变频调速系统用电缆

变频调速系统用电缆一、前言变频调速已经成为目前主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速传动。随着变频器在工业控制领域内日益广泛的应用，并且变频电机在变频控制方面较普通电机具有更多的优越性，使用变频调速很快得到普及化。变频调速也可说是低碳技术之一，它有三大优点：1.变频节能举水泵为例，如果水泵的效率一定，当要求调节水流量下降时，转速N可成比例地下降，轴的输出功率P则成立方函数下降。即水泵电机的耗电功率与转速近似成立方比的关系。近似计算，一台水泵电机当转速下降到额定转速的1/2时，可省电87.5%。2.功率因数补偿节能无功功率不但增加线路损耗和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，有大量无功电能消耗在线路当中。举例来说，一台大型普通水泵电机的功率因数在0.6～0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，使电流相位超前，矢量合成后的cosФ≈1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。3、软启动节能由于普通电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于4～7倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击；对设备、管路(指水管等)的使用寿命也极为不利。使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能，可使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。当然也不可否认存在一些问题，这就是输入电机的线路中，存在3次谐波及3的倍数的谐波，这一类谐波产生的电流相位相同，没有相位差，因此它们的矢量叠加，在电缆中心线内传输。另外还有高次谐波的对外发射，造成电磁波对外干扰。这些现象在变频电缆中比较突出。大型变频调速系统对电缆的要求较高，所用品种不只限于电力电缆，控制电缆、仪表电缆和数字传输电缆等等，将来也需要用光-电综合缆等。既然认识了变频调速优点、问题及其重要性，认识了配套电缆的特殊性，那末电缆行业应当为其配套提供优越的产品和完善的服务。二、变频调速的基本原理国际上使用的交流供电电源，无论是用于家庭或工厂，一般电压等级为均220V或110V，频率为50Hz或60Hz。近代发展了更高的电压(0.6kV～35kV)。为了实现变频，必须将电压和频率稳定的交流电，变换为电压或频率可变的交流电，这一装置称作“变频器”。为了产生可变的电压和频率，变频器首先要把电源的交流电变换为直流电(DC)，把直流电(DC)变换为交流电(AC)的装置，其科学术语为“inverter”(逆变器)。后来产品本身就被命名为“inverter”，中文为“变频器”。变频器也可用于家电产品。用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。变频电缆就是变频器与变频电机之间的连接电缆，正确的理解应该说变频电力电缆，也可认为是一种专用电缆。变频调速系统还需要用很多其他电缆品种，三、变频电缆发展中的问题十多年前，我国引进大型变频电机及其配套的变频器(即变频电源)，最初变频电缆也需要引进配套。时隔不久，国产仿制的变频电缆就推入国内市场，根据国内专家评估，达到国外同类产品水平，当时也得到外方技术人员的确认。从此国产变频电缆越做越旺，无论是1kV及以下的大小截面变频电缆，或是6～35kV变频电缆，可以说完全实现了国产化，并且有些品种具有自主知识产权。时过十年，为何又冒出了新问题，具体反映的三个问题为：①某工作场合改造，变频电机从变频器接线，采用了电机专用电缆(铜屏蔽四芯电缆)，后来设备搬迁，原用电缆长度不够，是否可以采用普通的4芯电缆接长？答案是：这要看周边情况，虽说对电机使用影响不会大，但是某些对电磁波敏感的元器件组成的设备，会有影响。原因是电缆工作时，普通电缆第4芯的电流成分中含有高频分量，会产生无线发射效应，普通电缆没有总屏蔽，不能有效抑制无线电波的发射效应(也就是无线电波没有显著衰减)，可能对某些设备干扰，造成对电磁波敏感的设备误动作甚至失效。另一种观点认为远离控制和仪表设备等弱电设备及其连接线缆的情况，用可以普通4芯电缆，倘若经济许可，最好采用变频专用电缆，这样不会造成其他影响。②个别引进工程，由于订货有误，采用了没有铜材屏蔽结构的普通4芯电缆(但有钢带铠装)，设备输出国的技术人员不予确认，在验收问题上纠纷很大。③个别国内工程，由于订货有误，也采用了没有铜材屏蔽结构的普通4芯电缆(但有钢带铠装)，工程验收时争论很大，据说最后不得不协商解决。对于②和③二种情况，也许是错将钢带视为屏蔽层。尽管冒出的新问题时属于个案，应当加以重视和加以防范。当然也不能断然地说，普通电缆一律禁用，有人认为敷设长度50米以内的电缆，只要确定没有屏蔽结构的电缆不会对其他组件和设备等产生干扰，可认为没问题，50米以上就不可以了，对外电磁干扰可能会出问题。所以专用变频电缆的选用，仍然要分析具体场合。总之，说来说去离不了干扰问题。四、变频电缆的设计原则国内有很多制造变频电缆的工厂，经验丰富，品种规格具全，足以满足国内需求。过去也有很多公开发表的文献，所以本文不必再重复叙述。只是提出三条原则：①低压变频电缆的结构设计对称化，对于小功率电机，可用3芯成缆后加总屏；对于大功率电机，可用3大3小绝缘导体，对称排列成缆，最后加总屏。②中压变频电缆的结构设计同轴化。③任何屏蔽层的截面，应满足用户提出的最小规定，如果铜带截面尺寸不够，可稀疏缠绕铜线，达到要求的导体面积。图1～图3为三种变频电缆的示意图。由于六芯电缆中3个小绝缘芯的导体截面之和，与4芯电缆中第4绝缘芯的导体截面相等，而六芯对称型成缆直径比四芯成缆直径略小，因此电缆成本基本相等。图1小截面三芯变频电缆图2六芯对称型变频电缆图3三芯同轴型变频电缆五、控制系统的PLC和DCS应用当代自动化技术的发展，各行各业大量应用了PLC和DCS等技术。PLC是英语词的缩写，即“ProgrammableLogicController”，常称可编程序控制器。20世纪末期，PLC可编程控制器的发展，已适应于现代工业的需要，发展了大型机和超小型机、诞生了各种各样的特殊功能单元、生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。是当前普遍为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC已经广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通、物流、环保及文化娱乐等各个行业，它具有高可靠性、抗干扰能力强、功能强大、灵活，易学易用、体积小，重量轻，价格便宜的特点。DCS也是英语词的缩写，即DistributedControlSystem，常称分散控制系统，随着现代大型工业生产自动化的不断兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生的综合控制系统，它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物，可提供窗口友好的人机界面和强大的通讯功能。是完成过程控制、过程管理的现代化设备。针对不同行业、不同项目，在充分调查了计算机技术、网络技术、应用软件技术、信号处理技术的基础上，使用各种分散控制系统，高质量、高标准的完成工程设计、组态、成套供货、现场启动调试、性能测试及考核验收，推出切实可行的技术方案。PLC或DCS控制系统，都需要配备各类其他电缆，如控制电缆、信号电缆、仪表电缆、数据电缆和有关电线。不久的将来，会采用更先进的光纤或光-电综合缆等技术。六、传输信号用电缆的选择各工程的程序不相同，电缆选择品种也随之而变，目前有很多企业标准中可选出合适的产品。在选用产品时，不要看产品的名称，而应分析产品的结构和性能指标，通常会发现产品名称与实质性性能水平不一定完全一致。PLC与DCS时二种不同的技术，而电缆的选用却是惊人的相似。以下提供一些电缆品种供参考，可以看出一个共同特点，即是有效的屏蔽层。“分屏”是指线对或线组的屏蔽(也成单元屏蔽)，主要是防止各线对或线组之间的相互干扰，“总屏”是指对缆芯(即成缆后的全部线芯)的屏蔽，主要是防止外界对电缆内部线芯的干扰。以下综合了一些企业标准基本内容，供参考。1.聚氯乙烯绝缘集散型仪表用信号电缆聚氯乙烯绝缘集散型仪表用信号电缆的电压等级为300/300V，原则上分两种屏蔽结构，第一种只有“总屏蔽”，第二种既有“总屏蔽”，又有“分屏蔽”。在20世纪80年代使用较广，聚氯乙烯绝缘性能较聚乙烯差，传输频率较低。所有截面的对数为1、2、3、4、5、7、8、10、12、14、16、19对。电缆的主要特征如下：电缆额定电压Uo/U：300/300V(有的企业标准订300/500V)；最高工作温度：一般型不超过70℃，耐热聚氯乙烯不超过105℃；最低环境温度：固定敷设：－40℃，非固定敷设：－15℃；最小弯曲半径：无铠装层电缆应不小于电缆外径的6倍；有铠装层电缆应不小于电缆外径的12倍。表1聚氯乙烯绝缘集散型仪表用信号电缆项目单位指标导体直流电阻(20℃时)Ω/km标称截面mm20.50.751.01.5直流电阻最大值3624.518.112.1工作电容1kHzpF/m任一线对导体间≤180线对与屏蔽间≤400分布电感μH/m任一线对≤0.6电感电阻比μH/Ω电感电阻比最大值2025303520℃时绝缘电阻MΩ·km任一线对导体间≥25线对与屏蔽间≥1电压试验V时间1min300/300V级为1000；300/500V级为2000V不击穿2.电动仪表用信号电缆电动仪表用信号电缆的电压等级为300/500V，基本结构见表2。主要性能指标见表3。表2电动仪表用信号电缆基本结构表导体标称截面mm20.50.751.01.251.52.5导体结构n-根数d-直径(mm)A1/0.801/0.971/1.131/1.261/1.381/1.78B7/0.307/0.377/0.437/0.487/0.527/0.68R19/0.1819/0.2319/0.2619/0.2919/0.3219/0.44绝缘绝缘厚度mm0.60.60.60.60.60.6工作温度℃聚乙烯-70、交联聚乙烯-90、低烟无卤聚烯烃-90、*交联低烟无卤聚烯烃-90或125缆芯线对(2芯)数所有截面均为1、2、3、4、5、7、8、10、12、14、16、19、24线组(3芯)数所有截面均为1、2、3、4、5、7、8、10、12、14垫层非吸湿性带绕包层数和厚度不作规定，但应足够防止铜线编织或铜带绕包屏蔽层损伤绝缘总屏材料铜线或镀锡铜线编织、铜带绕包、铝-塑复合带(加引流线)绕包护套材料聚氯乙烯、低烟无卤阻燃聚烯烃或按用户要求厚度按护套前直径计算铠装钢带或钢丝铠装按用户要求，符合GB/T护层标准。表3电动仪表用信号电缆主要性能指标项目单位指标导体直流电阻(20℃时)Ω/km按导体标准，并按制造工艺计算，此处略。工作电容pF/m≤80电容不平衡pF/m≤120℃时绝缘电阻MΩ·km≥5000(阻燃型≥1000)电压试验V2000，1min通过阻燃试验-A类(按GB/T18360.3)通过3.集散型仪表用信号电缆集散型仪表用信号电缆适用于以电子计算机为主体的自动控制系统的模拟和数字信号，电压等级为300/500V。基本结构与电动仪表用信号电缆类似，但区别的特征是“分屏”，分屏是指在每个线对或线组均有单独的屏蔽层。分屏结构有铜线或镀锡铜线编织、铝-塑复合带(加引流线)和铜-塑复合带(加引流线)三种。集散型仪表用信号电缆的导体、绝缘、缆芯、垫层、总屏、护套和铠装等与电动仪表用信号电缆相同，此处不再重述。因为每个线对和线组有了单独的屏蔽层，所以性能指标中的工作电容为≤90pF/m，其他相同。4.低电容、低电感集散型仪表用信号电缆(有的称本安电缆)本安电缆与集散型仪表用信号电缆相似，电压等级为300/500V。绝缘基本上均采用交联聚乙烯，该电缆具有低