長距離交流控制電纜電容電流電氣故障分析及處理

吉 蘭

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610021

長距離交流控制電纜電容電流電氣故障分析及處理

吉 蘭

成都建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610021

通過對小收塵器控制回路的分析，建立相應(yīng)的電路模型，根據(jù)中間繼電器的動作值及返回電流計算出對應(yīng)的電纜等效電容，從而得出中間繼電器可靠動作并返回的最大電纜長度，使設(shè)計人員在進行二次回路設(shè)計時能做到有的放矢，提前處理了長距離控制電纜的分布電容導(dǎo)致控制回路誤動作的問題。

等效模型 繼電器動作值 返回值 電纜長度 等效電容 解決措施

0 引言

水泥廠工藝設(shè)備種類眾多，控制要求各不相同，導(dǎo)致了電氣二次回路非常復(fù)雜，每個工程在調(diào)試、試生產(chǎn)期間都會產(chǎn)生不少電氣故障。少數(shù)小袋收塵器控制箱的安裝位置距離配電室較遠，控制電纜的長度很長，其線芯間的等效電容對二次控制回路將造成影響，小收塵器與中央控制室發(fā)生“失聯(lián)”現(xiàn)象。本文就交流220 V二次控制回路，控制電纜的長度為多長時不會影響控制回路的動作邏輯，并給出二次控制改進方法，供同行參考。

1 故障現(xiàn)象

某水泥廠，石灰石礦山至堆場入料轉(zhuǎn)運樓處的小收塵器在調(diào)試期間出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象，在中控模式，沒有操作員啟動收塵器，收塵器自行啟動運行，而且操作員不能停止收塵器，出現(xiàn)“失控”現(xiàn)象。收塵風(fēng)機的啟動聲音比較大，把現(xiàn)場調(diào)試收塵器的調(diào)試人員嚇了一跳。

2 故障分析

2.1 控制回路分析

收塵器二次控制原理圖如圖1所示，圖中控制電纜的型號為kVV-0.5 kV-5x1.5 mm2，電纜長度為520 m。電纜線芯間的等效電容與220 V交流中間繼電器構(gòu)成一個R-L-C串聯(lián)電路，當(dāng)收塵器控制箱上電，控制電路的二端加上了220 V、50 Hz的交流電源時，通過R-L-C電路的電流大于中間繼電器的動作電流。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)處于中控位置，繼電器KA0本不應(yīng)改動作而實際上吸合了，導(dǎo)致收塵器中控室無操作而設(shè)備自行啟動的“失控”現(xiàn)象。

圖1 收塵器二次控制原理圖

2.2 電路建模

中間繼電器線圈由銅導(dǎo)線在鐵芯上繞制而成， 其電氣模型等效為一個RL 串聯(lián)電路。二次回路相當(dāng)于由電纜的分布電容C、中間繼電器的電阻R、電感L構(gòu)成一個RLC二階串聯(lián)電路，如圖2所示，電源為交流220 V，50 Hz。電路的等效阻抗Z=R+JX=R+j(ωL-1/ωC)

式中：ω=2πf ；

C0—電纜單位長度上的分布電容；

l—控制電纜的長度，km。

通過分析電路的電流，結(jié)合中間繼電器的動作電流，就能判斷繼電器是否能可靠地動作。同時，也可以根據(jù)中間繼電器的動作電流，計算電纜的分布電容C，按公式l=C/C0可計算出對應(yīng)的電纜長度，從而得出電纜長度超過多少米后，會引起中間繼電器的誤動作。

圖2 等效電路模型

2.3 繼電器動作值和返回值

經(jīng)過查閱歐姆龍的小型繼電器MY 2N-CRJ220/240VAC的樣本后，得到繼電器線圈額定值表如下：

線圈電阻R0：18.79 kΩ，線圈電感L0：83.5 H，線圈的阻抗Z0=R0+JX0=R0+J·2π·f·L0=32.256 kΩ；繼電器必須動作電壓U1：80%Ue=0.8×220=176 V，相應(yīng)的動作電流為I01=5.46 mA；繼電器必須釋放電壓U2: 30%Ue=0.3×220=66 V，相應(yīng)的動作電流為I02=2.05 mA。

2.4 控制電纜的等效電容計算

電纜的國家標準對控制電纜的分布電容并沒有明確的規(guī)定，得到控制電纜的分布電容值難度較大。經(jīng)多方查閱，電纜分布電容的計算公式有多種描述形式，在《通信電纜》[3]中，多芯電纜的分布電容的計算公式為：對于多芯控制電纜，相鄰2芯導(dǎo)線間的等效電容C0計算式如下：

C0=λ·εr·10-6/36 k·ln(2a/d)

式中：C—分布電容，F(xiàn)/km；

λ—電纜的絞合系數(shù)，λ=1.02～1.04；

k—修正系數(shù)，有屏蔽層k=0.6，無屏蔽層k=0.94；

a—導(dǎo)體之間的中心距，mm；

d—導(dǎo)線直徑，mm；

εr—導(dǎo)線間絕緣物的介電常數(shù)，聚乙稀2.3，聚氯乙稀4～6，橡膠3～5，電纜紙2～2.5。對于kVV-0.5 kV-5×1.5 mm2控制電纜，d=1.60，a=3.50。通過計算，控制電纜線芯間的等效電容為C0=0.104 μ f/km。所以520 m電纜對應(yīng)的等效電容C=0.52×0.104 1=54 nF

2.5 控制回路電流計算

為簡化計算， 對電壓、阻抗、電流只考慮模值大小， 則電路中的電流大小為：I=U/|Z|，其中R=18 790；X=327 57。

代入得I=5.83 mA，大于繼電器的動作電流，所以只要控制回路上電，中間繼電器就馬上動作，出現(xiàn)“失控”現(xiàn)象。

2.6 控制回路理論分析

收塵風(fēng)機的啟停是由繼電器控制的，下面分析一下當(dāng)電纜長度L超過多少米后，繼電器會出現(xiàn)失控故障。通過繼電器的返回值IC、動作值IB及諧振電流IA， 可以找到對應(yīng)的分布電容CC、CB及CA， 再除以C0， 就可以求出對應(yīng)的電纜長度l， 即。下面借助EXCEL的曲線擬合功能繪制C-I 關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 I-C關(guān)系模擬曲線

圖3中A點為電路串聯(lián)諧振點，即ωL=1/ωCA,變換得CA=1/ω2L，代入數(shù)值的諧振點對應(yīng)的電纜長度IA=CA/C0=1 167 m，IA=220/R=IA=220/R=11.7 mA，遠遠超過繼電器的額定電流，應(yīng)避免這種情況出現(xiàn)。

圖3中B點對應(yīng)繼電器的動作電流I01=5.46 mA，代入數(shù)據(jù)計算得IB=494 m。

圖中C點對應(yīng)繼電器的返回電流，同理可計算得出IC=231 m。

IC為有效控制距離的最大值, 當(dāng)IC

IB為導(dǎo)致電機發(fā)生誤啟動所對應(yīng)的電纜長度的最小值。當(dāng)I> IB時, 只要控制電路兩端加有額定控制電壓 , 則通過繼電器線圈的電流就等于或大于繼電器由釋放變?yōu)槲蠣顟B(tài)所需的最小勵磁電流 , 因此, 繼電器將吸合從而導(dǎo)致電機誤起動。

當(dāng)電纜長度I>LA時， 雖然電流I呈下降趨勢，但其最小極限值，仍大于IB和IC, 也就是說,當(dāng)I>LA時，電機仍處于誤起動的失控狀態(tài)。

對于圖1 所示收塵器的控制電路, 電壓U=220V，頻率f=50 Hz，電纜長度I=520，計算電流I=5.83 mA, 收塵器處于誤啟動的失控狀態(tài)。以上理論分析和測量計算的結(jié)果與實際情況完全相符。

3 解決措施

3.1 更換返回值高的繼電器

在實際工程應(yīng)用時，可采用小型接觸器代替中間繼電器，效果比較好。但替換成本比較高。

3. 2 在繼電器線圈兩端并聯(lián)電阻

這種方法可以改變原有電路參數(shù)，從而使流過繼電器線圈的電流減小到返回電流以下， 達到順利返回的目的。

3. 3 采用直流控制電源

因小收塵器內(nèi)有小PLC控制器，DI模塊一般采用直流24 V電源，故可將KA0繼電器換為直流24 V繼電器，從根本上解決收塵器上電誤啟動的問題。

更換返回值高的繼電器， 這種方法簡單可靠，但重新選購繼電器或接觸器， 增加了成本。另外由于繼電器或接觸器尺寸較大，控制箱的的卡軌不夠長，使得布線不是很規(guī)范，給維護帶來一些潛在的困難。

并聯(lián)電阻法，相對更換繼電器來說， 花費的成本小一些，在工程實際應(yīng)用中可酌情采用。

采用直流控制電源，這種方法是最好的，但是只適合于在設(shè)計階段才能實施。實際工程中要改為直流電源的可能性不大，因為所有相關(guān)的繼電器需要重新購買，成本非常高，一般來說時間上也是不允許的。

4 結(jié)束語

通過對繼電器不能夠順利返回現(xiàn)象的分析和討論， 可得出以下結(jié)論：

（1） 如果控制箱內(nèi)的電氣設(shè)備距離遠，分布電容的影響大，那么在設(shè)計階段就應(yīng)該考慮將電氣的控制回路電壓改為直流控制系統(tǒng)。實際工程中24 V直流控制電壓應(yīng)用比較廣泛，另外采用24 V直流電源對于現(xiàn)場檢修比220 V安全。

（2）在繼電器的技術(shù)參數(shù)和電纜載流量允許的情況下， 控制電纜的線芯截面盡量選小一些。這樣線芯的相對面積減小了，線芯間的分布電容也減小了。另外對于長距離的控制電纜，最好不采用屏蔽電纜，因為屏蔽電纜的線芯間的分布電容比普通電纜大。

通過對繼電器誤動作故障現(xiàn)象的分析，總結(jié)出的三種措施各有特點， 但從電氣系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性出發(fā)，選擇直流控制電源是一勞永逸的方法。

[1] 邱關(guān)源. 電路[M]. 第4 版.北京：高等教育出版社,2000.

[2] 馬世燕. 控制電纜的分布電容對LED信號燈的影響[J]. 建筑電氣, 2009,28 (1):58-60.

2016-03-25）

TQ172.8;TM76

B

1008-0473(2016)05-0072-03

10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.05.015