低压变频器配电末端过电压的工程抑制方法

宋鹏飞

（湖北省化学工业研究设计院，湖北 武汉 430074）

在化工企业中，因现场环境恶劣，且受规范限制，厂区多采用集中设置变配电所的方案，造成部分变频器到电动机端的配电线路长度过长（一般可达300m，个别情况下，甚至可达500m以上）。这导致末端电机绝缘结构承受的介电应力要比由常规工频交流电源时高[1]。过电压长期存在会影响电机绝缘寿命。本文就降低长距离末端电机过电压的工程做法进行方案分析。

1 变频器输出过电压的产生及危害

1．1 长电缆末端产生过电压的原因

变频器经SPWM调制后，输出不同频率和宽度的振幅固定的矩形电压波形。变频器端输出的电压振幅不会超过变频器内直流总线电压的1倍标幺值[2]。现代高速开关器件的使用提高了变频器的性能，降低了开关损耗，但变频器输出电压上升时间仅有50ns～400ns，由此产生了负面的影响。

因为在长距离输电时，电缆的电容不可忽视，充电电流会随着电缆长度的增加而增大，PWM电压在进行电压幅值切换时，在脉冲的前后沿，电压对时间的变化率du／dt非常大。电动机端过电压的计算公式为：

式（1）中：U为电缆末端电压，Z为电缆电阻，C为电缆电容，du／dt为PWM调制波瞬变电压。

由式（1）可以看出，由于电缆电容的存在，瞬变电压（du／dt）产生脉冲充电电流，并在电缆电抗Z上产生了尖峰过电压。变频器输出端及电动机受电端相电压浪涌曲线实测图如图1所示。这个电压突增与变频器输出脉冲电压上升时间、接线电缆长度、电动机阻抗有关，最高电压突增可达变频器直流电压的 2 倍[3]。

图1 变频器输出端及电动机受电端相电压浪涌曲线实测图（2ms／每格）

此外，长距离输电电缆末端产生的尖峰过电压也可以用长线电缆的行波反射理论进行解释。

1．2 变频器长电缆末端过电压的危害

电动机端过电压加剧了电动机绝缘绕组的压力，使系统可靠性下降，故障率增加。这些隐形的危害往往容易被人忽视，但它带来的损失可能会超过变频器本身的造价。降低PWM变频长电缆末端的过电压具有重要的工程和经济价值。

2 抑制长电缆末端过电压的工程方法

2．1 应尽量避免低压配电半径过长

配电距离不大于100m时，变频器可不设任何附加措施直接使用。当电缆配电距离不超过300m时，抑制电动机端过电压采用常规的电抗器、du／dt滤波器等方案就可以满足要求。

所以，在规划总平面图布局时，应尽量保证低压配电半径不超过250m，可以有效限制尖峰过电压的峰值[4]。此外，距离过长时线路压降过大，为保证电动机末端电压偏差为±5%，需要扩大电缆线径，大幅增加电缆造价。

2．2 采用非屏蔽电缆

以三相三线低压电缆为例，分析其分布电容。以Lu相为例，并联的分布电容有：对相线Lv的电容 Cu－v，对相线 Lw的电容 Cu－w，对绝缘层的电容 C1，对屏蔽层（或铠装层）的电容C2，对大地的电容C3。三相线电缆电容示意图如图2所示。由此可知，Lu相总的分布电容为：

图2 三相线电缆电容示意图

Lv相总的分布电容为：

Lw相总的分布电容为：

因为三相电缆是对称分布的，所以 Cu－v＝Cu－w＝Cv－w＝Cv－u＝Cw－v＝Cw－u，因此 Cv＝Cv＝Cw。根据电容的计算公式：

式（5）中ε为介电常数，由电容两极之间的介质决定（聚氯乙烯的 ε＝3．4，橡胶的 ε＝3）；S 为两极板之间的正对面积；k为静电力常量。

由此可知：电缆长度越长，两极板间的正对面积S就越大，分布电容就越大；若采用非屏蔽电缆，则C2＝0。非屏蔽电缆的分布电容比屏蔽电缆或铠装电缆的电容值小。

综上，采用无屏蔽层的非铠装电缆可有效降低长距离输电时电动机端的脉冲过电压，而非屏蔽电缆产生的高频干扰可通过有效接地、采用带屏蔽层的控制电缆与控制电缆间距布置来解决。

2．3 加输出电抗器

由式（1）可知，如果能降低 du／dt，就可以降低长电缆末端的过电压。本文以变频器设计提供的实验数据为例。

输出电抗器是在变频器输出端增设电抗器，从而调整PWM的输出波形，补充长距离电缆的充电电流，降低du／dt，降低尖峰电压值。输出电抗器（3%）末端过电压如图3所示，增设输出电抗器，峰值电压上升时间延迟了约5μs，脉冲峰值下降到约792V。

图3 输出电抗器（3%）末端过电压

当配电距离大于100m但不超过300m时，优先采用输出电抗器的做法，造价低，占用电柜空间小，但不同厂家变频器的性能及附件不同，具体做法应与变频器厂家技术部分人员协商确定。

2．4 加 du／dt滤波器

当配电距离超过300m时，应和变频器厂家技术人员协商采用的方案，一般考虑采用增加du／dt滤波器，输出du／dt滤波器末端过电压如图4所示。

图4 输出du／dt滤波器末端过电压

du／dt滤波器又称限压滤波器，由电感、电容、电阻或二极管构成，可以限制du／dt值，降低电压幅值，增加峰值电压上升时间。因为其中设有电阻，所以会增加约 0．5%～1．0%的额外损耗。

在低压柜设计时，因du／dt滤波器模块较大（W×H×D＝300×500×200），在电柜设计时应预留后期安装空间。

2．5 其他方法

（1）如距离过长（＞500m），可考虑电动机端子处增设线端装置，使电动机阻抗与之匹配，可防止电压反射，从而降低电压应力。但在工程设计时，电动机阻抗特性、电缆参数及长度均难以确定，工程实践中一般不采用这种做法[5]。

（2）变频器出口增加正弦滤波器也可以有效降低电压应力，其本质上是低通滤波器，可以滤除高频分量，但其价格昂贵，此外不适用对动态性能要求高的场所。

3 变频器厂家的配电距离表

本文以施耐德的变频器AVT610系列为例，受长距离电缆末端过电压的影响，不同配置情况下最远配电距离参数见表1。

表1 变频器长距离配电距离表

4 结论

对超过100m的输电距离，在配电柜变频器处应根据电缆长度，由变频器厂家选配相应型号的变频器及配件（输出电抗器、du／dt滤波器、正弦滤波器等）。

在选择电动机型号时，应检查电动机的电压应力耐受能力，确保变频器产生的电压应力低于电动机绕组绝缘结构的重复电压应力耐受能力。