控制電纜分布電容對交流開關型電動閥的影響分析及解決方法

王進 王晨 相廣順

摘 要：現代工業自動化應用技術越來越多，集中控制外部各電氣設備必不可少，這必然要增加控制電纜的長度，從而在交流有源信號控制回路中產生分布電容感應電壓，造成設備控制的拒動或誤動，導致安全事故的發生。現結合西安西礦環保科技有限公司在山東某脫硫項目電動閥調試中出現的遠程DCS無法進行開關控制的現象，對交流有源信號控制回路中感應電壓的產生進行分析，并就如何減弱此類感應電壓提出了相應的解決方法。

關鍵詞：電纜;分布電容感應電壓;電動閥;干擾消除方法

1? ? 感應電壓對電動閥的影響

我司山東某脫硫項目電動閥在遠程DCS模式下，開、關指令信號線串接了電動閥內部的AC220 V動力電源火線后變為有源信號，經DCS接點控制后返回到電動閥內部電路[1]。現場電動閥外部有源信號控制原理如圖1所示。

在遠程DCS開、關指令沒有發出去的情況下，電動閥開、關信號線上都有感應電壓存在，最高達100 V，這樣會使開、關信號線與零線之間存在一定的電勢差，當電勢差超過光耦的動作門檻電壓時，光耦就會動作，則光耦右邊的電子電路導通工作（此處的光耦作用是光電開關，類似中間繼電器），執行開、關閥動作指令。現場實測發現，光耦的動作門檻電壓約80 V，此時開、關信號線上的感應電壓已經超過了光耦的動作門檻電壓，那么實際上光耦U1和U2右邊的電子電路已經導通，但又因為電動閥內部開、關閥電路間有互鎖保護，所以開、關閥不能同時執行[2]。

在遠程DCS發出開指令信號的情況下，電動閥開信號接通火線L，此時開信號線與零線之間的電壓為正常工作電壓AC220 V，光耦U1動作導通，而此時關指令仍處于斷開狀態，實測關信號線上感應電壓可增大到120 V，那么關信號線與零線之間的電勢差也已經超過了光耦U2的動作門檻電壓，因此此時又出現了光耦U1和U2同時動作導通的情況。同時，電動閥內部開、關閥電路間有互鎖保護，因此開、關閥不能同時執行。同理，在遠程DCS發出關指令信號的情況下，電動閥也不會動作。

2? ? 產生感應電壓的原因分析

調試時，出現遠程DCS不能開、關電動閥問題后，現場檢查發現，控制電纜接線正確且電纜絕緣良好，控制電纜也沒有與交變動力電纜敷設在同一線槽，排除外部感應電壓產生源，同時該信號控制電纜選用的是帶屏蔽層的控制電纜，可以屏蔽外部干擾信號[3]。關斷電動閥電源以后，測量信號線上電壓均降為零，再次通電后，發現電動閥的控制電纜開、關信號線上又能測量出100 V左右的感應電壓。因此，可以排除外部干擾因素，認為其感應電壓來源于控制電纜自身。

兩根相鄰平行導線之間具有一定電容，在電路中相當于給電路并聯了一個電容器，這個電容器就是分布電容。把導線線芯和屏蔽層看作平板電容的金屬板，電纜的絕緣層看作電介質，則電纜的分布電容為：

C=εs/4πkd? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ε為電纜絕緣層的介電常數;k為靜電常數;s為導線等效截面積;d為線芯間及線芯和屏蔽層間距離。

ε和k都是常數，在d不變的情況下，電纜越長，s越大，則電纜的分布電容就越大。當線路較短時，分布電容對電路影響很小，可以忽略不計;但當線路較長時，分布電容就會變大，此時就應考慮分布電容的影響[4]。我司山東某脫硫項目中DCS控制間距離現場電動閥約300 m，開、關指令控制電纜使用的是ZRC-KVVRP-0.45/0.75 kV-4×1.5 mm2。因此，感應電壓來源于控制電纜線芯間以及線芯和屏蔽層間的分布電容。

對該控制電纜上的分布電容進行建模，假設線芯間及線芯和屏蔽層間的分布電容大小相等，則其分布電容的結構如圖2所示，其中C1表示電纜線芯和屏蔽層之間的分布電容，C2表示電纜線芯間的分布電容。根據圖2可畫出該電動閥外部有源信號控制回路的分布電容分析圖，如圖3所示（①②③④為控制電纜線芯編號）。

忽略線纜阻抗壓降，假設控制電纜分布電容產生的電勢差為E開、E關，當電動閥外部控制電纜的分布電容C2足夠大時，電動閥的外部交流有源開、關信號線上（①④線）就有較高的感應電壓，并與零線形成電勢差E1和E2，使電動閥內部光耦接口電子電路構成閉合回路。當E1和E2足夠大時，就會使光耦誤動作導通，電動閥內部電子電路開始工作。在圖3中，E開+E1=U（AC220 V）、E關+E2=U（AC220 V）。

假設光耦動作導通門檻電壓為Umin，任意時刻光耦兩端的電壓為Ut，則有下列情況：

（1）當Ut≥Umin時，光耦動作導通，電動閥內部電子電路開始工作;

（2）當Ut

3? ? 解決方法

電纜的分布電容是真實存在的，在實際應用中，只能想盡辦法減弱分布電容，通過技術手段把分布電容控制在允許范圍之內，不影響實際控制即可。

3.1? ? 縮短控制電纜長度

從電纜的分布電容公式C=εs/4πkd中可以看出，電纜越長，s越大，其分布電容也越大。因此，在設計時應該盡量縮短電纜線路長度，減弱電纜的分布電容。我司山東某脫硫項目電動閥遠程DCS不能開關問題是在調試階段發現的，顯然此時縮短電纜長度的方法是不可行的。

3.2? ? 減少控制電纜使用芯數，且備用線芯和屏蔽層全部接地

現場調試試驗時，把電動閥遠程DCS開、關兩個指令信號的4根線改成了3根線公用線接法后（②線為公共線，拆除③線），開、關信號線上的感應電壓降低了40 V，再把拆除下來的③線和屏蔽層接地后，開、關信號線上的感應電壓又降低了20 V，具體接線如圖4所示。至此，開、關信號線上的感應電壓降到40 V（低于光耦動作門檻電壓），此時電動閥即可通過遠程DCS開關。

3.3? ? 使用中間繼電器隔離電纜分布電容感應電壓

現場調試試驗時，在電動閥的開、關信號回路中各增加一個AC220 V的中間繼電器，使用遠程DCS的開、關指令接通中間繼電器的線圈電源，使中間繼電器得電動作，然后再使用中間繼電器的常開觸點接通電動閥內部開、關信號，使電動閥動作。改動以后，雖然在中間繼電器的線圈兩端仍然有感應電壓，但由于該中間繼電器的動作門檻電壓在150 V以上，因此感應電壓不足以使中間繼電器動作[5]。所以，通過使用中間繼電器可以有效隔離電動閥外部電纜的分布電容感應電壓。改進后的控制原理如圖5所示。

4? ? 結語

通過對電動閥遠程DCS不能開關問題的研究分析，發現其開、關信號線上感應電壓來源于控制電纜的分布電容，線路越長分布電容越大，且分布電容感應電壓會使電氣設備發生拒動或誤動現象，影響設備的安全可靠運行。經過現場分析以及試驗測試，研究出了減弱感應電壓的辦法，并成功解決了現場電動閥遠程DCS不能開關的問題。

由此可知，在工程項目設計時應綜合考慮，從源頭上消除各類缺陷問題。在調試過程中，要認真分析故障現象，結合電氣原理圖分析各種可能發生的原因，并盡可能多地進行試驗測試，逐一排除，最后找到問題的根本原因，并采取最有效的方法解決問題。

[參考文獻]

[1] 鞍山工裝自控儀表有限公司.電動閥說明書（第一版）[Z]，2015.

[2] 馬世燕.控制電纜的分布電容對LED信號燈的影響[J].建筑電氣，2009，28（1）：58-60.

[3] 陳洪東.開關型電動閥調試方法的探討[J].現代信息科技，2019，3（14）：39-40.

[4] 杜建華，王長水.控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J].自動化技術與應用，2010，29（9）：120-122.[5] 張婷，張振宇.消除交流控制系統信號干擾的方法[J].科技傳播，2014，6（7）：198-199.

收稿日期：2020-12-17

作者簡介：王進（1987—），男，陜西西安人，助理工程師，研究方向：電氣自動化。