分布電容影響交流繼電器成因分析及解決方案

封光輝,宋奇

(上海高橋捷派克石化工程建設有限公司，上海 200137)

儀表自控設備及回路調試是石化企業檢維修、技措技改項目中必不可少的一個環節，調試工作中經常會遇到交流繼電器不能正常釋放從而導致設備誤動作、拒動作的情況。經檢查設計圖紙沒問題，施工單位亦是照圖施工，究其原因是控制電纜分布電容導致故障發生[1-5]。分布電容是指由非電容形態形成的一種分布參數，電路中任何兩個存在電壓差的絕緣導體之間都會形成分布電容，只是分布電容大小不同而已。一般情況下，分布電容很小，對電路的影響不大，特別是在低頻、線路較短時它對電路的影響可以忽略不計；盡管分布電容的數值很小，有時卻會給傳輸線路或儀器設備的正常工作帶來干擾，尤其在高頻、線路較長時必須要予以考慮。以下結合工程項目實例，通過電路分析、計算、仿真，提出并實施消除分布電容影響的解決方案。

1 故障現象與原因

某公司凈化水裝置風機聯鎖控制技改項目中，風機距離控制機房直線距離約300 m。裝置控制系統上位機采用西門子WINCC 6.2系統，下位機控制系統為西門子PLC(CPU為414-4H)。項目主要增加2個控制風機啟停的DO點，1個風機運行狀態的DI點，1個控制風機變頻器的AO點，1個風機變頻器頻率的AI點。

該項目現場接線、畫面組態和PLC編程完成后，隨即準備進行回路調試。220 V交流電源通電后發現操作畫面中風機始終處于運行狀態，由于此時現場風機尚未送電，與實際情況不符。風機狀態信號接線如圖1所示。

1.1 控制系統檢查

首先檢查系統軟件組態，確認程序、PLC地址等配置正確，其次檢查PLC硬件安裝接線，確認無誤。脫開現場風機狀態信號線，用短接線直接短接測試，PLC系統一切正常。接上現場風機狀態信號線后再次測試，發現故障依然存在。但此時OMRON繼電器指示燈是淡紅色，繼電器兩端交流電壓約207 V，雖然低于220 V，但繼電器仍處于得電狀態。觀察到其他正常吸合狀態的繼電器指示燈為正常的紅色，更換新的繼電器后現象如舊，可以排除繼電器因素。只要現場信號電纜接上，繼電器就自動吸合,由此可以確定問題出現在現場部分。

圖1 風機狀態信號接線示意

1.2 現場設備檢查

現場風機接觸器輔助觸點信號處于正常斷開狀態，測量接觸電阻達到MΩ級，不存在短路現象，因此懷疑是電纜有問題，初步用萬用表檢查電纜絕緣正常。該風機距離遠，敷設過程中有很多地方需要穿鍍鋅鋼管，如果鋼管接口未處理好，容易出現電纜破皮接地現象。在施工單位無法確認電纜穿管是否良好的情況下，找出備用電纜重新接線后，現象如故。最后使用絕緣測試搖表檢查電纜情況，2根電纜接地良好，電纜內部絕緣正常。

1.3 線路電容干擾

通過相關文獻的檢索，發現導致該現象提到最多的是電纜分布電容影響交流繼電器。電纜導線之間存在分布電容，短距離時分布電容基本可以忽略，電纜距離比較長時，分布電容比較大，容易造成交流繼電器的誤動作。

2 故障分析

根據該項目情況將控制電纜等效為串聯的電容和電阻，將繼電器線圈等效為串聯的電阻和電感，回路電源為220 V， 50 Hz交流電壓源。

2.1 導線分布電容計算

根據式(1)計算控制電纜導線分布電容[6-8]：

(1)

式中：C——分布電容，F/km；λ——絞合系數；εr——等效介電常數；a——導線中心之間的距離，mm；d——線芯直徑，mm；φ——修正系數。

從式(1)可以看出，要精確計算電纜的電容是非常困難的。該項目中控制電纜采用計算機控制電纜KVVR2×1.5，系數為：λ≈1.02，εr≈5，a≈2.5 mm，d≈1.382 mm，φ≈0.9，代入公式(1)后計算結果C=36 nF。

2.2 導線電阻的計算

導線電阻的計算如式(2)所示：

R=ρL/S

(2)

式中：ρ——導體電阻率，Ω·m；L——導線長度，m；S——導體截面積，m2。

KVVR 2×1.5為銅芯導線，選擇ρ≈1.75×10-8Ω·m，L=2×300=600 m，S=1.5×10-6m，代入式(2)后計算結果R=7 Ω。

2.3 交流繼電器參數

該項目中采用交流繼電器，為通用交流繼電器，額定電壓Un為220 V，線圈參數見表1所列。

表1 交流繼電器線圈參數

2.4 電路計算及仿真驗證

控制回路等效電路如圖2所示，當回路首次上電的瞬間，現場風機狀態開關處于“斷開”狀態，由于電容“阻直通交”的特性，繼電器線圈兩端電壓等于電源電壓，繼電器線圈得電、常開觸點吸合，線圈電感取值136 H。圖中線路電阻R1=7 Ω，R2=1.879×104Ω，C=36 nF，Ups=220 V 。

圖2 控制回路等效電路示意

R1基本可以忽略不計，同時忽略電源內阻。整個回路阻抗如式(3)所示：

(3)

繼電器兩端的電流和電壓分別如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

通過計算可見，盡管風機狀態觸點斷開，但是由于控制電纜分布電容在交流電路中作為容抗存在，并且與繼電器線圈的電抗串聯，使得繼電器線圈兩端的分壓有效值高達207.7 V，大于動作電壓，從而導致繼電器線圈始終處于激勵狀態。

對電路模型進行上電工況仿真，如圖3所示，在繼電器還沒有閉合前，繼電器線圈電感為83.5 H，在220 V電源熔絲閉合的瞬間，從示波器可以看出此時繼電器線圈兩端電壓的最大值為309.7 V(有效值為219 V)，此時繼電器線圈電壓大于80%Un，繼電器閉合。

圖3 控制回路首次上電工況仿真示意

當現場風機狀態開關處于“閉合”狀態時，繼電器線圈兩端的電壓約為220 V，繼電器得電，如圖4所示?，F場觸點斷開后，繼電器線圈兩端的電壓約為207.7 V，和當初調試時萬用表測量電壓基本吻合。通過示波器查看具體的模擬波形，隨著風機開關狀態從“閉合”到“斷開”，繼電器兩端電壓最大值從311.09 V(有效值為219.97 V)變為293.14 V(有效值為207.3 V)超過了繼電器的復位電壓，所以繼電器無法正常釋放，出現了誤動作現象。

圖4 繼電器線圈電壓仿真示意

從上述電路模型理論計算結果和軟件仿真結果來看，二者結果一致，與現場情況符合，可以確定正是電纜分布電容導致交流繼電器的誤動作。

3 解決方案

找到交流繼電器誤動作的真正原因后，對應的解決措施就比較簡單了。該項目采用在繼電器兩端并聯阻抗，減小繼電器線圈分壓，只要保證風機觸點斷開后繼電器線圈兩端電壓低于30%Un即可。如何選擇元器件，需要進行計算。

3.1 并聯阻抗范圍計算

并聯阻抗后電路如5所示。

圖5 繼電器線圈并聯阻抗電路模型示意

由繼電器分壓不大于30%Un可得：

(6)

(7)

(8)

21 366(Ω)∠259°

(9)

通過計算可知，只要繼電器線圈并聯的阻抗Z3滿足|Z3|<2.136 6×104(Ω)即可。

3.2 并聯電阻電容后建模仿真

根據計算的阻抗范圍和現有的電子元器件，選擇了1 kΩ(1 W)電阻和0.3 μF的電容，將電阻與電容串聯再并聯到繼電器線圈兩端，再次用軟件進行仿真計算，如圖6所示，風機開關閉合后，通過繼電器的電流為4.75 mA，繼電器線圈吸合正常工作，風機開關斷開后繼電器線圈兩側電壓為28.6 V，降到了釋放電壓內，繼電器失電，控制回路工作正常。

圖6 改進方案中繼電器線圈電壓仿真示意

3.3 并聯電阻電容后計算

利用軟件仿真后，根據電路模型進行計算驗證。并聯的電阻電容后阻抗值為

(10)

線圈并聯后阻抗為

(11)

現場觸點斷開后，回路電流值為

(12)

現場觸點斷開后，繼電器線圈電壓值為

(13)

現場觸點閉合后，并聯的電阻電容回路電流值為

(14)

現場觸點閉合后，并聯的電阻功率值為

P=I2R=0.020 642×1 000≈0.43(W)

(15)

閉合后電阻功率為0.43 W，選用的是功率為1 W的電阻，可以長時間使用。

3.4 實際應用效果

在繼電器線圈并聯了電阻和電容后，實際效果和仿真基本一致，至裝置控制系統更新前，一直使用正常，很好地解決了由控制電纜分布電容導致的繼電器誤動作問題。

4 結束語

本文分析了電纜分布電容對繼電器誤動作的影響，通過理論計算，采用在繼電器上并聯電阻和電容的方法解決了繼電器誤動作問題。對于該項目遇到的故障還有其他的解決辦法[9-12]，如將交流繼電器更換為直流24 V繼電器，但需要重接繼電器電源。在繼電器兩端并聯阻抗的范圍很廣，組合有很多，需要注意選擇電阻的時候要考慮現場閉合后，電阻的功率是否能夠滿足要求等問題。