变频器输出谐波对电缆绝缘影响的实例分析及对策

杨 楠

（中天合创化工分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317）

变频器输出谐波对电缆绝缘影响的实例分析及对策

杨 楠

（中天合创化工分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317）

以某化工公司合成橡塑装置 101线挤压机电缆故障处理为工程实例，从变频器的工作原理出发，详细分析逆变器高次谐波的产生机理，进而对谐波函数进行功率运算，得出热效应积累加速电缆绝缘老化的结论，并结合预防性试验的工作经验，提出解决方案。

变频器；谐波；电缆；热效应；绝缘

在2015年夏季的一次洪灾中，某化工公司合成橡塑装置8条生产线全部被洪水及淤泥严重侵蚀，其中101线在经过5天紧急抢修后投产，然而其挤压机电机电缆在运行54h后发生短路故障，使生产线再次停工。本文通过对变频器输出谐波的分析，得出热效应积累加速电缆绝缘老化的结论并总结实践经验。

1 系统概述

1.1 变频器

变频器是实现将频率不变（一般为工频50Hz）的电量转变为频率在一定范围内可调功能的电力电子设备，通常情况下，变频器由整流器、逆变器、主板芯片、控制电路等元件构成。

1.2 变频调速系统

本文中的“变频调速系统”是指由作为原动机的电动机、作为电能传输和变换设备的电缆及变频器、起到保护和控制作用的电抗器和供电回路，以及从动设备构成的系统。

如图1所示，电动机在频率变化的电源作用下，根据旋转磁场原理，以变化的速度运转，并与传感器、DCS等工控设备实现闭环控制。

图1 变频调速系统结构示意图

2 应用概况

2.1 生产流程

某化工公司合成橡塑装置的基本工艺流程可以概括为：聚丙烯、聚乙烯等颗粒料成品在该装置中经过下料、添加、混合、搅拌后，与特种添加剂产生反应，并通过挤压、切粒、干燥、包装等工艺处理，生成具有特殊物理性能的工程塑料，因此，该装置的功能是热塑性树脂的二次造粒（如图2所示）。

图2 合成橡塑挤压造粒生产流程（简图）

挤压机电动机 M-4101是整条生产线的原动设备，该电动机由变频调速系统控制。挤压机组主要电气设备参数见表1。

表1 挤压机组主要电气设备参数

2.2 故障简介

图2所示的生产线在一次洪灾中被严重摧毁，随着抢修工作的有序开展，生产线逐步恢复生产，而当挤压机运行54h后，其变频器突报“B、C相电流越限”，保护动作使挤压机停车，经过分析定位，确认故障为挤压机电缆B、C相间短路。

故障发生后，试验人员从变频器输出侧谐波电流的产生原理、波形等方面进行了详细探讨，并结合故障电缆的实测数据来综合分析其原因。

3 谐波电流分析

3.1 产生机理

在三相桥式逆变器工作过程中，分成3组的多只晶闸管由于导通和关断产生非线性电流/电压，造成波形上的畸变。根据傅里叶积分原理，畸变后的波形可分解成一系列频率不同的正弦波，其中0次正弦波成为基波，其余波形按分解后得到的频率分数成为3次、5次、7次谐波等。

三相桥式逆变电路的接线如图3所示，对于电流型逆变器，输出电流为畸变后的方波。

图3 三相桥式逆变电路接线图

3.2 挤压机变频器简介

挤压机变频器的输出单元采用电压型逆变器，在 SPWM调制作用下输出电压在理想状态下为频率变化的方波，经过感抗作用后，输出电流为正弦波，由于在开关元件动作瞬间，感性电路的存在使每只晶闸管所承受的电压不能突变，在瞬态过程造成输出方波电压的畸变，进而造成输出电流的畸变。

3.3 逆变器输出波形

在挤压机故障发生后，为了准确分析故障发生的暂态过程，试验人员针对电气参数相同的另一条生产线，用波形分析器测得变频器在 50Hz频率下输出电流的波形。

从图4中可以看出，每相电流波形在周期性变化过程中均带有一定的“锯齿”，即变频器的输出电流在逆变器的作用下，较之理想的正弦波发生了明显的周期性畸变。

图4 102线挤压机变频器输出电流波形

3.4 热效应评价

为了进行电流的热效应计算，将图4中C相电流波形近似等效成局部呈现周期性波动的锯齿波，且整体呈现正弦趋势变化的波形，并将其某半周期变化波形投影在平面直角坐标系下，如图5所示。

图5 近似等效半周期波形

由于导体发热功率 P=I2R，对于特定的电缆线路，电阻R为常数，因此可以用电流的平方来评价其热效应，对于图5中第一阶段的正比折线及3个三角波，应用式（1）进行热效应积分运算：

用同样方法对第2至8段波形函数进行积分计算后，将分段函数的等效电流平方值列于表 2（计算过程略）。

表2 等效电流平方值

则在近似等效电流的半波内，电流等值热效应为

由式（2）、式（3）得P/P′=2220/1514≈1.82，近似计算的结果可以反映出：变频器输出谐波电流的热效应较之理想正弦波电流，约有82%的增加。

4 谐波电流对电缆的影响

4.1 加速绝缘老化

在处理好短路点后，试验人员在33℃环境下测得101线挤压机及完好状态下102线挤压机电机电缆的相间直流电阻并计算其不平衡度见表3。

换算成每相直流电阻并计算其三相平均值，见表4，则两条线挤压机电缆直流电阻差如下。

表3 101、102线电缆相间直流电阻/Ω

表4 101、102线电缆每相直流电阻/Ω

电缆直流电阻数据的对比结果表明：

1）101线挤压机电缆直阻的相不平衡度远超标准值（2%）。

2）与102线相比，101线挤压机电缆的每相电阻值有明显增加，幅度约为27%。

根据以上分析可以得出：虽然经过检修，但由于受到恶劣环境影响，电缆直流电阻值显著增大，在谐波电流热积累的作用下，加快了绝缘层的老化速率。

4.2 涡流效应

虽然挤压机电机采用三芯电缆，稳态情况下的涡流发热现象基本得到遏制，然而，三相电流在谐波电动势的影响下，仍然存在较大的不平衡分量，且由于晶闸管或 IGBT等开关元件的频繁换向，该不平衡电流是一直存在的，随着每相开关元件合闸角度的不同而呈现出不规律变化特性，其产生的涡流效应是不可忽略的。

合成橡塑生产装置多数电缆在其路径中均有穿钢管敷设部位，由于涡流效应的存在，钢管导体会感应出涡流，造成钢管发热，可能加快与电缆结合部位，尤其是管路边缘受力处的老化程度。

5 解决方案

5.1 提高绝缘水平

在进行谐波电流热效应分析的同时，试验人员也发现了电缆本身在绝缘性能方面的缺陷，在处理故障过程中，提出更新电缆的建议并得到了采纳，电缆的更新大大提高了绝缘水平。

5.2 改善运行环境

故障的原因虽然不能直接归结于散热问题，但合成橡塑厂房内设备集中，门窗较少且缺少附加通风设施，在炎热的夏季易造成电气设备散热不良；电缆沟空间异常狭小并加装金属盖板，在抽取故障电缆过程中发现沟内仍有多处潮湿现象，反映出检修的不彻底，因此，在正式恢复供电之前对上述问题进行了集中整改，使电气设备的运行环境得到了改善。

5.3 长远方案

参照101线挤压机电缆故障处理案例，在随后的检修中更换了102线挤压机的电缆并安装了匹配的电抗器；针对设备完全被摧毁的108、109线，提出了申报设备更新项目，采用具备多电平及多重化逆变器功能变频器的建议，以从根本上消除输出谐波。

6 效果评价

在挤压机电缆故障处理后，101线再次恢复生产，在电动机运行36h时间内，试验人员对101线新更换的电缆及102线旧电缆各选取4处部位进行了运行温度监测（见表5）。

表5 检修后电缆的实测温度/℃

实测数据表明：101线挤压机新电缆各部位温升均在允许范围内，且明显低于未更新电缆的 102线，其运行状况有了本质上的改善。101线挤压机在更新电缆后实现了安稳运行。

7 结论

1）对于经受过脏污、受潮等恶劣环境影响的变频回路动力电缆，在除污、干燥等常规检修项目完成后，应进行直流电阻的精确测试，尤其对于逆变输出谐波含量高，且未采取额外消谐措施的变频调速系统，必须进行符合实际的谐波电流计算，综合评价其热效应，以确认电缆的热稳定性可以充分满足继续使用条件，否则，必须更换电缆。

2）鉴于三相桥式逆变电路在“换相”过程中，由于存在较大含量的不平衡谐波电流，导致“涡流”效应的发生，建议变频器输出侧电缆避免穿过金属封闭的管路，且应尽量敷设在通风条件良好的路径上，以降低涡流效应的潜在影响。

［1］黎冰.变频器实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2011.

［2］中国建筑标准设计研究院组织.低压配电系统谐波抑制及治理［M］.北京：中国计划出版社，2011.

［3］万健如，林志强，禹华军.变频器谐波对负载影响的仿真分析［J］.电力电子技术，2001，35（5）：52-54，38.

［4］魏华勇.电力电缆施工与运行技术［M］.北京：中国电力出版社，2013.

The Affection of Insulation for Power Cable by Harmonic of Transducer Output Analysis and Solutions

Yang Nan
（Zhong Tian He Chuang Chemical Industry Company，Oldos，Inner Mongolia 017317）

Regard one power cable fault of the 101th Line extruder generator pertained to one chemical corporation's Synthetic Rubber And Plastic production unit as an instance.Start from the operating principle of transducer，analyze the mechanism of high-order harmonic produced by inverter，and then take a computational analysis of the harmonic functions' power，reach a conclusion that accumulation of heating effect accelerates the cable insulation's worse，and propose some effective solutions combined with the experiences of electric engineering precautionary tests.

transducer； harmonic； cable； heat effect； insulation

杨 楠（1983-），男，辽宁锦州人，本科，工程师，主要从事石化企业工厂供电系统运行管理工作。