長距離電纜分布電容對交流繼電器的影響

程旭軒，傅水祥

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 杭州 311300）

隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備自動化程度的提高，某水電站大壩進水口事故閘門、檢修閘門控制柜目前只有現(xiàn)地操作功能，已不滿足新的要求，對其進行改造，增加遠方控制功能。在改造調(diào)試過程中，出現(xiàn)了檢修閘門現(xiàn)地操作可以正常啟停，遠方操作無法正常啟停的問題，經(jīng)檢查圖紙邏輯上沒問題，電纜絕緣良好，LCU開出繼電器正常，究其原因是電纜長度過長產(chǎn)生分布電容導(dǎo)致。一般情況下，電纜產(chǎn)生的分布電容很小，不會對控制回路造成影響，但是在電纜很長時，電纜的分布電容就會對控制回路造成很大的影響，分布電容的存在會造成交流繼電器的誤動作或拒動作[1]。

1 故障現(xiàn)象

某水電站一級壩區(qū)進行檢修閘門控制柜改造項目中，檢修閘門控制柜距離下位機距離約為500 m。下位機有3個開出點控制，分別是上升、下降、停止。在進行控制回路調(diào)試中，出現(xiàn)了檢修閘門現(xiàn)地操作可以正常啟停，遠方操作無法正常停止的現(xiàn)象。

（1）下位機檢查

對于出現(xiàn)的問題，首先懷疑是下位機原因，確認程序正確、開出繼電器可靠動作，脫開PLC程序，直接短接下位機開出端子測試，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象依舊存在，直接排除下位機的故障。

（2）電纜檢查

排除了下位機的原因后，開始檢查電纜，確認下位機和現(xiàn)地控制柜兩端端子接線無誤，測量電纜絕緣電阻良好，不存在接地現(xiàn)象，在無法確定電纜中間是否存在破損的情況下，用備用電纜重新接線后，故障現(xiàn)象未發(fā)生改變，故排除電纜故障[2]。

（3）檢修閘門控制柜檢查

核對了控制柜設(shè)計原理圖未發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并對照圖紙將盤柜接線重新核查了一遍，與圖紙接線一致，并拆除遠方控制的端子接線，檢修操作可以正常啟停。

（4）長距離電纜分布電容干擾

通過查找相關(guān)資料，最后分析出現(xiàn)這個現(xiàn)象的原因是由于長距離電纜產(chǎn)生的分布電容導(dǎo)致的。兩相互絕緣且相互靠近的導(dǎo)線等導(dǎo)體之間都會存在分布電容。當(dāng)電纜的長度較短時，電纜之間的分布電容是很小的，對控制回路幾乎不會造成什么影響。但當(dāng)電纜的長度足夠長時，電纜之間的分布電容就不能忽視，它的存在足夠存儲足夠多的電荷，從而使整個回路導(dǎo)通，影響交流繼電器的正常工作[3]。

2 故障分析

檢修閘門遠方操作控制回路原理圖，如圖1所示，在遠方操作檢修閘門上升后，無法停止，同理，在遠方操作檢修閘門下降后，也無法停止。將該原理圖控制電纜等效為串聯(lián)的電容和電阻，用C和R表示，將繼電器線圈等效為串聯(lián)的電阻和電感，用R1（R2）和L1(L2)表示，回路電源為220 V交流電[2]，如圖2所示。

圖1 檢修閘門遠方操作控制回路原理圖

2.1 分布電容計算

從圖1中可以看出遠方停止信號到現(xiàn)地控制單元有500 m的距離，實際使用的電纜型號為KVVP2×1.5 mm2。根據(jù)式（1）計算控制電纜導(dǎo)線分布電容[4]：

式中：C—分布電容；λ—繳入率；εr—絕緣材料相對介電常數(shù)；α—導(dǎo)線中心之間的距離（mm）；φ—修正系數(shù)；d—導(dǎo)線直徑(mm).

分布電容只是理論存在的，所以計算出的電容容量會有較大的誤差存在。通過查找資料得出λ≈1，εr≈3，α≈3，φ≈0.6，d≈0.8。代入公式（1）后得出電容C≈13 uF。

圖2 檢修閘門遠方操作控制回路等效電路示意圖

2.2 導(dǎo)線電阻的計算

導(dǎo)線電阻的計算如式（2）所示[2]：

式中：ρ為導(dǎo)線電阻率，L為導(dǎo)線長度，S為導(dǎo)體截面積。電纜型號為KVVP2×1.5 mm2，ρ≈0.018（Ω·m2/m），L=2×500 m=1 000 m，S=1.5 m2，代入公式（2）后得出電阻R=12 Ω。

2.3 電容的充放電過程

在遠方操作停止檢修閘門時，YF-TZ開關(guān)斷開，理論上控制回路應(yīng)該斷開了，但是由于電纜之間的分布電容存在，就導(dǎo)致線路中形成了一個電容器，如圖2所示。電容本身是斷路的，電源接通的瞬間，電容中靠近電源一端的極性自然帶電，另一端就帶極性相反的電，從不帶電到帶電這一過程就是充電，因為電容中有電阻的存在，這一充電過程就不是瞬時的，存在一個時間常數(shù)τ，這個時間很短，在這一過程中等效于斷路。因為控制回路電源是220 V的交流電，所以電的極性是在周期性變化的，當(dāng)電容外部電的極性發(fā)生變化，電容開始放電，有電流流過，回路再次導(dǎo)通，由于電源是先流過繼電器線圈，所以繼電器線圈一直處于得電狀態(tài)，導(dǎo)致檢修閘門無法停止。

2.4 電容充放電時間計算

RC電路的時間常數(shù)[5]：τ=RC。

充電過程，UC=U×（1-e-t/τ）。

當(dāng)τ=RC時，電容電壓UC=0.63U；

當(dāng)τ=2RC時，電容電壓UC=0.86U；

當(dāng)τ=3RC時，電容電壓UC=0.95U；

當(dāng)τ=4RC時，電容電壓UC=0.98U；

當(dāng)τ=5RC時，電容電壓UC=0.9U。

放電過程，UO=UC×e-t/τ，由以上公式得出電容充放電的示意圖，如圖3所示。

圖3 電容充放電過程示意圖

3 故障解決

通過故障分析，得出影響檢修閘門不能正常停止的原因是因為電纜之間的分布電容存在，導(dǎo)致遠方停止沒有效果，控制回路一直處于通路狀態(tài)。我們在遠方停止時測量了繼電器線圈的電壓，它有瞬間增大后減小到趨向于穩(wěn)定，當(dāng)火線在繼電器線圈側(cè)，電流先通過線圈流向分布電容，線圈一直在得電狀態(tài)，所以上升回路的自保持回路1KM1一直在閉合狀態(tài)，整條回路一直處于通路狀態(tài)。因為電容充電需要時間，我們設(shè)想將火線L和零線N對調(diào)，對調(diào)后電源先流過分布電容在流向線圈，在電容充電的過程中，線圈不得電，1KM1斷開，可以使整條回路斷開，為了驗證我們的想法，我們通過多次的現(xiàn)場試驗，將火線L和零線N對調(diào)后，在遠方停止時，繼電器線圈不得電，檢修閘門可以正常停止，故障得到解決。

4 結(jié)語

長距離電纜分布電容產(chǎn)生的故障有多種解決方案，比如交流供電改成直流供電，在繼電器線圈處并聯(lián)一個電阻和電容等方法都能解決該故障[6]，我們選擇了一種最簡單的方法解決了該故障。在實際的生產(chǎn)設(shè)備中，由長距離電纜分布電容產(chǎn)生的問題越來越多，比如架空線路電纜產(chǎn)生的對地電容造成無功功率過大、電纜分布電容造成軸瓦溫度量波動偏大的問題等。電纜分布電容的存在是無法避免的，我們雖然不能夠完全消除它，但我們可以通過設(shè)計、施工等方法去減弱、抵消它，讓其不對控制系統(tǒng)造成影響。