電纜分布電容與繼電器誤動作

周一鳴 上海工程化學設計院有限公司 上海 200235

電纜分布電容與繼電器誤動作

周一鳴*上海工程化學設計院有限公司 上海 200235

通過工程項目建設實例說明交流電對信號電纜所產生的分布電容會引起信號繼電器誤動作。分析分布電容計算的公式，闡述分布電容與電纜材料、長度等的關系，通過實例計算信號繼電器的技術規格，給出抗分布電容的方案。最后介紹實際使用情況與思考意見。

交流供電信號電纜分布電容信號繼電器

1 問題的產生

2001 年上海某新建250 kt/a聚丙烯(PE)裝置，在試車時發生繼電器柜內許多信號輸入繼電器誤動作，即現場開關斷開后，繼電器仍處于接通的狀態，輸出接點未完全斷開。正常情況下，當繼電器線圈勵磁輸出觸點閉合時，繼電器接通信號指示燈應發出紅色指示，而當時所有誤動作的繼電器都處于暗紅色，并持續發出觸點連續動作的嗡嗡聲。經過反復檢查，最終確定是由儀表信號電纜分布電容的持續充放電造成繼電器的誤動作。

在該項目設計時遇到兩個較特殊的情況:①現場儀表與控制室控制系統機柜相距離達300m以上;②該項目開關量信號多而雜(部分信號來自成套設備與電氣配電柜等)，而且很多信號要參與安全連鎖控制。為了安全與可靠，確定在控制系統I/O卡與現場儀表之間增加中間繼電器，并且采用220 V交流對現場儀表(或觸點開關)供電，導線采用線芯截面較大的1.5 mm2。控制系統的輸入回路見圖1。

共計配置196個輸入信號繼電器，全部采用OMRON公司型號為MY2N的小型信號繼電器。

2 分布電容的定義與計算

導線的分布電容是指在交流電路中絕緣隔離并行的導線與導線之間形成一種電容形態的分布參數，如圖1中C分所示。

當現場開關閉合時，C分基本處于短路，不起作用;而當現場開關斷開時，它就如同在繼電器輸入回路中并接一個C分電容，其電容量與導線的長度、材質、截面積、絕緣材料的材質與絕緣體厚度等因素有關。這種電容雖然很小，但由于它的存在，就可能影響電路中靈敏元器件。

圖1 輸入信號繼電器接線原理圖

在交流電路中，電流的方向是隨時間成一定的函數關系變化的，電容器充放電的過程也隨時間變化，在電容器極板間形成變化的電場，這個電場也隨時間不斷地變化。實際上，電流是通過場的形式在電容器間通過的，所以電容器在電路中能起到的隔直通交的作用。而當通過電容器的電流足以使繼電器線圈勵磁，就會使繼電器輸出觸點保持在接通狀態。

目前我國對儀表電纜還缺少詳細的技術規定，在《計算機與儀表電纜》TICW/06－2009［1］對電纜電氣特性規定中，僅要求各種截面積(0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2、2.5 mm2)PVC絕緣電纜的工作電容為250 pF/m。而不少企業按英國標準BS 5308［2］制定企業標準。在BS 5308中，對導線截面0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2的多芯或多對儀表電纜最大分布電容分別規定為75～115 pF/ m。國產電纜基本都能達到該項指標要求，天津安琪爾電纜廠的DCS系統用電纜，還特別要求同樣規格的電纜其分布電容要小于60 pF/m。

電纜分布電容的計算公式有多種描述形式，在《通信電纜》［3］中，多對電纜的分布電容的計算公式為:

式中，C為分布電容，F/km;λ為總的絞合系數(在絞對電纜中，電纜單線的實際長度L與線芯或單線圍繞絞線轉一圈的軸向長度h之比稱為絞合系數，即:λ=L/h。對于儀表電纜:λ≈1.02～1.04);εr為組合絕緣介質的等效相對介電常數; a為回路兩導線中心距離，mm;d為導電線芯直徑，mm;ψ為修正系數(指接地金屬屏蔽和鄰近導線產生影響而設置的系數，對于屏蔽對線組:Ψ≈0.6;對于無屏蔽對線組:Ψ≈0.94)。

以儀表專業常用的KVV 2×1.5 mm2信號電纜為例，λ≈1、聚氯乙烯絕緣材料εr≈5、a≈3 mm、d=1.38 mm、Ψ≈0.94，經計算信號電纜的分布電容為0.1005 μF/km。當然，分布電容的理論計算值與實際數值可能會有較大的差別，所以計算值僅作參考，實際線路設計應留有足夠的余量，即適當放大分布電容數值。

從公式還可以看出，分布電容計算值與導電線芯的直徑、線間距離和絕緣介質有關。增大導電線芯直徑，就相當于增大電容器極板面積，所以電容量就增加;導電線芯間距的增加，則相當于電容器極板間距加大，顯然電容就減少;而絕緣介質的介電常數影響更大，其數值越大，分布電容也越大。常用的電纜絕緣材料各自介電常數聚乙烯為2.3、聚氯乙烯為4～6、橡膠為3～5、電纜紙為2～2.5。

3 抗分布電容的方案

OMRON公司MY2N繼電器的產品指導說明中明確指出:“當電源出發的配線距離較長時，繼電器兩端會由于電線的雜散電容(即分布電容)產生電壓，造成復位不良。在這樣的情況下，請在線圈兩端連接泄放電阻”，并給出配置泄放電阻的參考值，見表1。

該公司繼電器產品技術規格中也明確表明，在交流220V 50Hz下，繼電器線圈電阻為18790 Ω、額定電流為4.8～5.3 mA。可以看出推薦的泄放電阻阻值與線圈電阻阻值相差很大，這就使電容放電電流大部分流過泄放電阻，而流過線圈的電流足夠小，達不到線圈吸合電流值，保證避免誤勵磁的要求。

表1 在200/220VAC中的泄放電阻

另外，電氣專業的接觸器控制線路中，發現在ABB的接觸器線圈保護線路中都在接觸器線圈兩端并接泄放電阻R并上再串接一個電容C并，更能有效保證將線路中由分布電容引起的電流分流掉。

所以，在該裝置試車階段就采用抗分布電容方案，見圖2。

圖2 抗分布電容方案圖

對輸入信號繼電器柜中196個繼電器進行線路整改，直接將兩個元件串聯、然后并接在繼電器的輸入端(即勵磁線圈兩端)，其中各元件參數分別為R并=2 kΩ、C并=0.47 μF。該裝置已連續運行近10年，各器件工作都正常，解決了電纜分布電容對繼電器誤動作的問題。

4 結語

(1)OMRON公司的直流24V繼電器產品規格書中說明，其線圈電阻為650 Ω。在英國標準BS 5308中對儀表電纜截面為0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2分別規定其最大導體阻抗應小于36.8、18.4、12.3 Ω/km，國產電纜基本都能達到這個指標。這樣若采用普通2×1.5 mm2儀表電纜，長度在300 m以下的繼電器信號回路的電纜電阻應小于10 Ω，其數值遠低于繼電器線圈電阻，線路壓降一般不會影響24VDC繼電器的正常工作，而采用直流回路就不存在線路分布電容的問題。所以筆者認為在信號輸入回路設計中應慎用交流供電與交流繼電器，從而完全避免電纜分布電容對信號繼電器的影響。

(2)在過程控制領域，電纜的分布電容主要出現在長距離、粗導線、交流供電的信號控制回路，尤其會在一些成套設備的現場控制盤與電氣控制盤之間信號傳輸中采用，在工程設計時應充分注意電纜抗分布電容設計的采用，所采用元器件的參數(包括功率等)都應反復試驗，保證信號控制回路連續與正常運行。

1 TICW/06－2009，國家電線電纜質量監督檢驗中心技術規范．計算機與儀表電纜〔S〕．

2 Instrumentation Cables Part1．Specification for polyethylene insulated cables BS 5308〔S〕．1986．

3 鄭玉東．通信電纜〔M〕．北京:機械工業出版社，1982．

By practical engineering examples，explain that the distributed capacity produced by AC current on signal cables can cause the signal relays maloperation．Analyze the calculating formulas for distributed capacity．Elaborate the relationship of the distributed capacity with the cable materials and length．Give the anti-distributed capacity programme based on the practical calculating examples and the singnal relay specifications．At last introduce the practical applications and the comments to consideration．

Relationship between Cable Distributed Capacity and Relay Maloperation

Zhou Yiming
(ShanghaiChem Engineering Incorporation，Shanghai 200235)

AC power-supplysignal cabledistributed capacity signal relayanti-distributed capacity programme

*周一鳴:高級工程師，副總工程師。1980年畢業于華東理工大學化工自動化專業，一直從事化工自動化控制設計工作。聯系電話: (021)64365961，E－mail:zhouym@scei.com.cn。

2011－08－04)