控制電纜感應(yīng)電的產(chǎn)生原理及其故障排除

李軍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電建三公司，山西 太原 030006）

控制電纜感應(yīng)電的產(chǎn)生原理及其故障排除

李軍

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西省電建三公司，山西 太原 030006）

通過對(duì)控制電纜內(nèi)指定線芯施加交流電壓，測(cè)量其他線芯感應(yīng)電壓的方法，研究了控制電纜內(nèi)部線芯感應(yīng)電壓的大小與分布情況。發(fā)現(xiàn)除正常的屏蔽層接地外，將電纜備用線芯接地也能很好地抑制感應(yīng)電。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明線芯的感應(yīng)電壓與其距離帶電線芯的遠(yuǎn)近有關(guān)，將電纜內(nèi)相互遠(yuǎn)離的線芯做為控制合跳閘的公共端與指令線，可以減小感應(yīng)電對(duì)交流控制的影響。對(duì)于隔離變做為控制電源的電路，若存在感應(yīng)電故障，只有將電纜的屏蔽層接在隔離變次級(jí)繞組“N”上，才能有效抑制感應(yīng)電，同時(shí)應(yīng)解除電纜屏蔽接地，不得使隔離變次級(jí)繞組回路有接地點(diǎn)。

交流電壓；電纜；感應(yīng)電壓

1 交流控制中電纜感應(yīng)電產(chǎn)生原理

通電導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，根據(jù)右手螺旋定則，可以確定磁場(chǎng)的方向，如果這個(gè)磁場(chǎng)是變化的，那么在這個(gè)磁場(chǎng)中將激發(fā)出與磁場(chǎng)方向相垂直的渦旋電場(chǎng)。以圖1為例，導(dǎo)線a為通電直導(dǎo)線，導(dǎo)線b為緊挨導(dǎo)線a放置的一段開路直導(dǎo)線。在導(dǎo)線a中通入方向向上的直電流，根據(jù)右手螺旋定則，在導(dǎo)線a周圍將產(chǎn)生一個(gè)以它為軸的逆時(shí)針方向的環(huán)形磁場(chǎng)(從上往下看)。使導(dǎo)線a電流逐漸增大，在隨之增強(qiáng)的磁場(chǎng)中會(huì)激發(fā)出渦旋電場(chǎng)，取圖的左側(cè)，導(dǎo)線a磁場(chǎng)的剖面來分析此處渦旋電場(chǎng)的方向。此處導(dǎo)線a的磁場(chǎng)方向是由內(nèi)指向外，并逐漸增強(qiáng)，根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙產(chǎn)生此感應(yīng)電流的原磁通量的變化，此時(shí)渦旋電場(chǎng)只有產(chǎn)生一個(gè)方向?yàn)橛赏庵赶騼?nèi)的磁場(chǎng)才能阻礙導(dǎo)線a磁場(chǎng)的增強(qiáng)，根據(jù)右手螺旋定則，就能判斷出此處渦旋電場(chǎng)中位移電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針，也就是說此處渦旋電場(chǎng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針（位移電流不產(chǎn)生熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，但它可以引起變化的磁場(chǎng)，并可存在于真空中）。處在渦旋電場(chǎng)中的導(dǎo)線b中的自由電子在此處電場(chǎng)力的作用下沿電場(chǎng)力的反方向移動(dòng)，致使導(dǎo)線b的上端聚集了負(fù)電荷，下端聚集了正電荷。這時(shí)可以把導(dǎo)線b看作是一個(gè)電源，電源電動(dòng)勢(shì)的方向在其內(nèi)部規(guī)定為負(fù)極指向正極，也就是說導(dǎo)線b此時(shí)的感生電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛缮现赶蛳?，與導(dǎo)線a的電流方向相反。

圖1 通電導(dǎo)線磁場(chǎng)

當(dāng)通電導(dǎo)線a的電流方向不變，電流逐漸減小時(shí)，它的磁場(chǎng)也隨之減弱，渦旋電場(chǎng)的方向只有逆時(shí)針時(shí)才能產(chǎn)生一個(gè)方向?yàn)橛蓛?nèi)指向外的磁場(chǎng)來阻礙導(dǎo)線a磁場(chǎng)的減弱，這時(shí)導(dǎo)線b的感生電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛上轮赶蛏?，與導(dǎo)線a的電流方向相同。同理，當(dāng)導(dǎo)線a通入方向向下且電流逐漸增強(qiáng)的直流電時(shí)，圖1左側(cè)導(dǎo)線a的磁場(chǎng)方向變?yōu)橛赏庵赶騼?nèi)，渦旋電場(chǎng)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，導(dǎo)線b的感生電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛上轮赶蛏希c此時(shí)導(dǎo)線a的電流方向相反。當(dāng)導(dǎo)線a通入方向向下且電流逐漸減小的直流電時(shí)，渦旋電場(chǎng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針，導(dǎo)線b的感生電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)橛缮现赶蛳?，與導(dǎo)線a此時(shí)的電流方向相同。由此可知，當(dāng)導(dǎo)線a通入正弦交流電時(shí)，導(dǎo)線b的感生電動(dòng)勢(shì)相位滯后于導(dǎo)線a電流相位π/2。

2 交流控制中電纜感應(yīng)電的抑制和消除方法

2.1 屏蔽接地，擇芯選取

分別對(duì)具有線芯獨(dú)立屏蔽層的電纜和只有整體屏蔽層的電纜進(jìn)行感應(yīng)電測(cè)量比較（實(shí)驗(yàn)電源為市電，被測(cè)線芯開路）。

經(jīng)實(shí)測(cè)，一根長(zhǎng)度為75m，規(guī)格為19×2.5的獨(dú)立屏蔽控制電纜（其每2芯包有1層屏蔽，共9對(duì)，另外有根單芯，電纜外層有1層鋼鎧）。對(duì)其中一根線芯對(duì)地施加230 V交流電壓，在所有屏蔽層及鋼鎧不接地的情況下，與這一加電線芯同處一屏蔽層內(nèi)的線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為170 V,電纜其他獨(dú)立屏蔽層內(nèi)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為160 V。將屏蔽接地后，與加電線芯同處一屏蔽層內(nèi)的線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為40 V,電纜其他獨(dú)立屏蔽層內(nèi)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為0 V。屏蔽層接地有效地消除了屏蔽層內(nèi)線芯對(duì)屏蔽層外帶電線芯的電磁感應(yīng)。

對(duì)另一根22m長(zhǎng)，規(guī)格為12×1.5的整體屏蔽控制電纜（僅有外層屏蔽）進(jìn)行測(cè)試。分別在屏蔽層不接地和屏蔽層接地的情況下，對(duì)電纜內(nèi)圈和外圈某一線芯對(duì)地施加230V電壓（圖2中加粗線芯為加電線芯），其他線芯的對(duì)地感應(yīng)電壓詳見圖2a和圖2b。

圖2 屏蔽層感應(yīng)電壓

對(duì)比圖2a和圖2b的左右兩側(cè)，可以看出屏蔽層的感應(yīng)電對(duì)線芯的感應(yīng)電壓有很強(qiáng)的疊加效應(yīng)，也再一次證明了控制電纜屏蔽層接地的必要性。而且同一屏蔽層內(nèi)的線芯對(duì)地感應(yīng)電壓也隨著距離通電線芯的遠(yuǎn)近而有所不同，離得最遠(yuǎn)的感應(yīng)電壓最小，特別是在屏蔽層接地的情況下差別尤其明顯，在圖2b右側(cè)可以看出離帶電線芯最近和最遠(yuǎn)的線芯感應(yīng)電壓相差53 V。如果選擇這種電纜做為控制電纜，只有根據(jù)功能合理的選擇線芯，才能在最大程度上減少感應(yīng)電對(duì)控制電路的影響。

以上實(shí)驗(yàn)獲得的線芯對(duì)地感應(yīng)電壓是在線芯開路的情況下測(cè)得的。如果電纜較短，受電磁感應(yīng)的線芯接上負(fù)載后其感應(yīng)電壓會(huì)降得很低，但如果電纜較長(zhǎng)（一二百米以上），其感應(yīng)電容量也會(huì)增加，甚至可以啟動(dòng)小功率繼電器。所以在選擇控制電纜時(shí)應(yīng)盡量選擇具有獨(dú)立屏蔽的電纜，在接線時(shí)不要將同一獨(dú)立屏蔽內(nèi)的線芯做為控制合、跳閘的公共線和指令線，以免干擾。如果選擇整體屏蔽的控制電纜，即使屏蔽接地，其線芯仍有較高的感應(yīng)電壓（詳見圖2a和圖2b），由圖2b可以看出電纜內(nèi)離帶電線芯最遠(yuǎn)的線芯感應(yīng)電壓最小，可以選擇相互遠(yuǎn)離的3根線芯做為控制合、跳閘的公共端和指令線。當(dāng)然實(shí)際中1根電纜可能不止有1根線芯常帶電，我們?cè)谔幚砀袘?yīng)電故障時(shí)，可以通過實(shí)測(cè)來挑選感應(yīng)電壓最低的線芯來替換引起故障的感應(yīng)電壓高的線芯。

2.2 備用線芯接地，抑制感應(yīng)電

同一屏蔽層內(nèi)任一線芯的感應(yīng)電對(duì)其他線芯的感應(yīng)電壓也都有一定的疊加效果，仍用12×1.5的整體屏蔽控制電纜進(jìn)行測(cè)試。以1號(hào)線芯為測(cè)量對(duì)象，把8號(hào)線芯對(duì)地加230 V電壓（1號(hào)線芯為內(nèi)圈線芯，8號(hào)線芯為與1號(hào)線芯相鄰的外圈線芯），其余線芯連同屏蔽層一同接地，此時(shí)測(cè)得1號(hào)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為14 V，然后按照線芯編號(hào)順序依次解除接地，觀察1號(hào)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓的變化，測(cè)量結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)證明，電纜中每一線芯的感應(yīng)電對(duì)其他線芯都有疊加效果。而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在屏蔽層未接地的情況下，電纜里如果有一根線芯接地，對(duì)整個(gè)電纜線芯的感應(yīng)電也有很強(qiáng)的抑制作用。把表1的后2組數(shù)據(jù)換一下實(shí)驗(yàn)順序，使屏蔽層先于12號(hào)線芯解除接地，此時(shí)1號(hào)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓為102 V，再將12號(hào)線芯解除接地后1號(hào)線芯的對(duì)地感應(yīng)電壓上升到了177 V,也就是說12號(hào)線芯對(duì)1號(hào)線芯感應(yīng)電壓的抑制作用達(dá)到了75 V,換其他線芯實(shí)驗(yàn)也是相同的結(jié)果。對(duì)于整體屏蔽的控制電纜，其內(nèi)部線芯的感應(yīng)電是無法徹底消除的，將備用芯接地有助于其他線芯感應(yīng)電壓的降低。

表1 1號(hào)線芯對(duì)地感應(yīng)電壓變化

2.3 隔離繼電器

選擇功率稍大的繼電器做為保護(hù)控制裝置的隔離繼電器。

2.4 控制電纜屏蔽接于隔離變壓器副繞組N極

對(duì)于控制電源采用隔離變壓器的控制回路，控制電纜屏蔽層接地是不能削弱其線芯感應(yīng)電壓的，這是因?yàn)楦綦x變的次級(jí)繞組與“大地”是隔離的，不存在電位關(guān)系。而隔離變所帶的負(fù)載都是以隔離變次級(jí)繞組“N”出線端作為0電位的，只有將電纜屏蔽層連接到隔離變“N”出線端上，使屏蔽層在隔離變負(fù)載回路中電壓為0，才能消除電纜屏蔽層感應(yīng)電對(duì)電纜線芯感應(yīng)電的疊加效應(yīng)。用以下實(shí)驗(yàn)得以證明。

用變比為400/230的隔離變壓器做為實(shí)驗(yàn)變壓器，將其主繞組接入230 V市電，測(cè)得隔離變次級(jí)繞組輸出電壓為136 V。仍使用22m長(zhǎng)，規(guī)格為12×1.5的整體屏蔽控制電纜進(jìn)行測(cè)試，將控制電纜的8號(hào)線芯接在隔離變次級(jí)繞組“L”出線端上，其他線芯均開路。屏蔽層未做接線時(shí)，測(cè)得屏蔽層對(duì)隔離變次級(jí)繞組“N”出線端感應(yīng)電壓為117 V，測(cè)得1號(hào)線芯對(duì)隔離變“N”出線端感應(yīng)電壓為107 V。將電纜的屏蔽層接地后，測(cè)得屏蔽層對(duì)隔離變“N”出線端感應(yīng)電壓為116 V，1號(hào)線芯對(duì)隔離變“N”出線端感應(yīng)電壓仍高達(dá)106 V。將電纜的屏蔽層取消接地，然后將屏蔽層引出線接在隔離變“N”出線端時(shí)，測(cè)得1號(hào)線芯對(duì)隔離變“N”出線端感應(yīng)電壓降為31 V。

需要特別指出的是，隔離變壓器屬于安全電源，由于它的次級(jí)繞組與大地隔離，人單獨(dú)接觸到它的任一條輸出線路都不會(huì)發(fā)生觸電，在處理由隔離變引發(fā)的感應(yīng)電問題時(shí)，應(yīng)將控制電纜的屏蔽層只接于隔離變次級(jí)繞組的“N”上，絕對(duì)不可以再接地，更不能將隔離變次級(jí)繞組接地，否則隔離變將失去它做為安全電源的意義。

3 結(jié)論

總之，對(duì)于線芯獨(dú)立屏蔽的控制電纜，各屏蔽層之間的感應(yīng)電影響可以通過屏蔽接地來消除。但對(duì)于整體屏蔽的控制電纜，由其內(nèi)部帶電線芯所產(chǎn)生的感應(yīng)電影響是不可能完全消除的，除了屏蔽層接地外，將備用線芯接地以及通過實(shí)測(cè)選取感應(yīng)電壓最低的線芯作為合跳閘的指令線，也能很好地減小感應(yīng)電對(duì)控制的影響。

Generation Principle and Trouble Removal of Induced Voltage in Control Cable

LI Jun
（ShanxiNo.3 Electric Power Construction Company of China Energy Engineering Group，Taiyuan，Shanxi 030006，China）

The induced voltage of control cable core and its distribution are studied by applying AC voltage on the core.Besides shielding layergrounding，itis found thatinduced voltage can beeffectively suppressed with stand-by coresgrounding.Itisalso found that the induced voltage ofcore is related to the distance of the charged core.Conducting the cores thatare faraway from each otheras common terminals and command lines to control tripping could reduce the influence of induced voltage on AC control.When isolation transformer acts as control power，if induced voltage faultoccurs，induced voltage can be suppressed only when the shielding layer is connected to secondarywinding“N”of isolation transformer,andmeanwhile rendering the shielding layer notgrounding so as to avoid the secondary winding circuithavinggrounding points.

AC voltage；cable；induced voltage

TM15

B

1671-（0320）（2015）05-0048-03

2015-05-26，

2015-06-14

李 軍（1997），男，山西太原人，1996年畢業(yè)于臨汾電力技工學(xué)校鍋爐安裝工業(yè)，2002年畢業(yè)于臨汾師范大學(xué)成人教育學(xué)院電子計(jì)算機(jī)科學(xué)教育專業(yè)，助理工程師，從事電氣調(diào)試工作。