电缆分布电容导致变频器故障的分析

蹇寅 朱坚明

摘 要：通过对变频器报接地故障的分析，说明了输出电缆长度对变频器的影响，提出了解决办法，供现场维护人员和调试人员、设计人员参考。

关键词：变频器 电缆 分布电容 电抗器

中图分类号：TM921 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（c）-0118-01

河源电厂I期为两台600 MW超超临界燃煤机组，化学工业废水系统加药计量泵电机均采用变频器控制，变频器型号为PowerFlxe40，电机与变频器属于配套系统，电机的额定功率0.55 kW，额定电压380 V，额定电流1.6 A。该控制方式的优点在于可克服传统加药系统无法准确给定加药量的缺点，保证给水加药品质，同时大大减轻了运行人员的工作量。由于设计和安装的原因，变频器安装在了化学PC配电间的开关柜里面，而电机安装在离变频器较远的工业废水处理间，电缆长度超过200 M。在实际运行中，经常会遇到变频器报接地故障，或者电机无法启动的故障。专业人员经过检查发现系变频器和电机之间的电缆长度太长所致，本文就变频器输出电缆长度对变频器的影响及解决办法进行分析。

1 故障现象及现场检查

变频器PowerFlxe40显示面板显示F13代码，查阅PowerFlxe40用户手册，F13故障类型为接地故障，可能是变频器输出电缆接地或者电机绕组接地。电厂专业人员通过对电缆及电机的对地绝缘测试，发现绝缘值均合格。

2 故障原因分析

变频器输出端到电机之间的电缆和地之间存在分布电容，如图1所示。

所谓分布电容，就是指由非电容形态形成的一种分布参数。一般是指在印制板或其他形态的电路形式，在线与线之间、印制板的上下层之间形成的电容。其实不只是电容器才有电容，实际上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，都是被绝缘层和空气介质隔开的，所以都存在着电容。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，因此在设计时需要综合考虑。

通常情况下，这个电容值很小（一般在15～30 nf/100 m左右），电缆长度较短时，它的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，就必须考虑分布电容的作用。

因为，所以

由此可见，漏电流和電缆对地的分布电容c成正比，电缆越长，分布电容c越大，从而漏电流也会增大，当漏电流达到一定数值后，变频器就会报接地故障而跳闸，影响电机的正常运行。

另外，电缆的电阻，电缆长度越长，电阻越大，在电流保持不变的情况下，电缆的电压降就会增大，从而加到电动机的电压变小，启动过程中频率又很低，可能导致电动机无法正常启动或者低速运转发热严重而烧坏。

3 解决办法

3.1 加装变频器输出电抗器

通用变频器的输出电压中含有除基波以外的其他谐波。较低次谐波通常对电机负载影响较大，引起转矩脉动，而较高的谐波又使变频器输出电缆的漏电流增加，使电机出力不足，故变频器输出的高低次谐波都必须抑制。在变频器输出侧加装交流输出电抗器可以优化变频器输出的交流电波形，抑制谐波电流，防止变频器出线侧的对地电容而导致的对地漏电流，延长变频器到电机侧的电缆长度。

当变频器输出到电机的电缆长度大于产品规定值时，应加输出电抗器来补偿电机长电缆运行时的耦合电容的充放电影响，避免变频器过流。输出电抗器有两种类型，一种输出电抗器是铁芯式电抗器，当变频器的载波频率小于3 kHz时采用。另一种输出电抗器是铁氧体式，当变频器的载波频率小于6 kHz时采用。

变频器输出电抗器的选型主要要考虑以下几个方面。

（1）额定交流电流的选择。

额定交流电流是从发热方面设计电抗器的长期工作电流，同时应该考虑足够的高次谐波分量。即输出电抗器实际流过的电流是变频器电机负载的输出电流。

（2）阻抗电压降。

阻抗电压降是指在某个频率时，对应实际额定电流时电抗器线圈两端的实际电压降。通常选择阻抗电压降在1%～4%左右。

（3）电感量的选择。

电抗器的额定电感量也是一个重要的参数，若电感量选择不合适，会直接影响额定电流下的电压降的变化，从而引起故障。而电感量的大小取决于电抗器铁芯的截面积和线圈的匝数与气隙的调整。输出电抗器电感量的选择主要是根据在额定频率范围内的电缆长度来确定，然后再根据电动机的实际额定电流来选择相应电感量要求下的铁芯截面积和导线截面积，才能确定实际电压降。

我厂工业废水系统所用的PowerFlex40变频器的输出侧均未加装输出电抗器，可以考虑加装输出电抗器的方式来解决电缆长度太长所带来的问题。

关于输出电抗器的选型，可以参阅PowerFlex40用户手册。该手册附录部分给出了可以选择Bulletin1321-3R系列，产品目录号为1321-3R2-B的线路电抗器。

4 结论

变频器作为一种能源转换的节能设备，在工业生产、交通运输和日常生活中的应用越来越广泛。但由于现场环境的限制，变频器有时会安装在离电动机较远的地方，变频器输出到电动机的电缆越长，电缆的分布电容的影响就越大，从而导致变频器经常报故障，尤其是对于容量较小的变频器，更是如此。在实际应用中，有的变频器会标配输出电抗器，有的则不会，这时就需要使用单位参照变频器使用手册，结合现场实际情况，自行购买并安装合适的输出电抗器，来解决电缆长度太长所带来的各种问题。

参考文献

[1]李方园.变频器应用与维护[M].中国电力出版社，2009.

[2]王占奎.交流电机变频调速的应用[J].电工技术杂志，2004.

[3]金太远.关于变频器的输出与电缆长度关系的研究[J].变频器世界，2009.