1 引言
現代電力電子技術的發展已進入變頻技術為主的時代，現代變頻技術是集高頻、高壓和大電流于一身的交流電氣傳動技術，變頻器具有高效、節能和智能化的特點，已經成為提高能源效率和控制特性、改善機械設備性能的一個強有力的途徑。變頻系統由變頻器、變頻電機、控制電路組成，變頻調速按變換環節主要分為“交—直—交”和“交—交”兩種。交流傳動與控制技術已是目前發展最為迅速的技術之一。
雖然變頻器在工業生產中具有無可比擬的優越性，具有功率因數高、起動平穩、調速范圍寬和使用方便等優點，但是由于變頻器要進行大功率二極管整流、大功率晶體管逆變等非線型電路，故產生高次諧波電流。現代“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、負載及其他鄰近電氣設備產生干擾，尤其是在對防干擾要求比較高的高精度儀表、計算機控制系統等諧波干擾問題尤為突出。所以設計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，減少電機的損耗和發熱。
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生的，研究變頻器諧波特點和危害，才能設計并應用合適的電力電纜。
2.1 變頻器產生高次諧波
變頻器內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的正弦波，因而就產生了大量高次諧波。根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波可以區分為偶次性與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，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、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱；
（2） 引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統事故，嚴重威脅系統的安全運行；
（3） 對通訊系統工作產生干擾，影響通信線路通話的清晰度，甚至還會威脅著通信設備和人員的安全；
（4） 對用電設備的影響很大，電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，使計算機及數據處理系統出現錯誤，嚴重時甚至損害機器；
此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示造成不準確及對裝置等產生不良影響，它已經成為當前電力系統中影響電能質量的大公害。
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
電纜產生輻射的機理有兩種，一種是電纜中的電流（差模電流）回路產生的差模輻射，另一種是電纜中的導線（包括屏蔽層）上的共模電流產生的。電纜的輻射主要來自共模輻射。共模輻射是由共模電流產生的，共模電流的環路面積是由電纜與大地（或鄰近其它大型導體）形成的，因此具有較大的環路面積，會產生較強的輻射，而且頻率越高產生的輻射越強。
逆變器輸出的高頻脈沖在電纜傳輸時產生反射波電壓，主要是因為輸出電纜和電動機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定狀態將不同，這就引起在接收端產生反射，這個反射將傳回發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，直到電壓和電流達到穩定，這種效應被稱為振蕩。
電力電纜的阻抗包括交流電阻和電抗部分,在高頻運行時,電纜電抗將隨頻率的倍數而增加,而大量高次諧波的產生,電纜的損耗大大增加,使無功功率增加,功率因數減小。
電纜的電抗(主要是感抗，容抗較小):X=2πfL
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電感分內感和外感兩部分，總計為：
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。據悉，變頻電力（主要是6脈沖整流）傳輸中產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，向周圍環境進行電磁振蕩輻射。
交流電力系統中變頻器產生有害的高次諧波，變頻器就成為連接于該點的諧波源，其諧波電流經過電纜內阻的耦合作用，產生交流電壓的波動。當電纜和電機負載電抗不同時，電力電抗有可能和負載電抗形成諧振，這個諧振頻率接近于諧波源的某個諧波頻率時，就會產生很高的諧波電壓。因此，必須使變頻器的諧波電流和電纜控制到一定的程度，才不會對電路中的其他設備造成有害的影響。
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,這是電纜產生電磁振蕩輻射的主要原因。
4 電纜的高頻容性效應
由于變頻器輸出端與電機之間的聯系采用的電纜各相均存在對地電容，所以運行時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，如果電纜敷設距離較長，電容電流離散性就會更大。在高頻時，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一部分，而且能夠達到與導體電流相同的數值，使電纜的傳輸距離減小和無功損耗增大。
電纜的電容計算：C=nε×10-12(F/m)
電容充電電流：IC=2πfUC
電纜的介質損耗：Wd=2πfU2Ctgδ
高次諧波的電壓加至電纜兩端時，由于電纜絕緣電容承受能力有限，電纜很容易發生過負荷導致絕緣損壞；高次諧波引起電纜內耗加大，電纜發熱，縮短電纜的使用壽命。
變頻器與電機之間的連接電纜存在雜散電容，產生容性漏電流，受高次諧波的激勵而產生衰減振蕩，造成傳送到電機輸入端的驅動電壓產生過沖現象，同時電機繞組也存在雜散電容，過沖電壓在繞組中產生尖峰電流，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致電機損壞，還會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選用低介質常數的材料，從電纜結構上采用降低電容的設計，在使用時應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（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對外界產生干擾。
從電纜方面講，屏蔽是實現電磁兼容，減少電磁輻射最好的方式。
屏蔽主要運用各種導電、導磁材料，制造成各種金屬保護體并與大地連接，以切斷通過空間的靜電耦合、感應耦合或交變電磁場耦合形成的電磁噪聲傳播途徑，其特點是將兩部分電路的地線系統分隔開來，切斷通過阻抗進行耦合的可能。
根據“集膚效應”，屏蔽電纜的靜電電流（高頻）將趨于在屏蔽層的表面流動，屏蔽層的表面積較大，能減少“集膚效應”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路，這個電流產生了一個與原磁場相反的磁場，減弱電纜內電磁振蕩輻射；如果屏蔽不接地，屏蔽上將產生大量共模電壓，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有關，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，保護電磁環境。
6 變頻系統電力電纜結構設計和主要性能要求
根據以上阻抗、電容、屏蔽和對稱性絕緣多線芯結構的方法，因而電線電纜結構設計如下：
（1）導體結構要求
由于“集膚效應”的影響，因而設計變頻電纜時因適當增加導體表面積，以減小阻抗。2類導體單根要多，而且在可能的情況下盡量采用5類軟導體，以增加表面積，減少電抗。
（2）絕緣材料選用
采用介質常數較小和耐電暈強度較高的材料，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）絞纜結構
以圓形電纜代替扇形等異形結構，增加導體距離，可減少電抗。同時高切換頻率的脈沖電流要求電機電纜采用中性線均勻分開，為每相進行電力回歸的方式，減少電抗的輻射；電纜常用的結構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，以銅和鋁等高導電性材料為主，可采用不同加工方式，而且根據電纜不同需求確定，但要采用增加屏蔽的表面積和降低屏蔽阻抗相結合的結構方法最為有效。電纜脈沖屏蔽抑制系數應不大于0.05。如采用電磁屏蔽方式，屏蔽效果可能會更好。
江蘇亨通電力電纜有限公司屏蔽結構設計為銅絲纏繞加銅帶屏蔽的方式,屏蔽表面積覆蓋率達100%,同時銅絲纏繞以超過銅帶截面導通屏蔽帶,使屏蔽阻抗減到最小。
江蘇亨通電力電纜有限公司根據以上設計開發的變頻電機用電力電纜結構見圖3所示。
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圖3 變頻系統用電力電纜結構圖
1.主導體 2.中性導體 3.XLPE絕緣 4.成纜包帶 5.內護套 6.銅絲屏蔽 7.銅帶屏蔽 8.隔離套 9.鎧裝 10.外護套
根據國外先進公司產品結構方式，結合本產品結構設計特點，我公司設計開發了如圖3所示的產品結構。
以BPYJVRP1P20.6/1kV3×70+3×10為例，產品主要性能參數見附表。
對于中壓大功率變頻系統用電力電纜，電纜采取適當屏蔽方式，可有效減少高次諧波輻射。在變頻系統用電力電纜的生產和使用擴大的情況下，建議編制相關行業規范或標準，研究特性，更好指導并規范市場。
7 結束語
變頻作為電力電子技術的新發展給電力環境提供了優秀供電方式，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，因為變頻器、電機都會采用一定處理方式，如變頻器采用濾波器，電機采用一定的電力補償的方式進行解決。
因而研究變頻用電力電纜，減少高次諧波的發生，減少電磁輻射，變頻調速系統環境的電磁輻射應引進重視，采用主動防治和被動防治相結合的方法，創造“綠色”環保的電磁環境。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
