電纜分布電容引起空交機(jī)控制回路故障的原因分析與處理

齊向前

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司江蘇分公司，南京 210042)

電纜分布電容引起空交機(jī)控制回路故障的原因分析與處理

齊向前

(中國建材國際工程集團(tuán)有限公司江蘇分公司，南京 210042)

該文通過空交機(jī)控制回路調(diào)試中出現(xiàn)誤動作的工程實(shí)例，介紹了控制電纜分布電容對繼電器的影響，并分析了問題原因，提出了解決方法。

空交機(jī)； 控制電纜； 分布電容； 交流接觸器； 感應(yīng)電壓

眾所周知，空氣交換器(簡稱空交機(jī))是玻璃工廠熔窯的關(guān)鍵設(shè)備，它承擔(dān)著燃燒后的廢氣排出與新鮮助燃空氣輸入的切換工作。該設(shè)備能否安全可靠運(yùn)行直接關(guān)系到整條玻璃生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)。為此，空交機(jī)的控制部分設(shè)計(jì)有手動、自動、半自動三種控制方式。現(xiàn)在熔化量噸位大的玻璃熔窯均安裝兩臺獨(dú)立的空交機(jī)。下面以一臺南空交機(jī)手動控制方式為例加以說明。電氣控制原理如圖1所示，圖中自動與半自動控制方式未予畫出。

控制原理圖1中，LK11和LK12分別為空交機(jī)主令開關(guān)接點(diǎn)，它們的斷開與接通用來控制南空交機(jī)關(guān)風(fēng)或進(jìn)風(fēng)的動作方向；LS11和LS12為空交機(jī)閘板南北方向的行程限位開關(guān)，作為主令開關(guān)的后備保護(hù)，當(dāng)主令開關(guān)失效時(shí)，靠機(jī)械撞塊斷開行程限位；LS13為安全限位開關(guān)，裝設(shè)于空交機(jī)主電機(jī)旁，當(dāng)取出手動搖桿時(shí)，該觸點(diǎn)斷開，以保證現(xiàn)場用搖桿手動升降空交機(jī)閘板時(shí)切斷控制電源，防止人身傷害的發(fā)生；SE1為裝設(shè)于空交機(jī)旁邊的緊急停車按鈕。以上開關(guān)設(shè)備均安裝于現(xiàn)場?？战粰C(jī)通過主電機(jī)的正反轉(zhuǎn)帶動機(jī)械裝置驅(qū)動閘板的上升和下降。KM1和KM2分別為控制空交機(jī)主電機(jī)正反轉(zhuǎn)的交流接觸器。當(dāng)KM1得電時(shí)，南空交機(jī)將由進(jìn)風(fēng)狀態(tài)向關(guān)風(fēng)狀態(tài)切換，空交機(jī)閘板向上提起，當(dāng)閘板提升到既定高度時(shí)，主令開關(guān)接點(diǎn)LK11斷開，切斷KM1的控制回路，KM1失電，主電機(jī)停止運(yùn)行，同時(shí)電磁抱閘抱緊電機(jī)輸出軸，快速停車。此時(shí)，主令開關(guān)LK12觸點(diǎn)接通，為空交機(jī)由關(guān)風(fēng)狀態(tài)向進(jìn)風(fēng)狀態(tài)切換做好準(zhǔn)備。由關(guān)風(fēng)狀態(tài)向進(jìn)風(fēng)狀態(tài)的切換過程與由進(jìn)風(fēng)狀態(tài)向關(guān)風(fēng)狀態(tài)的切換原理相同。

1 故障現(xiàn)象

在我公司總承包的中玻(朝陽)新材料有限公司年產(chǎn)3 500萬m2新型節(jié)能環(huán)保材料項(xiàng)目中，空交機(jī)控制回路的調(diào)試時(shí)，曾出現(xiàn)過這樣一種現(xiàn)象：空交機(jī)初始處于南進(jìn)風(fēng)狀態(tài)，主令開關(guān)LK11接通，LK12斷開，南北行程限位開關(guān)LS11和LS12、安全限位開關(guān)LS13及急停按鈕SE1均處于接通狀態(tài)。當(dāng)在中央控制室空交機(jī)換向控制柜面板上，將操作方式旋鈕切換到手動時(shí)，相線L1得電。切換動作方向手動旋鈕SA1到南關(guān)風(fēng)位置時(shí)，交流接觸器KM1得電(如果此時(shí)空交機(jī)主電源回路已送電，則空交機(jī)將向南關(guān)風(fēng)狀態(tài)切換)。因?yàn)榭战粰C(jī)為玻璃熔窯核心設(shè)備，因此必須要保證主令開關(guān)、限位開關(guān)、安全開關(guān)及急停按鈕均應(yīng)能起到相應(yīng)的控制與保護(hù)作用。然而，當(dāng)我們在現(xiàn)場按下緊急停車按鈕SE1時(shí)，交流接觸器KM1卻并沒有斷電，依然吸合不能脫開。經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不管是斷開LS11限位開關(guān)，還是斷開LS13或LK11也同樣不能使KM1斷電釋放。只有轉(zhuǎn)動動作方向手動旋鈕SA1，斷開交流接觸器KM1的控制電源相線L1方可使其斷電。即只要是向南關(guān)風(fēng)狀態(tài)切換的交流接觸器KM1得電吸合后，現(xiàn)場的所有開關(guān)點(diǎn)均無法使其斷電。同樣，當(dāng)南空交機(jī)由關(guān)風(fēng)狀態(tài)向進(jìn)風(fēng)狀態(tài)切換時(shí)，交流接觸器KM2的故障現(xiàn)象與KM1完全相同。

2 檢查與分析

空交機(jī)控制回路誤動作的狀況如不徹底解決，將會造成重大安全生產(chǎn)事故。因?yàn)槿绻刂瓶战粰C(jī)主電機(jī)的交流接觸器KM1或KM2不受主令開關(guān)、限位開關(guān)或急停的控制，不僅會造成空交機(jī)本身將被重達(dá)幾噸的閘板撞壞，更有可能會損毀窯爐的空氣煙道，甚至于發(fā)生煤氣爆炸事故。

會是什么原因造成交流接觸器不能正常工作的呢？為此，我們采用逐一排除法來查找故障原因。首先切斷控制柜電源，對照電氣原理圖，一一檢查現(xiàn)場接線與柜內(nèi)控制回路接線。經(jīng)仔細(xì)檢查后，確認(rèn)接線與原理圖相符，而且按該電氣原理圖制作的控制柜在以前的項(xiàng)目應(yīng)用中也沒有發(fā)生過這種現(xiàn)象。

用搖表對每根電纜的絕緣進(jìn)行測試，確認(rèn)電纜絕緣良好，排除因電纜絕緣而造成的泄漏電流的影響。同時(shí)對電源系統(tǒng)的接地電阻也進(jìn)行了測試，接地電阻完全符合要求，控制柜柜體與接地系統(tǒng)連接正常。

所有的現(xiàn)場主令開關(guān)、限位開關(guān)及急停按鈕的控制電纜均選用的是KVVP-2x1.5mm2的屏蔽電纜，屏蔽層與地可靠連接。這些屏蔽電纜雖然與其他動力電纜在同一橋架內(nèi)敷設(shè)，但在調(diào)試空交機(jī)時(shí)，其他回路均未送電，因此可以排除是由其他動力回路感應(yīng)電壓造成的。這是因?yàn)?，其一，屏蔽電纜可以屏蔽掉外部絕大多數(shù)的干擾，其二，感應(yīng)電壓的產(chǎn)生必須是該控制電纜沿線有較強(qiáng)的交變電磁場(即同橋架敷設(shè)的動力電纜中有較大的電流通過)，而同橋架敷設(shè)的電纜均未送電，故不存在感應(yīng)電壓產(chǎn)生源。

關(guān)掉控制電源，在控制柜內(nèi)用萬用表測量現(xiàn)場返回線及屏蔽層對地之間的電壓幾乎為零，接通控制電源，使交流接觸器KM1吸合后，拆下一根現(xiàn)場返回線或屏蔽層與地?cái)嚅_時(shí)再測量其對地電壓，卻發(fā)現(xiàn)此電壓競高達(dá)175 V左右。由此，認(rèn)為造成交流接觸器KM1不能釋放的原因很可能是控制電纜芯線和芯線之間以及芯線與屏蔽層之間的分布電容電流引起的。我們以圖1中的南空交機(jī)關(guān)風(fēng)回路為例，分析分布電容的影響，其等效電路模型如圖2所示。

所謂電纜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)線之間形成的一種電容形態(tài)的分布參數(shù)。電纜分布電容的大小與電纜芯線在空間的相互位置、導(dǎo)線截面的粗細(xì)、電纜絕緣介質(zhì)以及電纜長度有關(guān)。當(dāng)電纜的規(guī)格型號確定后，電纜長度將是決定分布電容大小的關(guān)鍵因素?？刂苹芈吩介L，其控制電纜分布電容的容量就越大。電纜分布電容能起到隔直通交的作用，當(dāng)通過分布電容的電流足以使繼電器線圈勵磁時(shí)，繼電器就會發(fā)生誤動作。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖紙中，空交機(jī)的現(xiàn)場主令開關(guān)、行程限位開關(guān)、安全限位開關(guān)、緊急停車按鈕等控制線均是由兩芯屏蔽電纜通過橋架一一敷設(shè)到中央控室換向控制柜內(nèi)，再在柜內(nèi)的端子排上按照電氣化原理圖串接起來。控制柜到現(xiàn)場接線點(diǎn)的距離超過150 m，這樣，就南空交機(jī)關(guān)風(fēng)控制回路而言，該回路實(shí)際控制電纜長度已超過600 m。如此長距離的控制電纜，芯線與芯線之間以及芯線與屏蔽層之間的分布電容電流對控制回路的影響是不容忽視的。

如圖2分布電容等效電路模型中所示，當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)全部接通時(shí)，通過動作方向手動旋鈕SA1的操作，使空交機(jī)由進(jìn)風(fēng)狀態(tài)向關(guān)風(fēng)狀態(tài)切換時(shí)，交流接觸器KM1吸合。首先，我們分析控制電纜芯線與芯線之間的分布電容C1的影響。當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)接通時(shí)，C1相當(dāng)于短路，此時(shí)它對控制回路不起作用。當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)斷開時(shí)，就如同在交流接觸器KM1的輸入回路中并接上一個(gè)分布電容C1，分布電容電流通過C1與接觸器KM1及N線構(gòu)成通路。如果此分布電容電流值達(dá)到KM1接觸器線圈的吸持電流時(shí)，盡管現(xiàn)場開關(guān)已經(jīng)斷開，但KM1仍然不會釋放。

再來分析控制電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容C2對回路的影響。由于屏蔽層已經(jīng)接地，因此，芯線與屏蔽層之間的分布電容就是芯線的對地電容(由于N線與地之間的電位差很小，N線與屏蔽層之間的分布電容電流理論上很小，可以忽略不計(jì))。同樣，由等效電路圖中可以看出，分布電容電流也可以通過C2與接觸器KM1及地構(gòu)成通路。

即當(dāng)一根導(dǎo)線接上交流電源，就會有電流通過分布電容，流入不等電位的導(dǎo)線或?qū)w。圖2中當(dāng)分布電容C1或C2大到一定值時(shí)，不僅可能發(fā)生現(xiàn)場開關(guān)不能斷開KM1交流接觸器的現(xiàn)象，甚至于會有當(dāng)現(xiàn)場開關(guān)斷開時(shí)，只要一送控制電源，KM1可能會立即吸合的故障。

在該項(xiàng)目調(diào)試中，經(jīng)萬用表實(shí)際測量，當(dāng)斷開急停按鈕時(shí)，流過交流接觸器KM1線圈的電流超過60 mA。該電流即為南空交機(jī)關(guān)風(fēng)控制回路中的電纜分布電容電流值，是分布電容C1與C2共同作用的結(jié)果。設(shè)計(jì)圖紙中交流接觸器KM1和KM2的型號是CJX2-12型，其線圈參數(shù)為：線圈額定電壓Us為AC220 V，吸合電壓為(0.85～1.1)Us，釋放電壓為(0.2～0.7)Us，線圈吸合功率70 VA，相應(yīng)吸合電流為318 mA，線圈吸持功率8 VA，相應(yīng)吸持電流為36 mA。南空交機(jī)關(guān)風(fēng)回路控制電纜分布電容電流值正處于交流接觸器回環(huán)特性的中間，從而使接觸器KM1不能釋放。

3 處理方法

原因查明，由于項(xiàng)目現(xiàn)場工期緊，調(diào)試任務(wù)多，盡可能采用簡便宜行的方案較為合理。根據(jù)分布電容的特性，首先決定采取減少控制電纜長度的方案。為此，我們對控制電路進(jìn)行改進(jìn)。將現(xiàn)場來的主令開關(guān)、限位開關(guān)、急停開關(guān)等信號不再在中控室控制柜端子排上串接，而是由它們各自獨(dú)立直接驅(qū)動一個(gè)吸持功率大的中間繼電器，用中間繼電器的觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換替代原來的信號點(diǎn)。這樣每個(gè)中間繼電器回路的電纜長度均縮小為原關(guān)風(fēng)控制回路電纜長度的25%，從而大大減少了分布電容的影響。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)及運(yùn)行到現(xiàn)在的結(jié)果證明，經(jīng)過改進(jìn)后的控制電路完全消除了交流接觸器不能釋放的問題，保證了空交機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié) 語

在實(shí)際工程中，對于交流回路，電線電纜的分布電容的存在是不可避免的，這是由它們的物理結(jié)構(gòu)特性決定的，我們無法完全消除。但是可以通過設(shè)計(jì)、施工、采購等環(huán)節(jié)將其控制在合理的范圍內(nèi)，使其不致對控制系統(tǒng)造成影響。對空交機(jī)的控制回路而言，可以在現(xiàn)場設(shè)置一個(gè)端子接線箱，根據(jù)電氣原理圖，把現(xiàn)場的開關(guān)信號在端子接線箱內(nèi)串并聯(lián)后，再通過屏蔽電纜接入遠(yuǎn)距離的控制柜中。這樣就能大大減少控制電纜的長度，從而有效減少分布電容?；蛘呃梅植茧娙莞糁蓖ń坏奶匦裕捎弥绷麟娮鳛榭刂苹芈冯娫?。同時(shí)，在電氣施工中，盡量使動力電纜與控制電纜和信號電纜分開敷設(shè)，必須同橋架敷設(shè)時(shí)，須選用中間帶隔板的橋架等措施?？傊O(shè)計(jì)、施工、維護(hù)人員應(yīng)結(jié)合具體情況綜合考慮，采取有效措施把電纜分布電容對電控系統(tǒng)的影響降到最小，確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

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Analyses and Countermeasures of False Action of Air Exchanger Control Cicruit Caused by Distributed Capacitance of Cable

QI Xiang-qian

(Jiangsu Branch,China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Nanjing 210042，China)

This paper discusses the false action of the air exchanger control circuit which appeared in the experiment and adjust by an engineering example,and introduces the influence of distributed capacitance of control cable to electrical relay.It analyses the reason of the problem, and puts forward ways for problem solving.

air exchanger； control cable； distributed capacitance； AC contactor； induced voltage

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.01.013

2015-01-03.

齊向前(1968-)，高級工程師.E-mail:xiangqianqi128@sina.com