变频系统电力电缆谐波振荡辐射及抑制

1、变频系统电力电缆谐波振荡辐射及抑制Harmonic Surge Radiation and Avoid of Frequency System Electric Power Cable本文来自2007年第4期“EMC抗干扰技术”作 者 ：江苏亨通电力电缆有限公司  吉启荣摘 要 ：本文就变频系统输出电能的特点，分析高次谐波产生的原因和危害及其并在电力电缆传输过程中产生振荡辐射的原因和解决方法。最后提出电力电缆的技术要求和电缆结构设计，以减少电缆振荡辐射谐波对环境的电磁污染。英

2、文摘 要 ：This paper talks about high frequency export characteristic of inverter system, analyzing the produce reason and disadvantage of high harmonic surge radiation, and reason and

3、 solving way with producing harmonic surge radiation in power cable. At last we bring forward criterion of power cable and designing fit construction, reduce the EMI 

4、;radiation pollution of the high frequency harmonic.关键词： 变频系统     阻抗     高次谐波     1  引言    现代电力电子技术的发展已进入变频技术为主的时代，现代变频技术是集高频、高压和大电流于一身的交流电气传动技术，变频器具有高效、节能和智能化的特点，已经成为提高能源效率和控制特性、改

5、善机械设备性能的一个强有力的途径。变频系统由变频器、变频电机、控制电路组成，变频调速按变换环节主要分为“交直交”和“交交”两种。交流传动与控制技术已是目前发展最为迅速的技术之一。    虽然变频器在工业生产中具有无可比拟的优越性，具有功率因数高、起动平稳、调速范围宽和使用方便等优点，但是由于变频器要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变等非线型电路，故产生高次谐波电流。现代“绿色”变频器对高次谐波有较好的抑制作用，因而能减少高次谐波的辐射，而它通过电缆输出的电力，成了干扰源，对供电系统、负载及其他邻近电气设备产生干扰，尤其是在对防干扰要求比较高的高精度仪表、计算机

6、控制系统等谐波干扰问题尤为突出。所以设计合适的变频用电力电缆，才能有效力减少谐波的辐射和污染，减少电机的损耗和发热。2  电缆输送高次谐波电力的危害    电缆是输送电力的载体，电缆输出的高次谐波是由于变频器输出和输入产生的，研究变频器谐波特点和危害，才能设计并应用合适的电力电缆。2.1 变频器产生高次谐波    变频器内存在大量非线性电子组件，使变频器输出与输入的电力不是连续的正弦波，因而就产生了大量高次谐波。根据法国数学家傅立叶（M.Fourier）分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的

7、谐波的正弦波分量。谐波可以区分为偶次性与奇次性。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大,常见奇次谐波为3、5、7、9倍谐波，以5倍谐波危害最为严重，如图1所示。图1  电缆中的高次谐波2.2 变频电力电缆产生高次谐波的辐射危害    变频器的输出电压和电流波形如图2所示。在变频条件下电力电缆是传输经变频器电力“加工”的具有高次谐波的电力，高次谐波的辐射危害主要有：    （1） 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热； 

8、    （2） 引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁系统的安全运行；    （3） 对通讯系统工作产生干扰，影响通信线路通话的清晰度，甚至还会威胁着通信设备和人员的安全；    （4） 对用电设备的影响很大，电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，使计算机及数据处理系统出现错误，严重时甚至损害机器；    此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示造成不准确及对装置等产生不良影响，它已经成为当前

9、电力系统中影响电能质量的大公害。图2  变频器的输出电压和电流波形3  电力电缆阻抗振荡辐射    电缆产生辐射的机理有两种，一种是电缆中的电流（差模电流）回路产生的差模辐射，另一种是电缆中的导线（包括屏蔽层）上的共模电流产生的。电缆的辐射主要来自共模辐射。共模辐射是由共模电流产生的，共模电流的环路面积是由电缆与大地（或邻近其它大型导体）形成的，因此具有较大的环路面积，会产生较强的辐射，而且频率越高产生的辐射越强。    逆变器输出的高频脉冲在电缆传输时产生反射波电压，主要是因为输出电缆和电动机的阻抗不匹配引起的。

10、如果传输线和接收端的阻抗不匹配，那么输出的电流和最终的稳定状态将不同，这就引起在接收端产生反射，这个反射将传回发射端并再次反射回来。随着能量的减弱，反射电流的幅度将减小，直到电压和电流达到稳定，这种效应被称为振荡。    电力电缆的阻抗包括交流电阻和电抗部分,在高频运行时,电缆电抗将随频率的倍数而增加,而大量高次谐波的产生,电缆的损耗大大增加,使无功功率增加,功率因数减小。    电缆的电抗(主要是感抗，容抗较小):X=2fL    电感分内感和外感两部分，总计为：    L

11、i=0.55+2ln()×10-7H/m    电缆阻抗：Z=R+j2fL    通常变频在电力高次谐波的频率为基波的（38）倍，高于工频，因而由电感产生的阻抗占有比率与普通工频相比要大得多，足以引起人们对无功损耗的重视。据悉，变频电力（主要是6脉冲整流）传输中产生的高次谐波的功率约为总功率的30%。这些高次谐波可通过电缆电容和电感的振荡特性，向周围环境进行电磁振荡辐射。    交流电力系统中变频器产生有害的高次谐波，变频器就成为连接于该点的谐波源，其谐波电流经过电缆内阻的耦合作用，产生交流电压

12、的波动。当电缆和电机负载电抗不同时，电力电抗有可能和负载电抗形成谐振，这个谐振频率接近于谐波源的某个谐波频率时，就会产生很高的谐波电压。因此，必须使变频器的谐波电流和电缆控制到一定的程度，才不会对电路中的其他设备造成有害的影响。    电力非线性失真,电力相位不平衡,高次谐波功率较大,电缆阻抗较大,这是电缆产生电磁振荡辐射的主要原因。4  电缆的高频容性效应    由于变频器输出端与电机之间的联系采用的电缆各相均存在对地电容，所以运行时线路上的电容电流是不相等的，且线路中又存在高次谐波电流，如果电缆敷设距离较长，电容电流离散

13、性就会更大。在高频时，电缆的电容决定电缆的传输效率，电容电流占到电缆载流容量的相当一部分，而且能够达到与导体电流相同的数值，使电缆的传输距离减小和无功损耗增大。    电缆的电容计算：C=n×10-12(F/m)    电容充电电流：IC=2fUC    电缆的介质损耗：Wd=2fU2Ctg    高次谐波的电压加至电缆两端时，由于电缆绝缘电容承受能力有限，电缆很容易发生过负荷导致绝缘损坏；高次谐波引起电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命。 

14、0;  变频器与电机之间的连接电缆存在杂散电容，产生容性漏电流，受高次谐波的激励而产生衰减振荡，造成传送到电机输入端的驱动电压产生过冲现象，同时电机绕组也存在杂散电容，过冲电压在绕组中产生尖峰电流，使其在绕组绝缘层不均匀处引起过热，甚至破坏绝缘层而导致电机损坏，还会增加电源的功率损耗。电线电缆减小电容，才能够减少绝缘损耗和容性过电流。    低电容要求电缆绝缘材料应选用低介质常数的材料，从电缆结构上采用降低电容的设计，在使用时应尽量减小电缆的使用长度，才能使电缆电容降到较小的程度。5  电缆的电磁兼容（EMC）   

15、; 国际电工委员会（IEC）对EMC的定义是：指在不损害信号所含信息的条件下，信号和干扰能够共存。研究电磁兼容的目的是为了保证电器组件或装置在电磁环境中能够具有正常工作的能力。变频电力电缆的电磁兼容主要考虑的是电缆电磁场不会对外界产生干扰。    从电缆方面讲，屏蔽是实现电磁兼容，减少电磁辐射最好的方式。    屏蔽主要运用各种导电、导磁材料，制造成各种金属保护体并与大地连接，以切断通过空间的静电耦合、感应耦合或交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途径，其特点是将两部分电路的地线系统分隔开来，切断通过阻抗进行耦合的可能。 

16、60;  根据“集肤效应”，屏蔽电缆的静电电流（高频）将趋于在屏蔽层的表面流动，屏蔽层的表面积较大，能减少“集肤效应”阻抗。为了使屏蔽层起到更好的效果，屏蔽层的接地方式通常要采取两端接地，使得高频共模电流通过大地形成了环路，这个电流产生了一个与原磁场相反的磁场，减弱电缆内电磁振荡辐射；如果屏蔽不接地，屏蔽上将产生大量共模电压，将成为电缆的辐射源，同样具有较大的辐射危害性。    电磁兼容效果的好坏与电缆理想屏蔽抑制系数有关，一般来说，电缆至少需要屏蔽90%的电磁辐射，这就要求电缆屏蔽层具有较大的屏蔽覆盖面积，较小的屏蔽阻抗，较短的接地线路，才能做到电磁兼

17、容，抑制辐射，保护电磁环境。6  变频系统电力电缆结构设计和主要性能要求    根据以上阻抗、电容、屏蔽和对称性绝缘多线芯结构的方法，因而电线电缆结构设计如下：    （1）导体结构要求    由于“集肤效应”的影响，因而设计变频电缆时因适当增加导体表面积，以减小阻抗。2类导体单根要多，而且在可能的情况下尽量采用5类软导体，以增加表面积，减少电抗。    （2）绝缘材料选用    采用介质常数较小和耐电晕强度较高的材料，如PE、EPRM

18、、XLPE材料，以减小电容和共模电压对电缆绝缘性能的影响，理想材料为XLPE。    （3）绞缆结构    以圆形电缆代替扇形等异形结构，增加导体距离，可减少电抗。同时高切换频率的脉冲电流要求电机电缆采用中性线均匀分开，为每相进行电力回归的方式，减少电抗的辐射；电缆常用的结构方法为三加三分中性线的方法，并将中性线围以每相之间。    （4）电缆的屏蔽    屏蔽主要采用电屏蔽方式，以铜和铝等高导电性材料为主，可采用不同加工方式，而且根据电缆不同需求确定，但要采用增加屏蔽的表面积和降低屏蔽阻抗相结合的结构方法最为有效。电缆脉冲屏蔽抑制系数应不大于0.05。如采用电磁屏蔽方式，屏蔽效果可能会更好。    江苏亨通电力电缆有限公司屏蔽结构设计为铜丝缠绕加铜带屏蔽的方式,屏蔽表面积覆盖率达100%,同时铜丝缠绕以超过铜带截面导通屏蔽带,使屏蔽阻抗减到最小。    江苏亨通电力电缆有限公司根据以上设计开发的变频电机用电力电缆结构见图3所示。图3  变频系统用电力电缆结构图1.主导体  2.中性导体  3.XL