长距离电气控制失控故障分析及处置方案

陈向东

（湖南省湘筑交通科技有限公司，湖南 长沙410000）

0 引言

高速公路隧道内有风机、照明、防火门、车道指示器等多种机电设备，用于保证隧道空气质量、照明效果、消防等达到规范要求，用于对车辆驾驶人员进行诱导指示和灾害事故发生时的指挥，是隧道安全运行的重要保证手段之一。

隧道内机电设备的控制核心为基于PLC的区域控制器，机电设备与区域控制器间的控制信号通过多芯控制电缆进行传递，区域控制器在隧道内按一定空间间隔布置，对就近的机电设备进行控制和反馈信号收集，区域控制器通过光纤以太网交换机组成工业以太网，从而实现隧道内所有机电设备联动控制（图1）。

图1 隧道机电控制系统图

在隧道的运营过程中发现，当机电设备距区域控制器距离过远时，经常会出现失控现象，经分析发现原因在于控制距离过长时，多芯控制电缆线芯间的线间电容效应不能再被忽略，形成的寄生回路干扰了正常控制，造成失控。

本文通过叙述某隧道监控系统失控故障的具体处理过程，分析控制电缆线间电容产生的根本原理和相应规律，同时推荐几种相关处置方案。

1 隧道监控系统简介

隧道监控系统包括通风、照明、信息发布、防火门控制等多个系统，各系统控制方式相同，都采用区域控制器加多芯控制电缆的控制方式，以下以隧道照明控制系统为分析对象。隧道照明系统包括出入口照明、基本照明、加强照明等不同功能回路，按照运营管理策略要求，在不同时段、不同车流量、不同灾害状态下进行相应回路的接通／关断控制。每个照明控制箱内有多个控制回路，区域控制器发出的控制信号通过多芯控制电缆传送至受其控制的多个照明控制箱，监控中心通过各区域控制器和照明控制箱实现整个隧道或隧道群的照明整体控制。

照明控制箱电气控制原理如图2所示，相关参数如下：多芯控制线缆ZR－KVVP－24×1.5；欧姆龙LY2NJ小型中间继电器；线圈电压220VAC，最小吸合电压＝0.8Ue＝176V；最大脱扣电压＝0.3Ue＝66V。

图2 照明控制箱电气原理图

2 故障现象

隧道内某照明控制箱距所连接的区域控制器400m，控制操作时，照明控制箱中某些回路失控，故障现象：区域控制器可以正常远控接通相应照明回路，但远控关断照明回路失效。

3 故障原因

为查明故障原因，对系统（图2）进行了如下检测：（1）检查照明控制箱内各器件及接线状态，接线正确，器件正常。（2）检查区域控制器内各器件及接线状态，接线正确，器件正常；区域控制器至照明控制箱间控制电缆正常。（3）区域控制器内分断继电器的常闭触点J1已断开，但接触器K1仍处闭合状态。（4）接触器K1线圈两端电压值130VAC。

因此故障原因在于：接触器线圈供电回路已正常断开后，由于接触器线圈两端的非正常电压（130V）大于继电器最大脱扣电压（66V），造成接触器非正常吸合，关灯控制失控。由此判断，区域控制器工作正常，问题出在区域控制器外部端，集中在控制电缆和照明控制箱部分。

控制电缆经电缆沟铺设，电缆沟内还有外供电高压电缆、轴流风机供电电缆等高压、大电流强电供电电缆，电磁干扰大，怀疑继电器线圈的端电压为电磁干扰引起了感应电压。为消除电磁干扰，对控制电缆的屏蔽铜带重新连通，并尝试单点接地和两点接地不同措施以消除干扰，但接触器线圈的端电压无变化。控制电缆铜带屏蔽并将屏蔽可靠接地能屏蔽外部电磁干扰，至少可以削弱干扰，但以上处置未起任何作用，说明外部电磁干扰不是造成本故障的原因。后发现失控回路的照明控制箱都距区域控制器较远，怀疑控制距离可能与本故障有关。

通过图2可看出：触点J1断开后，线圈K1电压供电回路已切断，但K1线圈两端仍有高电压，说明存在未知的寄生回路对K1供电，由图2看出，能够引起寄生回路的部分，只可能是图中虚线框内控制电缆这部分，结合出故障的回路都有控制距离较远的共性，怀疑控制电缆线芯间电容有可能是故障产生的原因。

为确定故障原因，将图2中的第一回路按空间实际布线并增加考虑控制电缆线间电容因素，重作接线图如图3所示，依图3作出此回路电气原理图如图4（a）所示。由图4（a）看出，当J1断开后，还存在一条由L（火线）—C1、C2（线芯间电容）—K（自保持触点）—K继电器线圈—N（零线）组成的回路，为继电器线圏供电。由此确定照明回路失控的原因：受控制电缆线间电容影响产生的寄生回路造成失控。

图3 重作接线图

图4 电气原理图

4 故障分析

4.1 线间电容影响

为分析线间电容C1、C2影响控制的规律，作出故障时等效电路图［图4（b）］，图中C为C1、C2的等效电容，C＝C1＋C2，L为继电器线圈K的等效电感。由图4（b）可得继电器线圈两端的端电压UL为：

由式（1）可看出，当C值很小时分母项值很大，UL很小；随着C值增大，UL变大。在本电路中，当线间电容C增大到一定程度，使线圈端电压UL大于继电器最小释放电压时，继电器不会按要求断开，即造成该照明回路失控。

4.2 线间电容相关参数

将多芯控制电缆各线芯间的电容看作平板电容：线芯为极板，线芯绝缘等为板间介质。控制电缆中两线芯可等效为一平板电容，其电容值为：

式中，ε为线芯间等效介电系数；l0、l为线芯间等效平板电容的两边长，其中l为电缆长度；d为线芯间等效平板电容两极板间距离。

式（2）中除l外都可看作常数，因此线间电容与控制电缆长度成正比，电缆越长，出现故障的几率越大；多芯控制电缆各线芯相互间存在线间电容，其他各线芯对其中一个线芯的影响相当于多个电容关联，因此电缆芯数越多，出现故障的几率越大。由此得出结论：失控原因在于控制电缆线芯间电容形成的寄生回路干扰了电路的正常控制，造成失控现象，控制电缆越长、控制电缆芯数越多，产生故障的几率越大。

5 故障处理

经过以上分析，发现控制电缆线芯间存在的线间电容是造成故障的原因，如果能消除线间电容或避开线间电容效应的影响，则可消除故障。控制电缆线间电容客观存在，无法消除，处理此问题需从避开电容效应的角度着手。按此思路对照明控制电路进行改造，将控制电缆内交流信号改为不受线间电容影响的直流信号，故障消除。图5为改造后的控制图。

图5 改造后控制原理图

6 其他解决方案

通过多芯控制电缆对远端设备进行控制的方式在各行各业广泛应用，一旦控制距离过远使得控制电缆过长，则有可能因控制电缆线芯间电容的影响产生不可预计的寄生回路，造成失控故障。有的系统因控制电路复杂，故障查找判断会比较困难，因此建议在设计阶段就考虑控制距离影响，并采取合适的规避方案。以下推荐几种方案供参考：（1）采用适合远距离控制的专用电缆，如PTYA系列铁路信号电缆。此类电缆线间电容较小并考虑了综合防护，适合较远距离传输交流控制信号，但价格较普通的KVVP型控制电缆高。（2）用直流控制信号进行远距离控制，规避线间电容的干扰。采用此类控制方法需注意控制电缆过长带来电压损失问题，一般通过提高控制电压或恒流源器件供电的方式进行补偿。（3）当系统复杂、控制点数量较多时，还可采用基于控制网络或控制总线的数字化器件实现控制功能。控制网络和控制总线方案比较适合控制点分布较广的系统。（4）对于控制距离达到千米级或以上的控制对象，一般不宜采用控制电缆进行控制，此时线缆电阻造成的电压降将很难进行补偿，建议采用开关量光端机等通过光缆传输控制信号的方式进行控制。