電纜分布電容導致變頻器故障的分析

蹇寅 朱堅明

摘 要：通過對變頻器報接地故障的分析，說明了輸出電纜長度對變頻器的影響，提出了解決辦法，供現場維護人員和調試人員、設計人員參考。

關鍵詞：變頻器 電纜 分布電容 電抗器

中圖分類號：TM921 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（c）-0118-01

河源電廠I期為兩臺600 MW超超臨界燃煤機組，化學工業廢水系統加藥計量泵電機均采用變頻器控制，變頻器型號為PowerFlxe40，電機與變頻器屬于配套系統，電機的額定功率0.55 kW，額定電壓380 V，額定電流1.6 A。該控制方式的優點在于可克服傳統加藥系統無法準確給定加藥量的缺點，保證給水加藥品質，同時大大減輕了運行人員的工作量。由于設計和安裝的原因，變頻器安裝在了化學PC配電間的開關柜里面，而電機安裝在離變頻器較遠的工業廢水處理間，電纜長度超過200 M。在實際運行中，經常會遇到變頻器報接地故障，或者電機無法啟動的故障。專業人員經過檢查發現系變頻器和電機之間的電纜長度太長所致，本文就變頻器輸出電纜長度對變頻器的影響及解決辦法進行分析。

1 故障現象及現場檢查

變頻器PowerFlxe40顯示面板顯示F13代碼，查閱PowerFlxe40用戶手冊，F13故障類型為接地故障，可能是變頻器輸出電纜接地或者電機繞組接地。電廠專業人員通過對電纜及電機的對地絕緣測試，發現絕緣值均合格。

2 故障原因分析

變頻器輸出端到電機之間的電纜和地之間存在分布電容，如圖1所示。

所謂分布電容，就是指由非電容形態形成的一種分布參數。一般是指在印制板或其他形態的電路形式，在線與線之間、印制板的上下層之間形成的電容。其實不只是電容器才有電容，實際上任何兩個絕緣導體之間都存在電容，例如導線之間，導線與大地之間，都是被絕緣層和空氣介質隔開的，所以都存在著電容。分布電容是一種分布參數，其數值不僅隨電纜的生產廠商不同而存在差異，而且會因為電纜的敷設方式、工作狀態和外界環境因素而不同，因此在設計時需要綜合考慮。

通常情況下，這個電容值很小（一般在15～30 nf/100 m左右），電纜長度較短時，它的實際影響可以忽略不計，如果電纜很長或傳輸信號頻率很高時，就必須考慮分布電容的作用。

因為，所以

由此可見，漏電流和電纜對地的分布電容c成正比，電纜越長，分布電容c越大，從而漏電流也會增大，當漏電流達到一定數值后，變頻器就會報接地故障而跳閘，影響電機的正常運行。

另外，電纜的電阻，電纜長度越長，電阻越大，在電流保持不變的情況下，電纜的電壓降就會增大，從而加到電動機的電壓變小，啟動過程中頻率又很低，可能導致電動機無法正常啟動或者低速運轉發熱嚴重而燒壞。

3 解決辦法

3.1 加裝變頻器輸出電抗器

通用變頻器的輸出電壓中含有除基波以外的其他諧波。較低次諧波通常對電機負載影響較大，引起轉矩脈動，而較高的諧波又使變頻器輸出電纜的漏電流增加，使電機出力不足，故變頻器輸出的高低次諧波都必須抑制。在變頻器輸出側加裝交流輸出電抗器可以優化變頻器輸出的交流電波形，抑制諧波電流，防止變頻器出線側的對地電容而導致的對地漏電流，延長變頻器到電機側的電纜長度。

當變頻器輸出到電機的電纜長度大于產品規定值時，應加輸出電抗器來補償電機長電纜運行時的耦合電容的充放電影響，避免變頻器過流。輸出電抗器有兩種類型，一種輸出電抗器是鐵芯式電抗器，當變頻器的載波頻率小于3 kHz時采用。另一種輸出電抗器是鐵氧體式，當變頻器的載波頻率小于6 kHz時采用。

變頻器輸出電抗器的選型主要要考慮以下幾個方面。

（1）額定交流電流的選擇。

額定交流電流是從發熱方面設計電抗器的長期工作電流，同時應該考慮足夠的高次諧波分量。即輸出電抗器實際流過的電流是變頻器電機負載的輸出電流。

（2）阻抗電壓降。

阻抗電壓降是指在某個頻率時，對應實際額定電流時電抗器線圈兩端的實際電壓降。通常選擇阻抗電壓降在1%～4%左右。

（3）電感量的選擇。

電抗器的額定電感量也是一個重要的參數，若電感量選擇不合適，會直接影響額定電流下的電壓降的變化，從而引起故障。而電感量的大小取決于電抗器鐵芯的截面積和線圈的匝數與氣隙的調整。輸出電抗器電感量的選擇主要是根據在額定頻率范圍內的電纜長度來確定，然后再根據電動機的實際額定電流來選擇相應電感量要求下的鐵芯截面積和導線截面積，才能確定實際電壓降。

我廠工業廢水系統所用的PowerFlex40變頻器的輸出側均未加裝輸出電抗器，可以考慮加裝輸出電抗器的方式來解決電纜長度太長所帶來的問題。

關于輸出電抗器的選型，可以參閱PowerFlex40用戶手冊。該手冊附錄部分給出了可以選擇Bulletin1321-3R系列，產品目錄號為1321-3R2-B的線路電抗器。

4 結論

變頻器作為一種能源轉換的節能設備，在工業生產、交通運輸和日常生活中的應用越來越廣泛。但由于現場環境的限制，變頻器有時會安裝在離電動機較遠的地方，變頻器輸出到電動機的電纜越長，電纜的分布電容的影響就越大，從而導致變頻器經常報故障，尤其是對于容量較小的變頻器，更是如此。在實際應用中，有的變頻器會標配輸出電抗器，有的則不會，這時就需要使用單位參照變頻器使用手冊，結合現場實際情況，自行購買并安裝合適的輸出電抗器，來解決電纜長度太長所帶來的各種問題。

參考文獻

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