確地計算熱效應。(1)真有效值測量與平均響應的非真有效測量相比，后者最大可達50%以上。因此，依據真有效值來選取電路的載流量才是正確的。變頻器除了向電動機輸出上述負載電流之外，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度、電纜的分布電容以及變頻器的載波

7、頻率成正比。這些電容電流都將使電纜的實際電流增大。4 關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。 電磁場屏蔽對于電磁波衰減的機理是:(1) 屏蔽層引進了新的分布電容，改變了原來的分布電容結構，最終使受感物的干擾感應電壓減弱。(2) 導電的磁屏蔽層處在交變電磁場中將產生感應電流，導致電磁場在該導電媒質中按指數規律衰減。電磁波的透入深度 (3)式中，m為材料的相對導磁率;g為材料的電導率， 對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) 當電磁波到達屏蔽體表面時，由于介質與金屬屏蔽層的交界面上

8、阻抗的不連續性，將對入射波產生反射，這種反射與屏幕材料的厚度無關，而只與交界面的波阻抗的不連續有關。(4) 未被屏蔽層反射而進入屏蔽體的能量，在體內向前傳播時，將屏蔽材料所衰減，這是一種稱為吸收的物理過程。(5) 在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量，在遇到屏蔽層和介質的交界面時，會形成再次反射，并重新回到屏蔽體內，這種反射可產生多次。綜上所述，電磁屏蔽對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于電磁波的吸收效果是不一樣的。對于反射損耗，它不但與屏蔽材料的表面阻抗有關，也與波阻抗的大小以及輻射源的類型有關。圖Ia和圖Ib分別給出了低阻抗磁場計算反射損耗和高阻抗電場計算

9、反射損耗的列線圖，圖中五條平行的列線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、無刻度的參考線和所選定屏蔽材料的電導率與磁導率之比，在具體計算時，可根據已知距離和選定的金屬材料，在該列線的對應點之間連一直線，得到與參考線的交點，再在這個交點與相應的頻率上連另一條直線，后一條直線與反射損耗線的交點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在參考線上的交點，反過來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給出計算吸收損耗的列線圖，圖中五條平行的列線自左至右分別為頻率、吸收損耗、材料厚度、無刻度參考線和可選用的材料。在具體計算時，可根據選定的金

10、屬材料和厚度在兩條列線上相應點之間連一條直線，在參考線上得到一個交點，然后再在交點與頻率線上連一條直線，可在吸收損耗線獲得另一個交點，該點的讀數即為所求的吸收損耗值。反之，也可以根據指定頻率所要求的吸收損耗來連一根線，通過這個線在參考線上的交點再進一步求取不同的材料和必須具有的厚度，這在設計或選用屏蔽電纜時都十分有用。5 電纜結構及EMC評價表1提供了屏蔽和不屏蔽，對稱芯線和不對稱芯線、平行芯線的各種電力電纜EMC評價。通過以上的比較，由此可以清楚看出對稱芯線帶屏蔽的結構最令人滿意，經驗也表明，采用對稱屏蔽電纜可以減少整個傳動系統的電磁輻射，以及減小電動機的軸電流和由此引起的軸承磨損。表1的意

11、義還在于，當某種原因而未能使用屏蔽電纜的時候，將如何以EMC的角度去選擇其它適用的電纜結構。如果說表1是從定性的角度回答了怎樣的結構才符合EMC要求，那么表2則從定量的角度為我們提供了有關屏蔽電纜應該達到的電氣參數。這些參數中，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、電容和對電磁輻射的衰減量，這些參數除了生產廠可用于進行質量控制外，對用戶來說則可以按實際需要去加以選用。6 關于電纜的絕緣介質就目前來說，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聚乙烯（XLPE）電纜的電性能優于聚氯乙烯電纜（PVC），而被普遍采用。在敷設彎曲半徑較小的場合

12、，乙丙橡膠絕緣電纜由于柔軟性好，也被廣泛使用。從絕緣介質的角度進行比較，聚氯乙烯電纜、交聯聚乙烯電纜和普通橡膠電纜的主要技術參數見表3。 電纜介質的介電常數e與分布電容直接有關，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用電纜大一個數量級。而電纜的介質損耗值tgd與介質的發熱量成正比，在高載波PWM波所產生的瞬變電場下，介質的發熱情況比正弦波下要大得多。綜觀表3，從介質損耗和介電常數二個參數進行比較，交聯聚乙烯或普通橡膠電纜均優于聚氯乙烯電纜，這對變頻器供電電纜的選擇提供了有用的依據。7 關于電纜附件值得指出的是，從電磁兼容出發，不應僅僅考慮電纜的EMC要求，還必須考慮整個電纜線路中的電纜接頭、中間接頭、終端頭以及各種端接材料和導電墊襯材料的配套問題，以保證屏蔽的連續性，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遠不能滿足實