控制電纜產(chǎn)生分布電容的分析及處理

張宓，張憲發(fā)，都優(yōu)

(大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714)

控制電纜產(chǎn)生分布電容的分析及處理

張宓，張憲發(fā)，都優(yōu)

(大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714)

針對工程設(shè)計中遇到的控制電纜長距離傳輸所產(chǎn)生的分布電容，從原理上就分布電容對回路信號的影響及其減弱途徑進行了探討，找到問題產(chǎn)生的具體原因，借助電路原理、公式估算，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，給出了具體的解決方案。通過工程實踐驗證： 所采用的方法能夠有效消除控制電纜長距離傳輸所產(chǎn)生分布電容的影響，具有較強的實用性。

長距離 控制電纜 分布電容 感應(yīng)電壓

工程設(shè)計中電機的遠(yuǎn)程控制和聯(lián)鎖信號，在現(xiàn)場機柜間(FRR)與馬達(dá)控制中心(MCC)間傳輸，為了節(jié)省投資和方便管理，工程應(yīng)用通常采用多芯屏蔽控制電纜作為信號傳輸?shù)拿浇?，這樣既安全方便又能有效地減少外部干擾[1]。由于導(dǎo)線在平行敷設(shè)過程中會產(chǎn)生分布電容，一旦分布電容的正端帶電就會導(dǎo)致其他回路得到感應(yīng)電壓，從而對回路的控制造成影響。

本文針對長距離控制電纜產(chǎn)生的分布電容進行分析，并根據(jù)計算及實際經(jīng)驗提出處理方法。

1 分布電容的分析

當(dāng)2個導(dǎo)體帶等量異種電荷，兩導(dǎo)體間存在電壓時，導(dǎo)體間會產(chǎn)生電容C，對于極板式電容器，該電容計算公式為

(1)

式中：ε——兩導(dǎo)體間絕緣物的介電常數(shù)；S——極板面積；D——極板間距離。

在多芯電纜中如果把2根導(dǎo)線看成2個極板，那么這2根導(dǎo)線之間就形成了電容，該電容為雜散電容，即為分布電容。多芯電纜形成的分布電容等效為極板間電容的模型如圖1所示。

圖1 多芯電纜形成的分布電容模型

1) 單相兩線制電纜線芯間的分布電容可以采用式(2)進行估算[2]：

(2)

式中：C0——線芯間分布電容，μF；D0——線芯間距，mm；r——導(dǎo)線半徑，mm；l——傳輸距離，km。

2) 對于多芯電纜產(chǎn)生在其中某個線芯上的分布電容可以采用式(3)進行估算：

(3)

式中：C1——某線芯上作用的分布電容，μF；D1——線芯平均間距，mm；n——多芯電纜芯數(shù)。

2 分布電容的影響

一般情況下，傳輸信號為交流220V和50Hz，且傳輸距離小于200m時，線路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較小，不會導(dǎo)致回路中的電氣元件誤動作。但當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時，回路導(dǎo)線之間產(chǎn)生的分布電容將變大，從而作用在其他回路上的感應(yīng)電壓也增大，就會導(dǎo)致電氣元件的誤動作[3-6]。

以某工程項目為例，其FRR到MCC之間的信號傳輸采用24芯屏蔽控制電纜，多個電機的啟動和停止信號導(dǎo)線在同1根多芯電纜中，敷設(shè)距離在700m左右，2個電機的控制原理如圖2所示。

圖2 2個電機的控制原理示意

當(dāng)在FRR端電機A的啟動信號ST-A閉合時，KM-A帶電吸合，電機A啟動。這時由于帶電信號電纜與B電機啟動信號電纜零線側(cè)之間分布電容的存在，且該分布電容足夠大，導(dǎo)致KM-B兩側(cè)的感應(yīng)電壓達(dá)到了110V以上，使得在ST-B沒有閉合的情況下KM-B帶電吸合，電機B誤啟動。該過程的簡化等效電路如圖3所示[7]。

圖3 分布電容產(chǎn)生影響的等效電路示意

其中線路產(chǎn)生的分布電容為C1，其兩端電壓為U1，線圈KM-B的電阻為R，傳輸電纜的電阻相對較小，忽略不計。由此可以看出由于C1的存在，導(dǎo)致KM-B兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓U2，當(dāng)U2大于其釋放電壓時，接觸器將一直處于吸合狀態(tài)，電機B便會跟著啟動并無法停車[8]。分析可得U2的大小與流經(jīng)的電流成正比，而電流的大小和C1有關(guān)，C1越大電流越大。因此，可以得到接觸器兩端感應(yīng)電壓的大小和信號傳輸電纜產(chǎn)生的分布電容有關(guān)，分布電容越大，感應(yīng)電壓就越大，從而更容易導(dǎo)致系統(tǒng)誤動作。

3 分布電容的處理

3.1分布電容的影響因素

分布電容的影響因素很多，其中主要的因素有：

1) 信號傳輸電纜的長度。電纜越長分布電容越大[9]。

2) 信號傳輸電纜的實際使用芯數(shù)。芯數(shù)越多，分布電容越大。

3) 信號傳輸電纜的絕緣形式。不同絕緣物的介電常數(shù)不同，從而導(dǎo)致分布電容不同。

4) 信號傳輸電纜的屏蔽形式。分屏電纜小于非分屏電纜。

5) 信號傳輸電纜的結(jié)構(gòu)形式。對絞電纜小于非對絞電纜。

3.2分布電容的降低方法

可以根據(jù)實際影響因素盡量減小分布電容，但分布電容總是存在的，無法避免?；谝陨弦蛩乜梢詮囊韵聨讉€途徑來減小分布電容的影響：

1) 減小控制電纜的長度。

2) 選用阻抗小的接觸器。

3) 選用釋放電壓高的接觸器。

4) 盡量采用兩芯電纜及帶分屏電纜。

5) 在接觸器線圈兩端并聯(lián)1個電阻來減少接觸器線圈兩端的感應(yīng)電壓。

6) 在接觸器線圈兩端并聯(lián)1個電容來減少接觸器線圈兩端的感應(yīng)電壓。

在超過500m的長距離信號傳輸過程中，方法2)、方法3)和方法4)已經(jīng)無法有效控制分布電容產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。方法5)需要選擇1個阻值較小的電阻，但是在電阻上流經(jīng)的電流較大，電阻容易損壞。因此，當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時最好選擇方法6)，采用額定電壓較高的電容與接觸器線圈并聯(lián)，從而降低感應(yīng)電壓。

對于上面的工程實例，在接觸器KM-B兩端并聯(lián)1個電容C2，使得接觸器KM-B兩端的U2小于其釋放電壓U0，從而避免了電機的誤動作，并聯(lián)電容后其等效電路如圖4所示。

圖4 并聯(lián)電容的等效電路

4 并聯(lián)電容值的確定

確定C2電容值大小的第1個條件是接觸器兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小于接觸器的釋放電壓，即U2

根據(jù)串聯(lián)電容分壓原理得到：

(4)

式中：U——系統(tǒng)電壓。

根據(jù)U2

(5)

該工程實例中，首先根據(jù)式(3)可以估算得到C1≈0.22μF；D1取電纜外徑的25%，這里取值為6.7mm；l為0.7km；r為0.9cm；n為24。所選接觸器的釋放電壓U0為90V，U為220V，由此可以得出C2>0.32μF。

但是C2值越大，其所在電阻電容(RC)回路的反向放電延遲時間越長，導(dǎo)致電機從啟動到停止時，因為延遲時間過長而無法立即停止的現(xiàn)象。根據(jù)電路原理：U2(t)=Ue(-t/τ),其中τ=RC2為時間常數(shù)[10]。經(jīng)過τ后，U2=(U/e)=80.9V，則得到U2

綜上所述得到并聯(lián)電容C2的范圍： 0.32μF

5 結(jié)束語

通過對控制電纜分布電容產(chǎn)生原因的分析，結(jié)合相關(guān)的電氣控制理論知識得出多芯控制電纜分布電容的估算公式，以實際工程項目為例分析了長距離傳輸?shù)目刂齐娎|分布電容對于控制回路的影響，并給出了消除分布電容影響的多種方法。最后根據(jù)計算及理論分析，給出了消除長距離傳輸控制電纜分布電容的具體方案，對實際的工程設(shè)計具有重大的指導(dǎo)意義。

[1] 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(shù)與應(yīng)用,2010,28(09)： 120-122.

[2] 張新聞.長距離電纜內(nèi)導(dǎo)線間分布電容的影響及處理[J].湖南電力,1999(06)： 21-22.

[3] 馬士俊.分布電容對遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的影響及其改善方法探討[J].電力電子,2009,28(03)： 64-68.

[4] 李俊威.石化工程中控制電纜分布電容對電氣設(shè)備的影響[J].電氣時代，2016(07)： 41-43.

[5] 何琳琳.長距離電纜內(nèi)分布電容對控制回路的影響分析與處理[J].有線電視技術(shù),2014(09)： 112-114

[6] 郎金鐘.分布電容對控制回路的影響[J].氯堿工業(yè),2011,47(04)： 6-7.

[7] 方大千.電工計算應(yīng)用280例[M].南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2008： 21-22.

[8] 黃仲戒.長距離控制電纜對受控接觸器動作的影響[J].上海鐵道科技,2002(01)： 22-23.

[9] 周一鳴.電纜分布電容與繼電器誤動作[J].化工設(shè)計,2011,21(06)： 20-21.

[10] 劉得慧.淺談RC電路的時間常數(shù)[J].甘肅廣播電視大學(xué)學(xué)報，1994(04)： 56-59.

TM246+.5

B

1007-7324(2017)05-0067-03

稿件收到日期： 2017-05-19，修改稿收到日期2017-07-24。

張宓(1981—)，男，黑龍江大慶人，獲工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于大慶石化工程有限公司，主要從事自動控制設(shè)計工作，任工程師。