電纜分布電容與繼電器誤動(dòng)作

周一鳴 上海工程化學(xué)設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200235

電纜分布電容與繼電器誤動(dòng)作

周一鳴*上海工程化學(xué)設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200235

通過(guò)工程項(xiàng)目建設(shè)實(shí)例說(shuō)明交流電對(duì)信號(hào)電纜所產(chǎn)生的分布電容會(huì)引起信號(hào)繼電器誤動(dòng)作。分析分布電容計(jì)算的公式，闡述分布電容與電纜材料、長(zhǎng)度等的關(guān)系，通過(guò)實(shí)例計(jì)算信號(hào)繼電器的技術(shù)規(guī)格，給出抗分布電容的方案。最后介紹實(shí)際使用情況與思考意見(jiàn)。

交流供電信號(hào)電纜分布電容信號(hào)繼電器

1 問(wèn)題的產(chǎn)生

2001 年上海某新建250 kt/a聚丙烯(PE)裝置，在試車時(shí)發(fā)生繼電器柜內(nèi)許多信號(hào)輸入繼電器誤動(dòng)作，即現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，繼電器仍處于接通的狀態(tài)，輸出接點(diǎn)未完全斷開(kāi)。正常情況下，當(dāng)繼電器線圈勵(lì)磁輸出觸點(diǎn)閉合時(shí)，繼電器接通信號(hào)指示燈應(yīng)發(fā)出紅色指示，而當(dāng)時(shí)所有誤動(dòng)作的繼電器都處于暗紅色，并持續(xù)發(fā)出觸點(diǎn)連續(xù)動(dòng)作的嗡嗡聲。經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查，最終確定是由儀表信號(hào)電纜分布電容的持續(xù)充放電造成繼電器的誤動(dòng)作。

在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)遇到兩個(gè)較特殊的情況:①現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室控制系統(tǒng)機(jī)柜相距離達(dá)300m以上;②該項(xiàng)目開(kāi)關(guān)量信號(hào)多而雜(部分信號(hào)來(lái)自成套設(shè)備與電氣配電柜等)，而且很多信號(hào)要參與安全連鎖控制。為了安全與可靠，確定在控制系統(tǒng)I/O卡與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間增加中間繼電器，并且采用220 V交流對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表(或觸點(diǎn)開(kāi)關(guān))供電，導(dǎo)線采用線芯截面較大的1.5 mm2。控制系統(tǒng)的輸入回路見(jiàn)圖1。

共計(jì)配置196個(gè)輸入信號(hào)繼電器，全部采用OMRON公司型號(hào)為MY2N的小型信號(hào)繼電器。

2 分布電容的定義與計(jì)算

導(dǎo)線的分布電容是指在交流電路中絕緣隔離并行的導(dǎo)線與導(dǎo)線之間形成一種電容形態(tài)的分布參數(shù)，如圖1中C分所示。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，C分基本處于短路，不起作用;而當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，它就如同在繼電器輸入回路中并接一個(gè)C分電容，其電容量與導(dǎo)線的長(zhǎng)度、材質(zhì)、截面積、絕緣材料的材質(zhì)與絕緣體厚度等因素有關(guān)。這種電容雖然很小，但由于它的存在，就可能影響電路中靈敏元器件。

圖1 輸入信號(hào)繼電器接線原理圖

在交流電路中，電流的方向是隨時(shí)間成一定的函數(shù)關(guān)系變化的，電容器充放電的過(guò)程也隨時(shí)間變化，在電容器極板間形成變化的電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)也隨時(shí)間不斷地變化。實(shí)際上，電流是通過(guò)場(chǎng)的形式在電容器間通過(guò)的，所以電容器在電路中能起到的隔直通交的作用。而當(dāng)通過(guò)電容器的電流足以使繼電器線圈勵(lì)磁，就會(huì)使繼電器輸出觸點(diǎn)保持在接通狀態(tài)。

目前我國(guó)對(duì)儀表電纜還缺少詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定，在《計(jì)算機(jī)與儀表電纜》TICW/06－2009［1］對(duì)電纜電氣特性規(guī)定中，僅要求各種截面積(0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2、2.5 mm2)PVC絕緣電纜的工作電容為250 pF/m。而不少企業(yè)按英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5308［2］制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在BS 5308中，對(duì)導(dǎo)線截面0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2的多芯或多對(duì)儀表電纜最大分布電容分別規(guī)定為75～115 pF/ m。國(guó)產(chǎn)電纜基本都能達(dá)到該項(xiàng)指標(biāo)要求，天津安琪爾電纜廠的DCS系統(tǒng)用電纜，還特別要求同樣規(guī)格的電纜其分布電容要小于60 pF/m。

電纜分布電容的計(jì)算公式有多種描述形式，在《通信電纜》［3］中，多對(duì)電纜的分布電容的計(jì)算公式為:

式中，C為分布電容，F(xiàn)/km;λ為總的絞合系數(shù)(在絞對(duì)電纜中，電纜單線的實(shí)際長(zhǎng)度L與線芯或單線圍繞絞線轉(zhuǎn)一圈的軸向長(zhǎng)度h之比稱為絞合系數(shù)，即:λ=L/h。對(duì)于儀表電纜:λ≈1.02～1.04);εr為組合絕緣介質(zhì)的等效相對(duì)介電常數(shù); a為回路兩導(dǎo)線中心距離，mm;d為導(dǎo)電線芯直徑，mm;ψ為修正系數(shù)(指接地金屬屏蔽和鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生影響而設(shè)置的系數(shù)，對(duì)于屏蔽對(duì)線組:Ψ≈0.6;對(duì)于無(wú)屏蔽對(duì)線組:Ψ≈0.94)。

以儀表專業(yè)常用的KVV 2×1.5 mm2信號(hào)電纜為例，λ≈1、聚氯乙烯絕緣材料εr≈5、a≈3 mm、d=1.38 mm、Ψ≈0.94，經(jīng)計(jì)算信號(hào)電纜的分布電容為0.1005 μF/km。當(dāng)然，分布電容的理論計(jì)算值與實(shí)際數(shù)值可能會(huì)有較大的差別，所以計(jì)算值僅作參考，實(shí)際線路設(shè)計(jì)應(yīng)留有足夠的余量，即適當(dāng)放大分布電容數(shù)值。

從公式還可以看出，分布電容計(jì)算值與導(dǎo)電線芯的直徑、線間距離和絕緣介質(zhì)有關(guān)。增大導(dǎo)電線芯直徑，就相當(dāng)于增大電容器極板面積，所以電容量就增加;導(dǎo)電線芯間距的增加，則相當(dāng)于電容器極板間距加大，顯然電容就減少;而絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)影響更大，其數(shù)值越大，分布電容也越大。常用的電纜絕緣材料各自介電常數(shù)聚乙烯為2.3、聚氯乙烯為4～6、橡膠為3～5、電纜紙為2～2.5。

3 抗分布電容的方案

OMRON公司MY2N繼電器的產(chǎn)品指導(dǎo)說(shuō)明中明確指出:“當(dāng)電源出發(fā)的配線距離較長(zhǎng)時(shí)，繼電器兩端會(huì)由于電線的雜散電容(即分布電容)產(chǎn)生電壓，造成復(fù)位不良。在這樣的情況下，請(qǐng)?jiān)诰€圈兩端連接泄放電阻”，并給出配置泄放電阻的參考值，見(jiàn)表1。

該公司繼電器產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格中也明確表明，在交流220V 50Hz下，繼電器線圈電阻為18790 Ω、額定電流為4.8～5.3 mA?？梢钥闯鐾扑]的泄放電阻阻值與線圈電阻阻值相差很大，這就使電容放電電流大部分流過(guò)泄放電阻，而流過(guò)線圈的電流足夠小，達(dá)不到線圈吸合電流值，保證避免誤勵(lì)磁的要求。

表1 在200/220VAC中的泄放電阻

另外，電氣專業(yè)的接觸器控制線路中，發(fā)現(xiàn)在ABB的接觸器線圈保護(hù)線路中都在接觸器線圈兩端并接泄放電阻R并上再串接一個(gè)電容C并，更能有效保證將線路中由分布電容引起的電流分流掉。

所以，在該裝置試車階段就采用抗分布電容方案，見(jiàn)圖2。

圖2 抗分布電容方案圖

對(duì)輸入信號(hào)繼電器柜中196個(gè)繼電器進(jìn)行線路整改，直接將兩個(gè)元件串聯(lián)、然后并接在繼電器的輸入端(即勵(lì)磁線圈兩端)，其中各元件參數(shù)分別為R并=2 kΩ、C并=0.47 μF。該裝置已連續(xù)運(yùn)行近10年，各器件工作都正常，解決了電纜分布電容對(duì)繼電器誤動(dòng)作的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)OMRON公司的直流24V繼電器產(chǎn)品規(guī)格書中說(shuō)明，其線圈電阻為650 Ω。在英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5308中對(duì)儀表電纜截面為0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2分別規(guī)定其最大導(dǎo)體阻抗應(yīng)小于36.8、18.4、12.3 Ω/km，國(guó)產(chǎn)電纜基本都能達(dá)到這個(gè)指標(biāo)。這樣若采用普通2×1.5 mm2儀表電纜，長(zhǎng)度在300 m以下的繼電器信號(hào)回路的電纜電阻應(yīng)小于10 Ω，其數(shù)值遠(yuǎn)低于繼電器線圈電阻，線路壓降一般不會(huì)影響24VDC繼電器的正常工作，而采用直流回路就不存在線路分布電容的問(wèn)題。所以筆者認(rèn)為在信號(hào)輸入回路設(shè)計(jì)中應(yīng)慎用交流供電與交流繼電器，從而完全避免電纜分布電容對(duì)信號(hào)繼電器的影響。

(2)在過(guò)程控制領(lǐng)域，電纜的分布電容主要出現(xiàn)在長(zhǎng)距離、粗導(dǎo)線、交流供電的信號(hào)控制回路，尤其會(huì)在一些成套設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)控制盤與電氣控制盤之間信號(hào)傳輸中采用，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分注意電纜抗分布電容設(shè)計(jì)的采用，所采用元器件的參數(shù)(包括功率等)都應(yīng)反復(fù)試驗(yàn)，保證信號(hào)控制回路連續(xù)與正常運(yùn)行。

1 TICW/06－2009，國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心技術(shù)規(guī)范．計(jì)算機(jī)與儀表電纜〔S〕．

2 Instrumentation Cables Part1．Specification for polyethylene insulated cables BS 5308〔S〕．1986．

3 鄭玉東．通信電纜〔M〕．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

By practical engineering examples，explain that the distributed capacity produced by AC current on signal cables can cause the signal relays maloperation．Analyze the calculating formulas for distributed capacity．Elaborate the relationship of the distributed capacity with the cable materials and length．Give the anti-distributed capacity programme based on the practical calculating examples and the singnal relay specifications．At last introduce the practical applications and the comments to consideration．

Relationship between Cable Distributed Capacity and Relay Maloperation

Zhou Yiming
(ShanghaiChem Engineering Incorporation，Shanghai 200235)

AC power-supplysignal cabledistributed capacity signal relayanti-distributed capacity programme

*周一鳴:高級(jí)工程師，副總工程師。1980年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化工自動(dòng)化專業(yè)，一直從事化工自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話: (021)64365961，E－mail:zhouym@scei.com.cn。

2011－08－04)