電機驅(qū)動用長電纜破壞機理分析及防護

李曉，王璁，屠幼萍

（高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

1 引言

冶金、石油化工、造紙、紡織等行業(yè)的電力驅(qū)動系統(tǒng)中，某些應(yīng)用領(lǐng)域由于變頻器和感應(yīng)電動機之間的距離可以達幾百甚至上千m，此時必須采用長線電纜進行連接。由于長線電纜的絕緣故障給整個驅(qū)動系統(tǒng)帶來的問題越發(fā)引起相關(guān)行業(yè)的關(guān)注［1-3］。具體表現(xiàn)為電動機繞組和電纜線的絕緣材料迅速老化，造成電動機或電纜的絕緣損傷，甚至出現(xiàn)絕緣擊穿，嚴(yán)重時導(dǎo)致電動機燒毀、電纜爆裂。長線電纜的絕緣故障會給系統(tǒng)的可靠運行帶來極大的威脅，既影響了生產(chǎn)，又增加了維修經(jīng)費，造成不應(yīng)有的經(jīng)濟損失。

本文將通過PSCAD/EMTDC仿真軟件建立“變頻器—長線電纜—異步電機”計算模型，仿真分析變頻諧波和電壓閃停對長線電纜絕緣產(chǎn)生的影響，進而提出一種RLC低通濾波器來消除變頻諧波產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)，并提出降低電壓閃停影響的保護措施，最大限度地降低長線電纜的損壞機率，保證電纜及整個驅(qū)動系統(tǒng)長期可靠運行。

2 故障原因分析

實際運行中，從電纜的檢修原因來看，造成電纜絕緣損壞的因素主要有變頻高次諧波和電壓閃停［4-5］。

2.1 變頻諧波的影響分析

變頻技術(shù)的推廣應(yīng)用，一方面使電機調(diào)速性能大大提高，拖動控制系統(tǒng)的效率明顯提高，另一方面在很多應(yīng)用系統(tǒng)顯著地節(jié)約能源，但與此同時變頻技術(shù)也帶來了新的問題［6-10］。

目前變頻器廣泛采用的是高頻脈沖寬度調(diào)整技術(shù)（PWM）。隨著電力電子器件技術(shù)的快速發(fā)展，器件的工作頻率越來越高，因此PWM變頻器的輸出電壓在很短時間內(nèi)快速上升、下降，即存在很高的電壓變化率。當(dāng)其用于長距離供電工況時，由于長線電纜存在分布電感和分布電容，當(dāng)電纜的波阻抗與負(fù)載電動機的等效阻抗不匹配時，將產(chǎn)生電壓行波反射現(xiàn)象，在電纜中產(chǎn)生高頻過電壓阻尼振蕩，加速了電纜線的絕緣老化，甚至造成電纜的絕緣擊穿，嚴(yán)重時會使電纜爆裂。

另一方面，當(dāng)PWM高頻脈沖波在電纜中傳輸時，將有高頻諧波對電纜的外護套進行高頻加熱，且諧波次數(shù)越高，諧波電壓、電流放大倍數(shù)越大。嚴(yán)重的諧波電壓及諧波電流使電纜中產(chǎn)生嚴(yán)重的過電壓、過電流現(xiàn)象，電纜嚴(yán)重發(fā)熱，其絕緣容易老化、擊穿。

因此，為了提高電纜絕緣壽命、延長拖動系統(tǒng)檢修周期，需要在長線電機拖動系統(tǒng)中加入有效的濾波裝置以抑制PWM高頻脈沖波對于長線電纜的損害。

2.2 電壓閃停的影響分析

變頻調(diào)速設(shè)備對電網(wǎng)供電質(zhì)量有較高的要求。電壓質(zhì)量的優(yōu)劣對變頻器安全運行有著直接的影響，尤其是外界因素，如雷擊、特大負(fù)荷投運、開關(guān)倒閘操作、架空線或電線短路故障等原因造成的電網(wǎng)瞬時停電，對變頻器的正常運行有較大影響。變頻器對電壓閃變的反應(yīng)非常靈敏，當(dāng)瞬間停電超過5個周波（即0.1 s）時，變頻器的晶閘管立即關(guān)斷，變頻器保護停機。變電站一般設(shè)計有自動重合閘裝置，但是自動重合閘反應(yīng)時間只能達到2 s，不能解決瞬間停電對變頻器造成的影響［11］。停電后變頻器依靠直流電容中儲存的能量支撐負(fù)載，因此其電壓會迅速下降。當(dāng)電壓下降到臨界值時，為避免損壞開關(guān)元件，必須封鎖脈沖輸出，使變頻器停止工作。

當(dāng)變頻器停止工作后，電動機由于負(fù)載慣性大會存在一個較長時間的停車過程，在此期間電動機會發(fā)生能量倒送產(chǎn)生瞬間大電流，由于電纜接頭部位導(dǎo)體截面突變，電流導(dǎo)通性較差，過電流將造成電纜絕緣的損壞。

3 仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC軟件對PWM高頻脈沖波和電壓閃停對電纜接頭處電壓電流進行仿真分析。仿真模型見圖1，模型中包括三相交流電源、變頻器、長線電纜（動力電纜）、引接電纜、三相鼠籠式異步電機。其中逆變器采用6脈波PWM控制，載波頻率為3 kHz，基波頻率為50 Hz，整流輸入側(cè)電壓為1.24 kV，驅(qū)動的電機為50 kW，1 kV的三相鼠籠式異步電動機，長線電纜型號為QYEQX6，長度L為2 km。

圖1 仿真計算模型Fig.1 The simulation calculation model

基于上述所建仿真模型，仿真計算變頻器輸出端電壓及長線電纜與引接電纜接頭處電壓，結(jié)果如圖2、圖3所示，相應(yīng)的頻譜分析圖如圖4和圖5所示。

圖2 變頻器輸出端相電壓波形Fig.2 The phase voltage waveform of convertor output

圖3 電纜接頭處相電壓波形Fig.3 The phase voltage waveform of cable junction

圖4 變頻器輸出端相電壓頻譜分析圖Fig.4 The phase voltage spectrum analysis diagram of convertor output

圖5 電纜接頭處相電壓頻譜分析圖Fig.5 The phase voltage spectrum analysis diagram of cable junction

圖2為變頻器輸出端電壓波形。圖3為電纜接頭處電壓波形。經(jīng)過對比，可以看出在電纜接頭處最大電壓可達到2.73 kV，而變頻器輸出電壓為1.45 kV，過電壓倍數(shù)為1.88倍。圖4和圖5分別為變頻器輸出端相電壓和電纜接頭處相電壓的頻譜分析圖，可看出電纜接頭處電壓高頻分量（載波頻率附近）較變頻器輸出端電壓高。

在高頻諧波電壓作用下，電纜的介質(zhì)損耗為

式中：Pc為介質(zhì)損耗值，W；f為諧波頻率，Hz；U為諧波電壓，V；C為電纜電容，F(xiàn)。

由于諧波的頻率很高（高達3000 Hz），且諧波電壓幅值較高，使得電纜的介質(zhì)損耗較大，溫升較高。

圖6為電纜接頭處相電流波形。圖7為相應(yīng)的頻譜分析圖?？梢钥闯?，電纜接頭處存在很大的諧波電流分量，載波頻率附近最為明顯。諧波電流流經(jīng)電纜時引起的附加損耗為

圖6 電纜接頭處相電流波形Fig.6 The phase current waveform of cable junction

圖7 電纜接頭處相電流頻譜分析圖Fig.7 The phase current spectrum analysis diagram of cable junction

式中：PL為附加損耗值，W；Ih為h次諧波電流，A；Rh為h次諧波頻率下的電阻，Ω。

因集膚效應(yīng)使得Rh隨頻率升高而增加，附加損耗加大，從而使電纜溫度升高［12］。

長期運行過程中，電纜中嚴(yán)重的諧波電壓產(chǎn)生很大的介質(zhì)損耗，諧波電流產(chǎn)生一定的附加損耗，兩者的共同作用導(dǎo)致電纜絕緣層發(fā)熱嚴(yán)重，特別是在電流導(dǎo)通性較差的電纜接頭處，從而加速絕緣老化，縮短電纜的使用壽命，嚴(yán)重時還會引起絕緣熱擊穿或者電纜爆裂。

在仿真系統(tǒng)中對變頻器整流輸入側(cè)電源進行控制，模擬實際電網(wǎng)中電壓閃停的情況。實際統(tǒng)計表明發(fā)生電壓閃停后電動機降速時間一般為3～10 s。故仿真設(shè)計電動機降速時間為3 s，電源在t=2 s時發(fā)生閃停。電纜接頭處相電壓和相電流波形如圖8和圖9所示。

圖8 電纜接頭處相電壓Fig.8 The phase voltage of cable junction

圖9 電纜接頭處相電流Fig.9 The phase current of cable junction

由圖8和圖9可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓閃停時，由于變頻器直流電容的能量支撐，電纜接頭處電壓緩慢降低為零。而電流發(fā)生突增，電纜接頭處電流最大可增至正常運行電流的2.38倍。這是由于電機自由停車過程中，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，這時電機的轉(zhuǎn)差率為負(fù)，轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反，其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動轉(zhuǎn)矩。所以電動機實際上處于發(fā)電狀態(tài)，負(fù)載的動能被“再生”成為電能，能量回饋至系統(tǒng)中，產(chǎn)生過電流。由于長期高頻諧波電壓作用下電纜的絕緣電阻值已大大降低，當(dāng)電壓閃停發(fā)生時短時大電流將會導(dǎo)致電纜絕緣的破壞，使得電纜絕緣薄弱處-電纜接頭處擊穿。

4 保護措施

4.1 變頻諧波抑制措施

為了抑制PWM變頻器通過長電纜傳輸時產(chǎn)生的高頻過電壓、過電流，目前普遍采用變頻器端輸出濾波器，但以往研究提出的濾波器多針對較短電纜（幾百m），而對上千m長線電纜所適用的濾波器研究較少［13-14］?；诖?，本文設(shè)計了在變頻器輸出端接入一個RLC低通濾波器，抑制電壓脈沖頻譜中出現(xiàn)顯著差異的高頻成份，從而達到減小過電壓的效果。

RLC低通濾波器接在變頻器輸出端，其單相等效電路如圖10所示。

圖10 濾波器的單相等效電路Fig.10 The single?phase equivalent circuit of the filter

下面具體介紹濾波器參數(shù)的選取。對于RLC低通濾波器參數(shù)的選擇，主要考慮以下幾個因素：1）截止頻率。RLC低通濾波器的截止頻率即濾波器的諧振頻率。根據(jù)截止頻率與諧波THD的關(guān)系［13］，選擇濾波器的截止頻率為800 Hz，可以把輸出電壓THD控制在5%的范圍以內(nèi)；2）濾波電感。選擇濾波電感時要考慮到電感上基波的壓降不能超過一定的范圍，一般要求電感上的基波壓降不能超過3%～5%。并且電感值的選擇要使諧波電流的有效值不超過逆變器電流容量的10%～20%［14］，否則，逆變器可能由于諧波電流過大而進入保護狀態(tài)。綜合考慮以上條件取電感值Lf=15.25 mH；3）濾波電容。選擇電容值，使空載時流經(jīng)電容支路的基波電流不超過逆變器電流輸出容量的10%。另外，電容和電感值還要受到截止頻率的限制。這兩個條件決定了電容的取值范圍［14］。綜合兩個條件，取濾波電容值Cf=4.2 μF；4）電阻。電阻的取值不宜太大，取值時要考慮到過調(diào)制和開關(guān)死區(qū)的影響，使電容支路的諧振電流限制在允許范圍。綜合考慮選取電阻值Rf=0.02 Ω。

仿真結(jié)果如圖11～圖14所示。

圖11 加入濾波器后電纜接頭處相電壓Fig.11 The phase voltage of cable junction after adding filter

圖12 加入濾波器后電纜接頭處相電流Fig.12 The phase current of cable junction after adding filter

圖13 加入濾波器后電纜接頭處相電壓頻譜分析圖Fig.13 The phase voltage spectrum analysis diagram of cable junction after adding filter

圖14 加入濾波器后電纜接頭處相電流頻譜分析圖Fig.14 The phase current spectrum analysis diagram of cable junction after adding filter

圖11和圖12分別為加入濾波器后電纜接頭處的相電壓和相電流波形，圖13和圖14分別為相應(yīng)的頻譜分析圖。與圖4、圖5對比可知，通過在變頻器端加入匹配的RLC低通濾波器后，載波頻率附近的諧波分量明顯衰減，有效地抑制了諧波過電壓和電流的產(chǎn)生。

4.2 電壓閃停保護措施

由于電壓閃停主要是通過影響變頻器的輸出造成電動機發(fā)生能量倒送進而損害電纜的絕緣，解決此類問題的關(guān)鍵在于調(diào)整變頻器的參數(shù)設(shè)置或者采用相應(yīng)保護措施以減小或消除電壓閃停對電纜絕緣的影響?？刹扇∫韵麓胧﹣硪种齐妷洪W停對電纜絕緣的影響。

4.2.1 調(diào)節(jié)變頻器的參數(shù)

可以適當(dāng)改變變頻器的允許停電時間，通過延長允許停電時間以使變頻器能夠躲過短時電源（0.5個周波到3 s）停電，不影響電機系統(tǒng)的運行。對于長時間停電（大于3 s）的情況，可以選擇設(shè)置變頻器中瞬時停電不停機模式，并調(diào)節(jié)瞬時停電不停機的時間，以調(diào)節(jié)電動機能夠緩慢停止運行，不產(chǎn)生短時能量倒送。

4.2.2 采用功率匹配的UPS供電電源

由于UPS具有“失壓”或零切換時間的功能，即電源一旦“失壓”或瞬間停電，變頻器的進線電源改為UPS供電，電動機繼續(xù)平穩(wěn)運行。對于驅(qū)動重要敏感設(shè)備的中小容量變頻器，通過UPS來供電，可以避免因交流電源發(fā)生瞬時停電引起變頻器跳閘。

4.2.3 配置動態(tài)電壓補償裝置

它的工作原理是將動態(tài)電壓補償裝置串接在電源和變頻器之間，裝置中的電壓監(jiān)測單元一旦檢測到電壓凹陷，即觸發(fā)控制內(nèi)部逆變器，將裝置內(nèi)直流電壓逆變成相應(yīng)幅值和相位的交流電壓疊加到電壓凹陷的線路上，整個過程約2 ms，使變頻器免受電壓波動的影響［15］。

4.2.4 配置兩路交流電源

變頻器電源分別從2段專用供電母線上接出，且該2段供電母線按互為備用的方式配置。其“常用—備用”互為切換回路必須在變頻器“低電壓”保護跳閘前將備用電源快速切換上去。

5 結(jié)論

本文分析了變頻諧波和電壓閃停對長線電纜絕緣的不利影響。在變頻器輸出端采用本文設(shè)計的二階RLC低通濾波器可有效抑制電纜接頭處的過電壓，消除了高頻阻尼振蕩現(xiàn)象，從而避免電纜絕緣的快速老化甚至損壞。同時采用優(yōu)化變頻器參數(shù)或抑制電壓閃停影響的保護措施，能夠達到保護長線電纜絕緣的目的。

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