長距離電氣控制失控故障分析及處置方案

陳向東

（湖南省湘筑交通科技有限公司，湖南 長沙410000）

0 引言

高速公路隧道內有風機、照明、防火門、車道指示器等多種機電設備，用于保證隧道空氣質量、照明效果、消防等達到規范要求，用于對車輛駕駛人員進行誘導指示和災害事故發生時的指揮，是隧道安全運行的重要保證手段之一。

隧道內機電設備的控制核心為基于PLC的區域控制器，機電設備與區域控制器間的控制信號通過多芯控制電纜進行傳遞，區域控制器在隧道內按一定空間間隔布置，對就近的機電設備進行控制和反饋信號收集，區域控制器通過光纖以太網交換機組成工業以太網，從而實現隧道內所有機電設備聯動控制（圖1）。

圖1 隧道機電控制系統圖

在隧道的運營過程中發現，當機電設備距區域控制器距離過遠時，經常會出現失控現象，經分析發現原因在于控制距離過長時，多芯控制電纜線芯間的線間電容效應不能再被忽略，形成的寄生回路干擾了正常控制，造成失控。

本文通過敘述某隧道監控系統失控故障的具體處理過程，分析控制電纜線間電容產生的根本原理和相應規律，同時推薦幾種相關處置方案。

1 隧道監控系統簡介

隧道監控系統包括通風、照明、信息發布、防火門控制等多個系統，各系統控制方式相同，都采用區域控制器加多芯控制電纜的控制方式，以下以隧道照明控制系統為分析對象。隧道照明系統包括出入口照明、基本照明、加強照明等不同功能回路，按照運營管理策略要求，在不同時段、不同車流量、不同災害狀態下進行相應回路的接通／關斷控制。每個照明控制箱內有多個控制回路，區域控制器發出的控制信號通過多芯控制電纜傳送至受其控制的多個照明控制箱，監控中心通過各區域控制器和照明控制箱實現整個隧道或隧道群的照明整體控制。

照明控制箱電氣控制原理如圖2所示，相關參數如下：多芯控制線纜ZR－KVVP－24×1.5；歐姆龍LY2NJ小型中間繼電器；線圈電壓220VAC，最小吸合電壓＝0.8Ue＝176V；最大脫扣電壓＝0.3Ue＝66V。

圖2 照明控制箱電氣原理圖

2 故障現象

隧道內某照明控制箱距所連接的區域控制器400m，控制操作時，照明控制箱中某些回路失控，故障現象：區域控制器可以正常遠控接通相應照明回路，但遠控關斷照明回路失效。

3 故障原因

為查明故障原因，對系統（圖2）進行了如下檢測：（1）檢查照明控制箱內各器件及接線狀態，接線正確，器件正常。（2）檢查區域控制器內各器件及接線狀態，接線正確，器件正常；區域控制器至照明控制箱間控制電纜正常。（3）區域控制器內分斷繼電器的常閉觸點J1已斷開，但接觸器K1仍處閉合狀態。（4）接觸器K1線圈兩端電壓值130VAC。

因此故障原因在于：接觸器線圈供電回路已正常斷開后，由于接觸器線圈兩端的非正常電壓（130V）大于繼電器最大脫扣電壓（66V），造成接觸器非正常吸合，關燈控制失控。由此判斷，區域控制器工作正常，問題出在區域控制器外部端，集中在控制電纜和照明控制箱部分。

控制電纜經電纜溝鋪設，電纜溝內還有外供電高壓電纜、軸流風機供電電纜等高壓、大電流強電供電電纜，電磁干擾大，懷疑繼電器線圈的端電壓為電磁干擾引起了感應電壓。為消除電磁干擾，對控制電纜的屏蔽銅帶重新連通，并嘗試單點接地和兩點接地不同措施以消除干擾，但接觸器線圈的端電壓無變化。控制電纜銅帶屏蔽并將屏蔽可靠接地能屏蔽外部電磁干擾，至少可以削弱干擾，但以上處置未起任何作用，說明外部電磁干擾不是造成本故障的原因。后發現失控回路的照明控制箱都距區域控制器較遠，懷疑控制距離可能與本故障有關。

通過圖2可看出：觸點J1斷開后，線圈K1電壓供電回路已切斷，但K1線圈兩端仍有高電壓，說明存在未知的寄生回路對K1供電，由圖2看出，能夠引起寄生回路的部分，只可能是圖中虛線框內控制電纜這部分，結合出故障的回路都有控制距離較遠的共性，懷疑控制電纜線芯間電容有可能是故障產生的原因。

為確定故障原因，將圖2中的第一回路按空間實際布線并增加考慮控制電纜線間電容因素，重作接線圖如圖3所示，依圖3作出此回路電氣原理圖如圖4（a）所示。由圖4（a）看出，當J1斷開后，還存在一條由L（火線）—C1、C2（線芯間電容）—K（自保持觸點）—K繼電器線圈—N（零線）組成的回路，為繼電器線圏供電。由此確定照明回路失控的原因：受控制電纜線間電容影響產生的寄生回路造成失控。

圖3 重作接線圖

圖4 電氣原理圖

4 故障分析

4.1 線間電容影響

為分析線間電容C1、C2影響控制的規律，作出故障時等效電路圖［圖4（b）］，圖中C為C1、C2的等效電容，C＝C1＋C2，L為繼電器線圈K的等效電感。由圖4（b）可得繼電器線圈兩端的端電壓UL為：

由式（1）可看出，當C值很小時分母項值很大，UL很小；隨著C值增大，UL變大。在本電路中，當線間電容C增大到一定程度，使線圈端電壓UL大于繼電器最小釋放電壓時，繼電器不會按要求斷開，即造成該照明回路失控。

4.2 線間電容相關參數

將多芯控制電纜各線芯間的電容看作平板電容：線芯為極板，線芯絕緣等為板間介質。控制電纜中兩線芯可等效為一平板電容，其電容值為：

式中，ε為線芯間等效介電系數；l0、l為線芯間等效平板電容的兩邊長，其中l為電纜長度；d為線芯間等效平板電容兩極板間距離。

式（2）中除l外都可看作常數，因此線間電容與控制電纜長度成正比，電纜越長，出現故障的幾率越大；多芯控制電纜各線芯相互間存在線間電容，其他各線芯對其中一個線芯的影響相當于多個電容關聯，因此電纜芯數越多，出現故障的幾率越大。由此得出結論：失控原因在于控制電纜線芯間電容形成的寄生回路干擾了電路的正常控制，造成失控現象，控制電纜越長、控制電纜芯數越多，產生故障的幾率越大。

5 故障處理

經過以上分析，發現控制電纜線芯間存在的線間電容是造成故障的原因，如果能消除線間電容或避開線間電容效應的影響，則可消除故障。控制電纜線間電容客觀存在，無法消除，處理此問題需從避開電容效應的角度著手。按此思路對照明控制電路進行改造，將控制電纜內交流信號改為不受線間電容影響的直流信號，故障消除。圖5為改造后的控制圖。

圖5 改造后控制原理圖

6 其他解決方案

通過多芯控制電纜對遠端設備進行控制的方式在各行各業廣泛應用，一旦控制距離過遠使得控制電纜過長，則有可能因控制電纜線芯間電容的影響產生不可預計的寄生回路，造成失控故障。有的系統因控制電路復雜，故障查找判斷會比較困難，因此建議在設計階段就考慮控制距離影響，并采取合適的規避方案。以下推薦幾種方案供參考：（1）采用適合遠距離控制的專用電纜，如PTYA系列鐵路信號電纜。此類電纜線間電容較小并考慮了綜合防護，適合較遠距離傳輸交流控制信號，但價格較普通的KVVP型控制電纜高。（2）用直流控制信號進行遠距離控制，規避線間電容的干擾。采用此類控制方法需注意控制電纜過長帶來電壓損失問題，一般通過提高控制電壓或恒流源器件供電的方式進行補償。（3）當系統復雜、控制點數量較多時，還可采用基于控制網絡或控制總線的數字化器件實現控制功能。控制網絡和控制總線方案比較適合控制點分布較廣的系統。（4）對于控制距離達到千米級或以上的控制對象，一般不宜采用控制電纜進行控制，此時線纜電阻造成的電壓降將很難進行補償，建議采用開關量光端機等通過光纜傳輸控制信號的方式進行控制。