低电容变频器用电力电缆结构设计及参数的确定

本文主要阐述变频器用电缆的一般要求、结构以及专门用于长距离传输的低电容变频器用电缆材料的选用、参数的确定和结构设计。

随着我国电气工业的迅速发展，变频技术越来越多地被应用到工业生产当中，各种电机在使用变频调速后，实现了电机的软启动，使电机工作平稳，电机轴承磨损减小，延长了电机使用寿命和维护周期，在石油、冶金、发电、铁路、矿山等大功率电机中采用变频调速电机，可节电30%左右。变频电缆主要用于变频电源和变频电机之间的连接，作输送电能用，尤其适用于造纸、冶金、金属加工、矿山、铁路和食品加工等行业。

变频器输出距离和与之连接电缆的分布电容具有密切的关系。不只是电容器才有电容，任何两个绝缘导体之间都存在电容，例如导线之间，导线与大地之间，都被绝缘层和空气介质隔开的，都存在着电容。电缆本身便是一个圆柱形的电容器，导电线芯和接地的金属屏蔽层构成了电容的两个极，电容电流将会限制电缆的传输容量和长度，当电缆长度较短时，实际影响可以忽略不计，如果电缆很长或传输信号频率很高时，必须考虑分布电容的作用。

一、变频电缆一般要求

（一）变频工作原理

目前的变频电源是通过电力半导体器件调压，较大程度上改变了波形特性，这就给电机和电缆带 来了新问题：变频器中通常通过大功率的自关断开关器件进行整流、然后对直流电压进行PWM逆变，结果是在输入输出回路产生电压的高次谐波，干扰供电系统、负载及其他邻近电气设备，尤其是控制系统的I/O信号，同时由于高次谐波的存在，使得变频电缆应具有更高的绝缘安全裕度。在实际使用过程中，经常会遇到变频器高次谐波的干扰问题。变频器的主回路一般为交-直-交组成，外部输入380V/50Hz的工频电源经三相桥路不可控整流成直流电压，经滤波电容滤波及大功率晶闸管开关元件逆变为频率可变的交流电压，在整流回路中，由于不规则的矩形波的存在，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将干扰输入供电系统，在逆变回路中，输出电流波形是PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为3000赫兹，而IGBT大功率逆变元件的PWM载频可达1500赫兹。

（二）变频电缆特点

1.脉冲电压对绝缘的影响

变频电源的频率调节范围较宽，不论频率高低，具有一个主频率的波形轮廓，它包含了许多高次谐波，作为一种行波经多次反射，幅值叠加可达到工作电压数倍，电缆越长，幅值越高，若电缆绝缘安全系数不高，可能被击穿。

2.电缆本体对外发射电磁波

一般变频家用电器为单相供电，长度很短，功率也较小，变频电源、连接电缆和变频电机一并设置在金属壳内，抑制了电磁波对外发射。但是在工业领域内，电机功率较大，连接变频电机和变频电源之间的电缆长度长，在工作时电缆就是高频电磁波向外发射的有效载体，对于周围邻近地区的广播通信将产生较大的干扰，有时情况也比较严重，称之为电磁波的环境污染。

3.中性线电流的叠加

完整的三相正弦供电系统，当三相电流平衡时，其中性线的电流为零，若出现三次谐波，则三次谐波的电流分量在中性线内不存在相位差，所以直接叠加成分量的三倍。若变频原供电对象是三个单相变频电机，而且处于三相功率分布平衡状态，则中性线电流更大，中性线截面应不小于相截面。

（三）大长度变频电缆特点

在电缆远距离敷设系统中，电缆的电容会表现地较为明显，对控制回路产生一定的影响，甚至影响控制功能，特别是对于变频器控制普通低压电机的控制回路，故障较多表现为过流、起停失灵等现象，给生产和维护造成很大的安全隐患。由于输出线上的分布电容和分布电感的共振产生浪涌电压，将会叠加到输出电压上，晶体管的开关频率越高，电缆越长，产生的浪涌电压越高时，可产生直流电压的两倍的浪涌电压。这种情况下，很容易引起过压过流保护，甚至烧坏模块。

二、低电容变频电缆的结构设计

根据变频电缆的使用特点，低电容变频电缆除了满足普通变频电缆的使用要求：良好的绝缘性能、电缆绝缘线芯对称结构设计、以及满足使用要求的屏蔽结构外，还要具有低电容性能，以满足大长度变频电缆的使用要求。目前，变频电缆各个生产厂商一般参照GB/T12706来制定企业标准进行生产，或者是执行地方标准，还没有明确的国家标准或行业标准来规定低电容变频电缆的具体制造方法，根据低电容的电缆的特点要求，本文重点在影响电缆电容的绝缘材料、几何因数方面作以下介绍，提出低电容变频电缆的设计要求，供同行之间相互交流。

（一）绝缘材料选择

单位长度单芯电缆的电容按以下公式计算：

式中：ε0—真空介电常数，ε0=8.86×10-12 F/m；ε—绝缘材料相对介电常数；

Di—绝缘外径；Dc—导体缘外径。

为方便计算，可将公式（1）写成：

对于多芯圆形电缆。三芯联在一起对金属屏蔽层（或金属护套）的电容为：

式中：n—电缆芯数；G1—多芯电缆的几何因数；

从式（2）中可以看出，电缆电容的大小与绝缘材料的选用有直接关系，在相同的挤出厚度前提下，绝缘材料相对介电常数越大，电缆的电容就越大；相同的挤包绝缘材料，包覆厚度越小，其电容就越大，下表列出了常用的绝缘材料的相对介电常数。

从表1我们可以看出，电缆常用的绝缘材料当中，聚氯乙烯（PVC）绝缘的相对介电常数最大，故一般不适用于用作低电容要求的变频电缆，氟塑料绝缘的相对介电常数较小，但其挤出厚度一般较薄，电容与同规格其他绝缘电缆相比也较大，设计时应根据使用环境要求，计算后再行确定；比较以上几种绝缘材料，交联聚乙烯以及硅橡胶比较适合用于低电容要求电缆绝缘材料。

（二）几何因数确定

从公式（2）我们可以看到，影响电缆电容的参数除了绝缘材料外，还有几何因数G，图1为各种型式电缆的几何因数，从图中而几何因数是由电缆结构参数来决定的，包括绝缘厚度、导体外径、导体表面到金属屏蔽间的距离以及导体形状等，下面我们逐一介绍。

1.绝缘厚度

图1中Δ为两绝缘线芯的绝缘厚度之和，Δ1为导体表面到金属屏蔽层间的距离，即绝缘厚度和屏蔽层下垫层厚度之和，Δ1/Δ 受到绝缘厚度和屏蔽层下垫层厚度两个参数的影响，Δ1/Δ为≥1时，几何因数最大，即：

式中：t1—屏蔽层下垫层厚度；t2—绝缘厚度；计算后，得：t1≥t2 （5）

从式（5）可以看出，若其他结构参数一定，当屏蔽下垫层厚度不小于绝缘厚度时，几何因数最大，电缆电容最小。

2.导体外径

从图1曲线可以直接看出，Δ1/DC值越大，几何因数越大，电容越小，其他结构参数一定，导体直径DC越小，电容越小。

3.导体表面到金属屏蔽距离

几何因数是通过计算Δ1/Δ和Δ1/DC两个值，然后查几何因数曲线图得来的，故几何因数最重要的影响参数即为导体表面到金属屏蔽层间的距离Δ1来决定的，所以当导体直径、绝缘厚度值不变时，屏蔽层下垫层厚度的大小直接影响电缆对地电容，屏蔽层下垫层厚度越厚，几何因数越大，电容越小。

4.导体形状

低压电力电缆导体结构一般有圆形和扇形结构，对于3芯变频电缆，若形状采用扇形结构，还需乘扇形校正因数，扇形校正因数取值范围为0.6-1.0，故若采用扇形导体，其几何因数是一定小于圆形导体结构的，相应的扇形导体结构电缆电容一定是大于圆形导体结构。

5.影响因素分析

从以上分析来看，绝缘厚度、导体外径、导体表面到金属屏蔽间的距离以及导体形状都会直接影响电缆的电容，但各个参数影响大小却不相同，我们以BPYJVP-0.6/1kV 3×4和BPYJVP-0.6/1kV 3×70来举例说明，具体见表2：

从表中看到，导体外径是影响几何因数最重要的参数，但是对于相同规格电缆，导体外径相差不大，硬导体结构电容要小于软结构电缆；其次导体表面到金属屏蔽距离是影响几何因数的次要因素，由于金属屏蔽下垫层厚度容易实现，采用挤包垫层结构或者绕包较厚的垫层，即可实现电缆较小的电容，值得注意的是，当导体外径较大时，垫层厚度增加的幅度较大，否则几何因数变化不明显；增加绝缘厚度也可以增大几何因数，减小电缆的电容，但是在设计时，要尽可能保证屏蔽下垫层厚度不小于绝缘厚度。

三、举例计算及试验结果

应客户要求，BPYJVRP-0.6/1 3×4+3×1，该变频电缆要求绝缘线芯间工作电容不大于120pF/m：按照普通变频电缆来设计：

根据公式（2），并带入相关数据得：

由于电缆工作环境中，还有其他分布电容，所以如果按照普通结构设计，测量结果很有可能会超过客户要求值。

将参数带入公式（2）得：

采用上述设计参数，电容远远小于客户要求值，即使加上其他分布电容，也不会高于客户要求值，我们按照该参数进行生产，经国家电线电缆检测中心（安徽）检测，绝缘线芯工作电容为71.0 pF/m，基本与设计结果吻合。

四、结束语

对于变频电缆，如果没有特殊使用要求，按照各个企业制定的企业标准或地方标准生产即可，若是传输长度较长，一定要考虑电容对传输性能的影响，根据客户要求，设计好结构参数后，应考虑安全裕度，最后还需实际测量验证，而且分布电容是一种分布参数，其数值不仅随电缆的生产厂商不同而存在差异，而且会因为电缆的敷设方式、工作状态和外界环境因素而不同，这需要在设计时综合考虑。

参考文献：
[1] 卓金玉.电力电缆设计原理.高等学校教材.
[2] 额定电压1kV（Um=1.2kV）到35kV（Um=40.5kV）挤包绝缘电力电缆及附件 第1部分：额定电压1kV（Um=1.2kV）和3kV（Um=3.6kV）电缆 [M].国家市场监督管理总局 国家标准化管理文员会，2020.