电缆分布电容引起空交机控制回路故障的原因分析与处理

齐向前

(中国建材国际工程集团有限公司江苏分公司，南京 210042)

电缆分布电容引起空交机控制回路故障的原因分析与处理

齐向前

(中国建材国际工程集团有限公司江苏分公司，南京 210042)

该文通过空交机控制回路调试中出现误动作的工程实例，介绍了控制电缆分布电容对继电器的影响，并分析了问题原因，提出了解决方法。

空交机； 控制电缆； 分布电容； 交流接触器； 感应电压

众所周知，空气交换器(简称空交机)是玻璃工厂熔窑的关键设备，它承担着燃烧后的废气排出与新鲜助燃空气输入的切换工作。该设备能否安全可靠运行直接关系到整条玻璃生产线的正常生产。为此，空交机的控制部分设计有手动、自动、半自动三种控制方式。现在熔化量吨位大的玻璃熔窑均安装两台独立的空交机。下面以一台南空交机手动控制方式为例加以说明。电气控制原理如图1所示，图中自动与半自动控制方式未予画出。

控制原理图1中，LK11和LK12分别为空交机主令开关接点，它们的断开与接通用来控制南空交机关风或进风的动作方向；LS11和LS12为空交机闸板南北方向的行程限位开关，作为主令开关的后备保护，当主令开关失效时，靠机械撞块断开行程限位；LS13为安全限位开关，装设于空交机主电机旁，当取出手动摇杆时，该触点断开，以保证现场用摇杆手动升降空交机闸板时切断控制电源，防止人身伤害的发生；SE1为装设于空交机旁边的紧急停车按钮。以上开关设备均安装于现场。空交机通过主电机的正反转带动机械装置驱动闸板的上升和下降。KM1和KM2分别为控制空交机主电机正反转的交流接触器。当KM1得电时，南空交机将由进风状态向关风状态切换，空交机闸板向上提起，当闸板提升到既定高度时，主令开关接点LK11断开，切断KM1的控制回路，KM1失电，主电机停止运行，同时电磁抱闸抱紧电机输出轴，快速停车。此时，主令开关LK12触点接通，为空交机由关风状态向进风状态切换做好准备。由关风状态向进风状态的切换过程与由进风状态向关风状态的切换原理相同。

1 故障现象

在我公司总承包的中玻(朝阳)新材料有限公司年产3 500万m2新型节能环保材料项目中，空交机控制回路的调试时，曾出现过这样一种现象：空交机初始处于南进风状态，主令开关LK11接通，LK12断开，南北行程限位开关LS11和LS12、安全限位开关LS13及急停按钮SE1均处于接通状态。当在中央控制室空交机换向控制柜面板上，将操作方式旋钮切换到手动时，相线L1得电。切换动作方向手动旋钮SA1到南关风位置时，交流接触器KM1得电(如果此时空交机主电源回路已送电，则空交机将向南关风状态切换)。因为空交机为玻璃熔窑核心设备，因此必须要保证主令开关、限位开关、安全开关及急停按钮均应能起到相应的控制与保护作用。然而，当我们在现场按下紧急停车按钮SE1时，交流接触器KM1却并没有断电，依然吸合不能脱开。经过多次试验，发现不管是断开LS11限位开关，还是断开LS13或LK11也同样不能使KM1断电释放。只有转动动作方向手动旋钮SA1，断开交流接触器KM1的控制电源相线L1方可使其断电。即只要是向南关风状态切换的交流接触器KM1得电吸合后，现场的所有开关点均无法使其断电。同样，当南空交机由关风状态向进风状态切换时，交流接触器KM2的故障现象与KM1完全相同。

2 检查与分析

空交机控制回路误动作的状况如不彻底解决，将会造成重大安全生产事故。因为如果控制空交机主电机的交流接触器KM1或KM2不受主令开关、限位开关或急停的控制，不仅会造成空交机本身将被重达几吨的闸板撞坏，更有可能会损毁窑炉的空气烟道，甚至于发生煤气爆炸事故。

会是什么原因造成交流接触器不能正常工作的呢？为此，我们采用逐一排除法来查找故障原因。首先切断控制柜电源，对照电气原理图，一一检查现场接线与柜内控制回路接线。经仔细检查后，确认接线与原理图相符，而且按该电气原理图制作的控制柜在以前的项目应用中也没有发生过这种现象。

用摇表对每根电缆的绝缘进行测试，确认电缆绝缘良好，排除因电缆绝缘而造成的泄漏电流的影响。同时对电源系统的接地电阻也进行了测试，接地电阻完全符合要求，控制柜柜体与接地系统连接正常。

所有的现场主令开关、限位开关及急停按钮的控制电缆均选用的是KVVP-2x1.5mm2的屏蔽电缆，屏蔽层与地可靠连接。这些屏蔽电缆虽然与其他动力电缆在同一桥架内敷设，但在调试空交机时，其他回路均未送电，因此可以排除是由其他动力回路感应电压造成的。这是因为，其一，屏蔽电缆可以屏蔽掉外部绝大多数的干扰，其二，感应电压的产生必须是该控制电缆沿线有较强的交变电磁场(即同桥架敷设的动力电缆中有较大的电流通过)，而同桥架敷设的电缆均未送电，故不存在感应电压产生源。

关掉控制电源，在控制柜内用万用表测量现场返回线及屏蔽层对地之间的电压几乎为零，接通控制电源，使交流接触器KM1吸合后，拆下一根现场返回线或屏蔽层与地断开时再测量其对地电压，却发现此电压竞高达175 V左右。由此，认为造成交流接触器KM1不能释放的原因很可能是控制电缆芯线和芯线之间以及芯线与屏蔽层之间的分布电容电流引起的。我们以图1中的南空交机关风回路为例，分析分布电容的影响，其等效电路模型如图2所示。

所谓电缆的分布电容是指在交流电路中绝缘隔离并行的导线与导线之间形成的一种电容形态的分布参数。电缆分布电容的大小与电缆芯线在空间的相互位置、导线截面的粗细、电缆绝缘介质以及电缆长度有关。当电缆的规格型号确定后，电缆长度将是决定分布电容大小的关键因素。控制回路越长，其控制电缆分布电容的容量就越大。电缆分布电容能起到隔直通交的作用，当通过分布电容的电流足以使继电器线圈励磁时，继电器就会发生误动作。

该项目设计图纸中，空交机的现场主令开关、行程限位开关、安全限位开关、紧急停车按钮等控制线均是由两芯屏蔽电缆通过桥架一一敷设到中央控室换向控制柜内，再在柜内的端子排上按照电气化原理图串接起来。控制柜到现场接线点的距离超过150 m，这样，就南空交机关风控制回路而言，该回路实际控制电缆长度已超过600 m。如此长距离的控制电缆，芯线与芯线之间以及芯线与屏蔽层之间的分布电容电流对控制回路的影响是不容忽视的。

如图2分布电容等效电路模型中所示，当现场开关全部接通时，通过动作方向手动旋钮SA1的操作，使空交机由进风状态向关风状态切换时，交流接触器KM1吸合。首先，我们分析控制电缆芯线与芯线之间的分布电容C1的影响。当现场开关接通时，C1相当于短路，此时它对控制回路不起作用。当现场开关断开时，就如同在交流接触器KM1的输入回路中并接上一个分布电容C1，分布电容电流通过C1与接触器KM1及N线构成通路。如果此分布电容电流值达到KM1接触器线圈的吸持电流时，尽管现场开关已经断开，但KM1仍然不会释放。

再来分析控制电缆芯线与屏蔽层之间的分布电容C2对回路的影响。由于屏蔽层已经接地，因此，芯线与屏蔽层之间的分布电容就是芯线的对地电容(由于N线与地之间的电位差很小，N线与屏蔽层之间的分布电容电流理论上很小，可以忽略不计)。同样，由等效电路图中可以看出，分布电容电流也可以通过C2与接触器KM1及地构成通路。

即当一根导线接上交流电源，就会有电流通过分布电容，流入不等电位的导线或导体。图2中当分布电容C1或C2大到一定值时，不仅可能发生现场开关不能断开KM1交流接触器的现象，甚至于会有当现场开关断开时，只要一送控制电源，KM1可能会立即吸合的故障。

在该项目调试中，经万用表实际测量，当断开急停按钮时，流过交流接触器KM1线圈的电流超过60 mA。该电流即为南空交机关风控制回路中的电缆分布电容电流值，是分布电容C1与C2共同作用的结果。设计图纸中交流接触器KM1和KM2的型号是CJX2-12型，其线圈参数为：线圈额定电压Us为AC220 V，吸合电压为(0.85～1.1)Us，释放电压为(0.2～0.7)Us，线圈吸合功率70 VA，相应吸合电流为318 mA，线圈吸持功率8 VA，相应吸持电流为36 mA。南空交机关风回路控制电缆分布电容电流值正处于交流接触器回环特性的中间，从而使接触器KM1不能释放。

3 处理方法

原因查明，由于项目现场工期紧，调试任务多，尽可能采用简便宜行的方案较为合理。根据分布电容的特性，首先决定采取减少控制电缆长度的方案。为此，我们对控制电路进行改进。将现场来的主令开关、限位开关、急停开关等信号不再在中控室控制柜端子排上串接，而是由它们各自独立直接驱动一个吸持功率大的中间继电器，用中间继电器的触点转换替代原来的信号点。这样每个中间继电器回路的电缆长度均缩小为原关风控制回路电缆长度的25%，从而大大减少了分布电容的影响。经多次反复试验及运行到现在的结果证明，经过改进后的控制电路完全消除了交流接触器不能释放的问题，保证了空交机工作的稳定性和可靠性。

4 结 语

在实际工程中，对于交流回路，电线电缆的分布电容的存在是不可避免的，这是由它们的物理结构特性决定的，我们无法完全消除。但是可以通过设计、施工、采购等环节将其控制在合理的范围内，使其不致对控制系统造成影响。对空交机的控制回路而言，可以在现场设置一个端子接线箱，根据电气原理图，把现场的开关信号在端子接线箱内串并联后，再通过屏蔽电缆接入远距离的控制柜中。这样就能大大减少控制电缆的长度，从而有效减少分布电容。或者利用分布电容隔直通交的特性，采用直流电作为控制回路电源。同时，在电气施工中，尽量使动力电缆与控制电缆和信号电缆分开敷设，必须同桥架敷设时，须选用中间带隔板的桥架等措施。总之，设计、施工、维护人员应结合具体情况综合考虑，采取有效措施把电缆分布电容对电控系统的影响降到最小，确保控制系统安全可靠稳定运行。

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Analyses and Countermeasures of False Action of Air Exchanger Control Cicruit Caused by Distributed Capacitance of Cable

QI Xiang-qian

(Jiangsu Branch,China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Nanjing 210042，China)

This paper discusses the false action of the air exchanger control circuit which appeared in the experiment and adjust by an engineering example,and introduces the influence of distributed capacitance of control cable to electrical relay.It analyses the reason of the problem, and puts forward ways for problem solving.

air exchanger； control cable； distributed capacitance； AC contactor； induced voltage

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.013

2015-01-03.

齐向前(1968-)，高级工程师.E-mail:xiangqianqi128@sina.com