电缆分布电容对交流控制回路的影响及处理

电缆分布电容对交流控制回路的影响及处理

孙雪松 牛振中

国能民权热电有限公司 河南省民权县 476000

摘要：现代工程设计施工中大多采用多芯屏蔽电缆作为信号传输和控制回路的导线，在交流控制电路中，如果控制电缆较长，电缆芯线间以及芯线与屏蔽层间的分布电容达到一定程度时，会造成电路控制异常，电路失去控制功能。

关键词：电缆分布电容；影响；处理

引言

电缆芯线间及芯线与屏蔽层间的绝缘材料可以等效为电容，在电场作用下，其物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。由公式C=εS/d可看出，电缆分布电容与电缆长度成正比，与芯线间距离成反比，电缆越长，截面越大，芯线间距离越小，电容量越大。在交流控制电路中，电缆芯线间分布电容与控制电器的线圈组成RLC串联电路，即使回路中控制接点在断开状态，回路中仍有电流通过,该电流达到一定值时会使回路中电器元件误动作不返回或正常动作后无法返回，产生安全隐患。

1现状分析

1.1现状调查

现场两台渣水泵在远程控制时，由DCS发出启动、停止指令控制中间继电器，中间继电器控制动力回路交流接触器的启停。经测量启、停指令电缆芯线间的电容及电压得出如下数据（接点断开状态）：

测量继电器线圈直阻均在17.3kΩ左右,回路电流与电压夹角约80°，容性。

现场实际测量LC系列接触器参数如下表：

1.2问题分析

1.2.1 RLC串联电路分析

由电缆芯线间分布电容与控制电器线圈组成的RLC串联电路，其线圈的电阻R、电感L、动作电压Uop、动作电流Iop、返回电压Ure、返回电流Ire及电缆分布电容C、回路电流I可通过试验及计算得出，Iop=Uop/ ,Ire=Ure/ ，I=U/ 。

整理I=U/ 得（U²-I²R²-I²ω²L²）C²+2I²LC-I²/ω²=0。从公式可以看出，电流I随分布电容C值的变化而变化，开始时随C值的增大而增大，当C值增大到一定值即C= 时，电流达最大值 ，随后I随C值的增大而减小，当C→+∞时，电流I=U/_，达到稳定值。

当ωL= 时，电路发生串联谐振，C= =1/ω²L,I=U/R,回路电流最大，C、L上因谐振而过电压，电缆长度ιmax=Cmax/λ=1/λω²L（λ为单位电缆长度的分布电容，可通过试验计算得出）,工程中应避免ι=ιmax。

当ωL< 时，电路呈容性，C 、C=λι可得出ι=C/λ=1/λω[ωL+_]。回路电流为启动电流时的电缆长度：ιop=Cop/λ=1/λω[ωL+_]；回路电流为返回电流时的电缆长度：ιre=Cre/λ=1/λω[ωL+_]，通过比较可看出ιop>ιre。若电缆长度ι<ιre，电路不会出现失控现象，ιre为控制电缆有效长度的最大值；若电缆长度ιre<ι<ιop，继电器正常动作，不能顺利返回；若电缆长度ι>ιop，电路处于误动作和不返回的失控状态。

当ωL> 时，电路呈感性，C>Cmax,ι>ιmax，ι=C/λ=1/λω[ωL-_]，当C>>Cmax，C→+∞，I=U/ 。电路呈感性时，电缆长度大于谐振时的长度ιmax，回路中的电流远远大于启动电流Iop及返回电流Ire,电路处于误动作和不返回的失控状态。

1.2.2渣水泵测量结果分析

计算如下(1号泵启动为例)：

容抗：Xc=1/2πfC≈121kΩ

总阻抗：Z=U/I≈149kΩ

继电器线圈阻抗：Z1=U1/I≈29kΩ

继电器感抗：XL= ≈23kΩ

线圈电感压降：UL=I*XL=34.04V

线圈功率因数角：ψ1=arctanXL/R≈53°

利用余弦定理求电容分压值，整理后得：U_c²-68.7U_c-46542.39=0,求解得U_c≈252.8V

功率因数角(容性)：ψ=arctan（U_c-UL)/UR≈82°

计算结果与测量结果基本一致，因芯线间的分布电容导致控制回路在接点断开时仍有电流。

1.2.3接触器测量结果分析

1.2.3.1 220V线圈LC1-D09接触器

返回电流：Ire=Ure/Z1=66/ ≈11.5mA

回路电流为返回电流时的总阻抗：Z=U/Ire=220/11.5=19kΩ

容抗：由19= ,解得Xc≈24.85kΩ

电容量：C=1/2πfXc≈0.13μF

1.2.3.2 380V线圈LC1-D09接触器

返回电流：Ire=Ure/Z1=114/ ≈6.3mA

回路电流为返回电流时的总阻抗：Z=U/Ire=380/6.3=60kΩ

容抗：由60= ,解得Xc≈77.4kΩ

电容量：C=1/2πfXc≈0.04μF

1.2.3.3 220V线圈LC1-D16接触器

返回电流：Ire=Ure/Z1=66/ ≈15mA

回路电流为返回电流时的总阻抗：Z=U/Ire=220/15=14.7kΩ

容抗：由14.7= ,解得Xc≈18.884kΩ

电容量：C=1/2πfXc≈0.17μF

从计算结果可看出，电缆允许长度与电器额定有关，即所带负荷大，电缆允许长度长；控制电压高，电缆允许长度小；电器返回电压低，电缆允许长度小。

实际电缆长度小于按返回电流计算出的长度时，电路不会出现失控现象。

1.2.4芯线与屏蔽层间电容对供电变压器的影响

供电变压器中性点采用电阻接地或直接接地时，因芯线与屏蔽层间有分布电容，且屏蔽层单端接地，此时电容通过变压器中性点与提供控制电源相的绕组形成通路，电容量很大时将使变压器所带负载不对称，出现零序及负序，同时形成通路相的绕组功率因数发生变化，影响变压器运行及回路的正常控制。

2解决方案

从前面的计算分析可知，电缆分布电容形成的回路，电路呈容性，ι<ιmax。若电缆长度ι<ιre，电路不会出现失控现象，ιre为控制电缆有效长度的最大值；若电缆长度ιre<ι<ιop，继电器正常动作，不能顺利返回；若电缆长度ι>ιop，电路处于误动作和不返回的失控状态。完工工程，C值可认为是定值，如果出现失控现象，可采取下述办法解决：

2.1更换电缆，适当减小控制电缆截面

根据公式C=εS/d可看出，在保证控制电器动作时电压值大于Uop的条件下，适当减小控制电缆截面，电缆直径减小，S减小，C减小，电路中电流减小，I

2.2采用直流控制

采用直流控制，如果不考虑短暂的电容充放电衰减过程，稳态工作下直流回路不受分布电容的影响，理论上电缆可以无限长。

2.3降低控制交流电压

降低控制电源电压，重新选择控制电器，通过试验得出电器的返回电压Ure、电阻R、感抗XL,计算出返回电流Ire=Ure/ 、回路电流I=U/ ，调整U值，使I

2.4选用驱动功率较大的控制电器

驱动功率大，则其线圈电阻R、电抗 相对变小，通过试验得出电器的返回电压Ure、电阻R、感抗 ,计算出返回电流:Ire=Ure/ 、回路电流I=U/ ，改变R及 ，使I

2.5调换控制电缆线芯

根据公式C=εS/d可看出，芯线间距离增大，电容量减小，此法简单，但不一定会有效。

2.6控制电缆换型

采用分屏蔽加总屏蔽的电缆，屏蔽层单端接地，分屏蔽内线芯最好是两芯，接线时将控制相线接在同一分屏内，返回线接不同屏内的任一根即可，这样同一分屏内相线电位相同，因此芯线间不存在分布电容，只有芯线对屏蔽层的分布电容，而返回线的分布电容很小可以忽略。此种方法必须控制火线，即相线接控制接点，零线接控制电器线圈，因此控制变压器必须一点接地。

2.7采用动作电压和返回电压高的控制电器

通过试验得出控制电器的返回电压Ure、电阻R、感抗 ,计算出返回电流:Ire=Ure/ 、回路电流I=U/ ，改变Ure，使I

2.8控制电源采用隔离变供电

为避免电缆芯线与屏蔽层间的电容对供电变压器及控制回路的影响，在控制电缆较长时，控制电源尽量采取隔离变供电，避免分布电容通过变压器中性点与提供控制电源相的绕组形成通路，影响变压器运行及控制回路的正常控制。

2.9在控制电器线圈两端并联电阻或电容

通过试验得出控制电器的返回电压Ure、电阻R、感抗 ,计算出返回电流:Ire=Ure/ ，线圈并联电阻R1后，设A=R1²+R²+2R1R+ω²L²，B=R1²R+R1R²+ω²L²R1,回路总阻抗Z= ,回路电流I=U/|Z|,线圈通过的电流IL=IR1/ ,调整R1的大小，使IL

线圈并联电容C1后，设A=R/ω²C1²[R²+(ωL-1/ωC1)²]，B=(L/ωC1²-ωL²/C1-R²/ωC1)/[R²+(ωL-1/ωC1)²]-1/ωC,回路总阻抗Z= ,回路电流I=U/|Z|,线圈通过的电流IL=I ,调整C1的大小，使IL2L²+R²,只要选择的电容值C1远离谐振时的电容值可避免并联谐振的发生。

需要注意的是如果采用并联电容的电器数量多，将造成配电变压器带控制电源相的容性负载比其他两相高，影响配电系统的稳定运行，因此并联电阻相对于并联电容更加稳妥。

结束语

长电缆分布电容对交流控制回路的影响很大，在电压较高的长电缆交流控制回路中，由于分布电容较大，容抗小到一定值时，便有可能使加于控制电器线圈上的电压高出返回电压或动作电压，从而引起控制异常，且出现问题时往往不易判断处理，上面的分析及处理方案仅供现场工程技术人员参考，采用何种方案要综合考虑，力求改进简单易行，改进费用低。

参考文献

[1]张林.超长控制电缆线间分布电容电流引起的故障及解决办法[J].起重运输机械，2008(7).

[2]王学仁.电缆线间电容对远程控制的影响[J].哈尔滨科学技术大学学报，1995,19(5).