1  引言
    現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入變頻技術(shù)為主的時(shí)代，現(xiàn)代變頻技術(shù)是集高頻、高壓和大電流于一身的交流電氣傳動(dòng)技術(shù)，變頻器具有高效、節(jié)能和智能化的特點(diǎn)，已經(jīng)成為提高能源效率和控制特性、改善機(jī)械設(shè)備性能的一個(gè)強(qiáng)有力的途徑。變頻系統(tǒng)由變頻器、變頻電機(jī)、控制電路組成，變頻調(diào)速按變換環(huán)節(jié)主要分為“交—直—交”和“交—交”兩種。交流傳動(dòng)與控制技術(shù)已是目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一。
    雖然變頻器在工業(yè)生產(chǎn)中具有無可比擬的優(yōu)越性，具有功率因數(shù)高、起動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速范圍寬和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但是由于變頻器要進(jìn)行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變等非線型電路，故產(chǎn)生高次諧波電流?，F(xiàn)代“綠色”變頻器對高次諧波有較好的抑制作用，因而能減少高次諧波的輻射，而它通過電纜輸出的電力，成了干擾源，對供電系統(tǒng)、負(fù)載及其他鄰近電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，尤其是在對防干擾要求比較高的高精度儀表、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等諧波干擾問題尤為突出。所以設(shè)計(jì)合適的變頻用電力電纜，才能有效力減少諧波的輻射和污染，減少電機(jī)的損耗和發(fā)熱。

2  電纜輸送高次諧波電力的危害
    電纜是輸送電力的載體，電纜輸出的高次諧波是由于變頻器輸出和輸入產(chǎn)生的，研究變頻器諧波特點(diǎn)和危害，才能設(shè)計(jì)并應(yīng)用合適的電力電纜。
2.1 變頻器產(chǎn)生高次諧波
    變頻器內(nèi)存在大量非線性電子組件，使變頻器輸出與輸入的電力不是連續(xù)的正弦波，因而就產(chǎn)生了大量高次諧波。根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波可以區(qū)分為偶次性與奇次性。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大,常見奇次諧波為3、5、7、9倍諧波，以5倍諧波危害最為嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1  電纜中的高次諧波

2.2 變頻電力電纜產(chǎn)生高次諧波的輻射危害
    變頻器的輸出電壓和電流波形如圖2所示。在變頻條件下電力電纜是傳輸經(jīng)變頻器電力“加工”的具有高次諧波的電力，高次諧波的輻射危害主要有：
    （1） 增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱； 
    （2） 引起繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，使其動(dòng)作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全運(yùn)行；
    （3） 對通訊系統(tǒng)工作產(chǎn)生干擾，影響通信線路通話的清晰度，甚至還會(huì)威脅著通信設(shè)備和人員的安全；
    （4） 對用電設(shè)備的影響很大，電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重時(shí)甚至損害機(jī)器；
    此外，電力諧波還會(huì)對測量和計(jì)量儀器的指示造成不準(zhǔn)確及對裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。

圖2  變頻器的輸出電壓和電流波形

3  電力電纜阻抗振蕩輻射
    電纜產(chǎn)生輻射的機(jī)理有兩種，一種是電纜中的電流（差模電流）回路產(chǎn)生的差模輻射，另一種是電纜中的導(dǎo)線（包括屏蔽層）上的共模電流產(chǎn)生的。電纜的輻射主要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流產(chǎn)生的，共模電流的環(huán)路面積是由電纜與大地（或鄰近其它大型導(dǎo)體）形成的，因此具有較大的環(huán)路面積，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，而且頻率越高產(chǎn)生的輻射越強(qiáng)。
    逆變器輸出的高頻脈沖在電纜傳輸時(shí)產(chǎn)生反射波電壓，主要是因?yàn)檩敵鲭娎|和電動(dòng)機(jī)的阻抗不匹配引起的。如果傳輸線和接收端的阻抗不匹配，那么輸出的電流和最終的穩(wěn)定狀態(tài)將不同，這就引起在接收端產(chǎn)生反射，這個(gè)反射將傳回發(fā)射端并再次反射回來。隨著能量的減弱，反射電流的幅度將減小，直到電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定，這種效應(yīng)被稱為振蕩。
    電力電纜的阻抗包括交流電阻和電抗部分,在高頻運(yùn)行時(shí),電纜電抗將隨頻率的倍數(shù)而增加,而大量高次諧波的產(chǎn)生,電纜的損耗大大增加,使無功功率增加,功率因數(shù)減小。
    電纜的電抗(主要是感抗，容抗較小):X=2πfL

[NextPage] 
    電感分內(nèi)感和外感兩部分，總計(jì)為：
    Li=[0.55+2ln()]×10-7H/m
    電纜阻抗：Z=R+j2πfL
    通常變頻在電力高次諧波的頻率為基波的（3～8）倍，高于工頻，因而由電感產(chǎn)生的阻抗占有比率與普通工頻相比要大得多，足以引起人們對無功損耗的重視。據(jù)悉，變頻電力（主要是6脈沖整流）傳輸中產(chǎn)生的高次諧波的功率約為總功率的30%。這些高次諧波可通過電纜電容和電感的振蕩特性，向周圍環(huán)境進(jìn)行電磁振蕩輻射。
    交流電力系統(tǒng)中變頻器產(chǎn)生有害的高次諧波，變頻器就成為連接于該點(diǎn)的諧波源，其諧波電流經(jīng)過電纜內(nèi)阻的耦合作用，產(chǎn)生交流電壓的波動(dòng)。當(dāng)電纜和電機(jī)負(fù)載電抗不同時(shí)，電力電抗有可能和負(fù)載電抗形成諧振，這個(gè)諧振頻率接近于諧波源的某個(gè)諧波頻率時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生很高的諧波電壓。因此，必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定的程度，才不會(huì)對電路中的其他設(shè)備造成有害的影響。
    電力非線性失真,電力相位不平衡,高次諧波功率較大,電纜阻抗較大,這是電纜產(chǎn)生電磁振蕩輻射的主要原因。

4  電纜的高頻容性效應(yīng)
    由于變頻器輸出端與電機(jī)之間的聯(lián)系采用的電纜各相均存在對地電容，所以運(yùn)行時(shí)線路上的電容電流是不相等的，且線路中又存在高次諧波電流，如果電纜敷設(shè)距離較長，電容電流離散性就會(huì)更大。在高頻時(shí)，電纜的電容決定電纜的傳輸效率，電容電流占到電纜載流容量的相當(dāng)一部分，而且能夠達(dá)到與導(dǎo)體電流相同的數(shù)值，使電纜的傳輸距離減小和無功損耗增大。
    電纜的電容計(jì)算：C=nε×10-12(F/m)
    電容充電電流：IC=2πfUC
    電纜的介質(zhì)損耗：Wd=2πfU2Ctgδ
    高次諧波的電壓加至電纜兩端時(shí)，由于電纜絕緣電容承受能力有限，電纜很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致絕緣損壞；高次諧波引起電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命。
    變頻器與電機(jī)之間的連接電纜存在雜散電容，產(chǎn)生容性漏電流，受高次諧波的激勵(lì)而產(chǎn)生衰減振蕩，造成傳送到電機(jī)輸入端的驅(qū)動(dòng)電壓產(chǎn)生過沖現(xiàn)象，同時(shí)電機(jī)繞組也存在雜散電容，過沖電壓在繞組中產(chǎn)生尖峰電流，使其在繞組絕緣層不均勻處引起過熱，甚至破壞絕緣層而導(dǎo)致電機(jī)損壞，還會(huì)增加電源的功率損耗。電線電纜減小電容，才能夠減少絕緣損耗和容性過電流。
    低電容要求電纜絕緣材料應(yīng)選用低介質(zhì)常數(shù)的材料，從電纜結(jié)構(gòu)上采用降低電容的設(shè)計(jì)，在使用時(shí)應(yīng)盡量減小電纜的使用長度，才能使電纜電容降到較小的程度。

5  電纜的電磁兼容（EMC）
    國際電工委員會(huì)（IEC）對EMC的定義是：指在不損害信號所含信息的條件下，信號和干擾能夠共存。研究電磁兼容的目的是為了保證電器組件或裝置在電磁環(huán)境中能夠具有正常工作的能力。變頻電力電纜的電磁兼容主要考慮的是電纜電磁場不會(huì)對外界產(chǎn)生干擾。
    從電纜方面講，屏蔽是實(shí)現(xiàn)電磁兼容，減少電磁輻射最好的方式。
    屏蔽主要運(yùn)用各種導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料，制造成各種金屬保護(hù)體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應(yīng)耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，其特點(diǎn)是將兩部分電路的地線系統(tǒng)分隔開來，切斷通過阻抗進(jìn)行耦合的可能。
    根據(jù)“集膚效應(yīng)”，屏蔽電纜的靜電電流（高頻）將趨于在屏蔽層的表面流動(dòng)，屏蔽層的表面積較大，能減少“集膚效應(yīng)”阻抗。為了使屏蔽層起到更好的效果，屏蔽層的接地方式通常要采取兩端接地，使得高頻共模電流通過大地形成了環(huán)路，這個(gè)電流產(chǎn)生了一個(gè)與原磁場相反的磁場，減弱電纜內(nèi)電磁振蕩輻射；如果屏蔽不接地，屏蔽上將產(chǎn)生大量共模電壓，將成為電纜的輻射源，同樣具有較大的輻射危害性。
    電磁兼容效果的好壞與電纜理想屏蔽抑制系數(shù)有關(guān)，一般來說，電纜至少需要屏蔽90%的電磁輻射，這就要求電纜屏蔽層具有較大的屏蔽覆蓋面積，較小的屏蔽阻抗，較短的接地線路，才能做到電磁兼容，抑制輻射，保護(hù)電磁環(huán)境。

6  變頻系統(tǒng)電力電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要性能要求
    根據(jù)以上阻抗、電容、屏蔽和對稱性絕緣多線芯結(jié)構(gòu)的方法，因而電線電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：
    （1）導(dǎo)體結(jié)構(gòu)要求
    由于“集膚效應(yīng)”的影響，因而設(shè)計(jì)變頻電纜時(shí)因適當(dāng)增加導(dǎo)體表面積，以減小阻抗。2類導(dǎo)體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類軟導(dǎo)體，以增加表面積，減少電抗。
    （2）絕緣材料選用
    采用介質(zhì)常數(shù)較小和耐電暈強(qiáng)度較高的材料，如PE、EPRM、XLPE材料，以減小電容和共模電壓對電纜絕緣性能的影響，理想材料為XLPE。
    （3）絞纜結(jié)構(gòu)
    以圓形電纜代替扇形等異形結(jié)構(gòu)，增加導(dǎo)體距離，可減少電抗。同時(shí)高切換頻率的脈沖電流要求電機(jī)電纜采用中性線均勻分開，為每相進(jìn)行電力回歸的方式，減少電抗的輻射；電纜常用的結(jié)構(gòu)方法為三加三分中性線的方法，并將中性線圍以每相之間。
    （4）電纜的屏蔽
    屏蔽主要采用電屏蔽方式，以銅和鋁等高導(dǎo)電性材料為主，可采用不同加工方式，而且根據(jù)電纜不同需求確定，但要采用增加屏蔽的表面積和降低屏蔽阻抗相結(jié)合的結(jié)構(gòu)方法最為有效。電纜脈沖屏蔽抑制系數(shù)應(yīng)不大于0.05。如采用電磁屏蔽方式，屏蔽效果可能會(huì)更好。
    江蘇亨通電力電纜有限公司屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為銅絲纏繞加銅帶屏蔽的方式,屏蔽表面積覆蓋率達(dá)100%,同時(shí)銅絲纏繞以超過銅帶截面導(dǎo)通屏蔽帶,使屏蔽阻抗減到最小。
    江蘇亨通電力電纜有限公司根據(jù)以上設(shè)計(jì)開發(fā)的變頻電機(jī)用電力電纜結(jié)構(gòu)見圖3所示。

[NextPage]

圖3  變頻系統(tǒng)用電力電纜結(jié)構(gòu)圖
1.主導(dǎo)體  2.中性導(dǎo)體  3.XLPE絕緣  4.成纜包帶  5.內(nèi)護(hù)套    6.銅絲屏蔽  7.銅帶屏蔽  8.隔離套  9.鎧裝  10.外護(hù)套

根據(jù)國外先進(jìn)公司產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方式，結(jié)合本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，我公司設(shè)計(jì)開發(fā)了如圖3所示的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

    以BPYJVRP1P20.6/1kV3×70+3×10為例，產(chǎn)品主要性能參數(shù)見附表。

    對于中壓大功率變頻系統(tǒng)用電力電纜，電纜采取適當(dāng)屏蔽方式，可有效減少高次諧波輻射。在變頻系統(tǒng)用電力電纜的生產(chǎn)和使用擴(kuò)大的情況下，建議編制相關(guān)行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，研究特性，更好指導(dǎo)并規(guī)范市場。

7  結(jié)束語
    變頻作為電力電子技術(shù)的新發(fā)展給電力環(huán)境提供了優(yōu)秀供電方式，但隨之而來的電磁輻射問題也要有所警覺，除了變頻器系統(tǒng)采用合適的拓樸方法外，作為電纜，雖然輻射比變頻器要小，但在有些場合，電纜電磁輻射也全成為主要的輻射源，因?yàn)樽冾l器、電機(jī)都會(huì)采用一定處理方式，如變頻器采用濾波器，電機(jī)采用一定的電力補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行解決。
    因而研究變頻用電力電纜，減少高次諧波的發(fā)生，減少電磁輻射，變頻調(diào)速系統(tǒng)環(huán)境的電磁輻射應(yīng)引進(jìn)重視，采用主動(dòng)防治和被動(dòng)防治相結(jié)合的方法，創(chuàng)造“綠色”環(huán)保的電磁環(huán)境。