长距离交流控制电缆电容电流电气故障分析及处理

吉 兰

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610021

长距离交流控制电缆电容电流电气故障分析及处理

吉 兰

成都建筑材料工业设计研究院有限公司，四川 成都 610021

通过对小收尘器控制回路的分析，建立相应的电路模型，根据中间继电器的动作值及返回电流计算出对应的电缆等效电容，从而得出中间继电器可靠动作并返回的最大电缆长度，使设计人员在进行二次回路设计时能做到有的放矢，提前处理了长距离控制电缆的分布电容导致控制回路误动作的问题。

等效模型 继电器动作值 返回值 电缆长度 等效电容 解决措施

0 引言

水泥厂工艺设备种类众多，控制要求各不相同，导致了电气二次回路非常复杂，每个工程在调试、试生产期间都会产生不少电气故障。少数小袋收尘器控制箱的安装位置距离配电室较远，控制电缆的长度很长，其线芯间的等效电容对二次控制回路将造成影响，小收尘器与中央控制室发生“失联”现象。本文就交流220 V二次控制回路，控制电缆的长度为多长时不会影响控制回路的动作逻辑，并给出二次控制改进方法，供同行参考。

1 故障现象

某水泥厂，石灰石矿山至堆场入料转运楼处的小收尘器在调试期间出现奇怪的现象，在中控模式，没有操作员启动收尘器，收尘器自行启动运行，而且操作员不能停止收尘器，出现“失控”现象。收尘风机的启动声音比较大，把现场调试收尘器的调试人员吓了一跳。

2 故障分析

2.1 控制回路分析

收尘器二次控制原理图如图1所示，图中控制电缆的型号为kVV-0.5 kV-5x1.5 mm2，电缆长度为520 m。电缆线芯间的等效电容与220 V交流中间继电器构成一个R-L-C串联电路，当收尘器控制箱上电，控制电路的二端加上了220 V、50 Hz的交流电源时，通过R-L-C电路的电流大于中间继电器的动作电流。因此，当转换开关处于中控位置，继电器KA0本不应改动作而实际上吸合了，导致收尘器中控室无操作而设备自行启动的“失控”现象。

图1 收尘器二次控制原理图

2.2 电路建模

中间继电器线圈由铜导线在铁芯上绕制而成， 其电气模型等效为一个RL 串联电路。二次回路相当于由电缆的分布电容C、中间继电器的电阻R、电感L构成一个RLC二阶串联电路，如图2所示，电源为交流220 V，50 Hz。电路的等效阻抗Z=R+JX=R+j(ωL-1/ωC)

式中：ω=2πf ；

C0—电缆单位长度上的分布电容；

l—控制电缆的长度，km。

通过分析电路的电流，结合中间继电器的动作电流，就能判断继电器是否能可靠地动作。同时，也可以根据中间继电器的动作电流，计算电缆的分布电容C，按公式l=C/C0可计算出对应的电缆长度，从而得出电缆长度超过多少米后，会引起中间继电器的误动作。

图2 等效电路模型

2.3 继电器动作值和返回值

经过查阅欧姆龙的小型继电器MY 2N-CRJ220/240VAC的样本后，得到继电器线圈额定值表如下：

线圈电阻R0：18.79 kΩ，线圈电感L0：83.5 H，线圈的阻抗Z0=R0+JX0=R0+J·2π·f·L0=32.256 kΩ；继电器必须动作电压U1：80%Ue=0.8×220=176 V，相应的动作电流为I01=5.46 mA；继电器必须释放电压U2: 30%Ue=0.3×220=66 V，相应的动作电流为I02=2.05 mA。

2.4 控制电缆的等效电容计算

电缆的国家标准对控制电缆的分布电容并没有明确的规定，得到控制电缆的分布电容值难度较大。经多方查阅，电缆分布电容的计算公式有多种描述形式，在《通信电缆》[3]中，多芯电缆的分布电容的计算公式为：对于多芯控制电缆，相邻2芯导线间的等效电容C0计算式如下：

C0=λ·εr·10-6/36 k·ln(2a/d)

式中：C—分布电容，F/km；

λ—电缆的绞合系数，λ=1.02～1.04；

k—修正系数，有屏蔽层k=0.6，无屏蔽层k=0.94；

a—导体之间的中心距，mm；

d—导线直径，mm；

εr—导线间绝缘物的介电常数，聚乙稀2.3，聚氯乙稀4～6，橡胶3～5，电缆纸2～2.5。对于kVV-0.5 kV-5×1.5 mm2控制电缆，d=1.60，a=3.50。通过计算，控制电缆线芯间的等效电容为C0=0.104 μ f/km。所以520 m电缆对应的等效电容C=0.52×0.104 1=54 nF

2.5 控制回路电流计算

为简化计算， 对电压、阻抗、电流只考虑模值大小， 则电路中的电流大小为：I=U/|Z|，其中R=18 790；X=327 57。

代入得I=5.83 mA，大于继电器的动作电流，所以只要控制回路上电，中间继电器就马上动作，出现“失控”现象。

2.6 控制回路理论分析

收尘风机的启停是由继电器控制的，下面分析一下当电缆长度L超过多少米后，继电器会出现失控故障。通过继电器的返回值IC、动作值IB及谐振电流IA， 可以找到对应的分布电容CC、CB及CA， 再除以C0， 就可以求出对应的电缆长度l， 即。下面借助EXCEL的曲线拟合功能绘制C-I 关系曲线如图3 所示。

图3 I-C关系模拟曲线

图3中A点为电路串联谐振点，即ωL=1/ωCA,变换得CA=1/ω2L，代入数值的谐振点对应的电缆长度IA=CA/C0=1 167 m，IA=220/R=IA=220/R=11.7 mA，远远超过继电器的额定电流，应避免这种情况出现。

图3中B点对应继电器的动作电流I01=5.46 mA，代入数据计算得IB=494 m。

图中C点对应继电器的返回电流，同理可计算得出IC=231 m。

IC为有效控制距离的最大值, 当IC

IB为导致电机发生误启动所对应的电缆长度的最小值。当I> IB时, 只要控制电路两端加有额定控制电压 , 则通过继电器线圈的电流就等于或大于继电器由释放变为吸合状态所需的最小励磁电流 , 因此, 继电器将吸合从而导致电机误起动。

当电缆长度I>LA时， 虽然电流I呈下降趋势，但其最小极限值，仍大于IB和IC, 也就是说,当I>LA时，电机仍处于误起动的失控状态。

对于图1 所示收尘器的控制电路, 电压U=220V，频率f=50 Hz，电缆长度I=520，计算电流I=5.83 mA, 收尘器处于误启动的失控状态。以上理论分析和测量计算的结果与实际情况完全相符。

3 解决措施

3.1 更换返回值高的继电器

在实际工程应用时，可采用小型接触器代替中间继电器，效果比较好。但替换成本比较高。

3. 2 在继电器线圈两端并联电阻

这种方法可以改变原有电路参数，从而使流过继电器线圈的电流减小到返回电流以下， 达到顺利返回的目的。

3. 3 采用直流控制电源

因小收尘器内有小PLC控制器，DI模块一般采用直流24 V电源，故可将KA0继电器换为直流24 V继电器，从根本上解决收尘器上电误启动的问题。

更换返回值高的继电器， 这种方法简单可靠，但重新选购继电器或接触器， 增加了成本。另外由于继电器或接触器尺寸较大，控制箱的的卡轨不够长，使得布线不是很规范，给维护带来一些潜在的困难。

并联电阻法，相对更换继电器来说， 花费的成本小一些，在工程实际应用中可酌情采用。

采用直流控制电源，这种方法是最好的，但是只适合于在设计阶段才能实施。实际工程中要改为直流电源的可能性不大，因为所有相关的继电器需要重新购买，成本非常高，一般来说时间上也是不允许的。

4 结束语

通过对继电器不能够顺利返回现象的分析和讨论， 可得出以下结论：

（1） 如果控制箱内的电气设备距离远，分布电容的影响大，那么在设计阶段就应该考虑将电气的控制回路电压改为直流控制系统。实际工程中24 V直流控制电压应用比较广泛，另外采用24 V直流电源对于现场检修比220 V安全。

（2）在继电器的技术参数和电缆载流量允许的情况下， 控制电缆的线芯截面尽量选小一些。这样线芯的相对面积减小了，线芯间的分布电容也减小了。另外对于长距离的控制电缆，最好不采用屏蔽电缆，因为屏蔽电缆的线芯间的分布电容比普通电缆大。

通过对继电器误动作故障现象的分析，总结出的三种措施各有特点， 但从电气系统运行的稳定性出发，选择直流控制电源是一劳永逸的方法。

[1] 邱关源. 电路[M]. 第4 版.北京：高等教育出版社,2000.

[2] 马世燕. 控制电缆的分布电容对LED信号灯的影响[J]. 建筑电气, 2009,28 (1):58-60.

2016-03-25）

TQ172.8;TM76

B

1008-0473(2016)05-0072-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.015