長(zhǎng)距離電纜分布電容對(duì)交流繼電器的影響

程旭軒，傅水祥

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 杭州 311300）

隨著科技的發(fā)展，生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度的提高，某水電站大壩進(jìn)水口事故閘門(mén)、檢修閘門(mén)控制柜目前只有現(xiàn)地操作功能，已不滿(mǎn)足新的要求，對(duì)其進(jìn)行改造，增加遠(yuǎn)方控制功能。在改造調(diào)試過(guò)程中，出現(xiàn)了檢修閘門(mén)現(xiàn)地操作可以正常啟停，遠(yuǎn)方操作無(wú)法正常啟停的問(wèn)題，經(jīng)檢查圖紙邏輯上沒(méi)問(wèn)題，電纜絕緣良好，LCU開(kāi)出繼電器正常，究其原因是電纜長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生分布電容導(dǎo)致。一般情況下，電纜產(chǎn)生的分布電容很小，不會(huì)對(duì)控制回路造成影響，但是在電纜很長(zhǎng)時(shí)，電纜的分布電容就會(huì)對(duì)控制回路造成很大的影響，分布電容的存在會(huì)造成交流繼電器的誤動(dòng)作或拒動(dòng)作[1]。

1 故障現(xiàn)象

某水電站一級(jí)壩區(qū)進(jìn)行檢修閘門(mén)控制柜改造項(xiàng)目中，檢修閘門(mén)控制柜距離下位機(jī)距離約為500 m。下位機(jī)有3個(gè)開(kāi)出點(diǎn)控制，分別是上升、下降、停止。在進(jìn)行控制回路調(diào)試中，出現(xiàn)了檢修閘門(mén)現(xiàn)地操作可以正常啟停，遠(yuǎn)方操作無(wú)法正常停止的現(xiàn)象。

（1）下位機(jī)檢查

對(duì)于出現(xiàn)的問(wèn)題，首先懷疑是下位機(jī)原因，確認(rèn)程序正確、開(kāi)出繼電器可靠動(dòng)作，脫開(kāi)PLC程序，直接短接下位機(jī)開(kāi)出端子測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象依舊存在，直接排除下位機(jī)的故障。

（2）電纜檢查

排除了下位機(jī)的原因后，開(kāi)始檢查電纜，確認(rèn)下位機(jī)和現(xiàn)地控制柜兩端端子接線(xiàn)無(wú)誤，測(cè)量電纜絕緣電阻良好，不存在接地現(xiàn)象，在無(wú)法確定電纜中間是否存在破損的情況下，用備用電纜重新接線(xiàn)后，故障現(xiàn)象未發(fā)生改變，故排除電纜故障[2]。

（3）檢修閘門(mén)控制柜檢查

核對(duì)了控制柜設(shè)計(jì)原理圖未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并對(duì)照?qǐng)D紙將盤(pán)柜接線(xiàn)重新核查了一遍，與圖紙接線(xiàn)一致，并拆除遠(yuǎn)方控制的端子接線(xiàn)，檢修操作可以正常啟停。

（4）長(zhǎng)距離電纜分布電容干擾

通過(guò)查找相關(guān)資料，最后分析出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的原因是由于長(zhǎng)距離電纜產(chǎn)生的分布電容導(dǎo)致的。兩相互絕緣且相互靠近的導(dǎo)線(xiàn)等導(dǎo)體之間都會(huì)存在分布電容。當(dāng)電纜的長(zhǎng)度較短時(shí)，電纜之間的分布電容是很小的，對(duì)控制回路幾乎不會(huì)造成什么影響。但當(dāng)電纜的長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，電纜之間的分布電容就不能忽視，它的存在足夠存儲(chǔ)足夠多的電荷，從而使整個(gè)回路導(dǎo)通，影響交流繼電器的正常工作[3]。

2 故障分析

檢修閘門(mén)遠(yuǎn)方操作控制回路原理圖，如圖1所示，在遠(yuǎn)方操作檢修閘門(mén)上升后，無(wú)法停止，同理，在遠(yuǎn)方操作檢修閘門(mén)下降后，也無(wú)法停止。將該原理圖控制電纜等效為串聯(lián)的電容和電阻，用C和R表示，將繼電器線(xiàn)圈等效為串聯(lián)的電阻和電感，用R1（R2）和L1(L2)表示，回路電源為220 V交流電[2]，如圖2所示。

圖1 檢修閘門(mén)遠(yuǎn)方操作控制回路原理圖

2.1 分布電容計(jì)算

從圖1中可以看出遠(yuǎn)方停止信號(hào)到現(xiàn)地控制單元有500 m的距離，實(shí)際使用的電纜型號(hào)為KVVP2×1.5 mm2。根據(jù)式（1）計(jì)算控制電纜導(dǎo)線(xiàn)分布電容[4]：

式中：C—分布電容；λ—繳入率；εr—絕緣材料相對(duì)介電常數(shù)；α—導(dǎo)線(xiàn)中心之間的距離（mm）；φ—修正系數(shù)；d—導(dǎo)線(xiàn)直徑(mm).

分布電容只是理論存在的，所以計(jì)算出的電容容量會(huì)有較大的誤差存在。通過(guò)查找資料得出λ≈1，εr≈3，α≈3，φ≈0.6，d≈0.8。代入公式（1）后得出電容C≈13 uF。

圖2 檢修閘門(mén)遠(yuǎn)方操作控制回路等效電路示意圖

2.2 導(dǎo)線(xiàn)電阻的計(jì)算

導(dǎo)線(xiàn)電阻的計(jì)算如式（2）所示[2]：

式中：ρ為導(dǎo)線(xiàn)電阻率，L為導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，S為導(dǎo)體截面積。電纜型號(hào)為KVVP2×1.5 mm2，ρ≈0.018（Ω·m2/m），L=2×500 m=1 000 m，S=1.5 m2，代入公式（2）后得出電阻R=12 Ω。

2.3 電容的充放電過(guò)程

在遠(yuǎn)方操作停止檢修閘門(mén)時(shí)，YF-TZ開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，理論上控制回路應(yīng)該斷開(kāi)了，但是由于電纜之間的分布電容存在，就導(dǎo)致線(xiàn)路中形成了一個(gè)電容器，如圖2所示。電容本身是斷路的，電源接通的瞬間，電容中靠近電源一端的極性自然帶電，另一端就帶極性相反的電，從不帶電到帶電這一過(guò)程就是充電，因?yàn)殡娙葜杏须娮璧拇嬖?，這一充電過(guò)程就不是瞬時(shí)的，存在一個(gè)時(shí)間常數(shù)τ，這個(gè)時(shí)間很短，在這一過(guò)程中等效于斷路。因?yàn)榭刂苹芈冯娫词?20 V的交流電，所以電的極性是在周期性變化的，當(dāng)電容外部電的極性發(fā)生變化，電容開(kāi)始放電，有電流流過(guò)，回路再次導(dǎo)通，由于電源是先流過(guò)繼電器線(xiàn)圈，所以繼電器線(xiàn)圈一直處于得電狀態(tài)，導(dǎo)致檢修閘門(mén)無(wú)法停止。

2.4 電容充放電時(shí)間計(jì)算

RC電路的時(shí)間常數(shù)[5]：τ=RC。

充電過(guò)程，UC=U×（1-e-t/τ）。

當(dāng)τ=RC時(shí)，電容電壓UC=0.63U；

當(dāng)τ=2RC時(shí)，電容電壓UC=0.86U；

當(dāng)τ=3RC時(shí)，電容電壓UC=0.95U；

當(dāng)τ=4RC時(shí)，電容電壓UC=0.98U；

當(dāng)τ=5RC時(shí)，電容電壓UC=0.9U。

放電過(guò)程，UO=UC×e-t/τ，由以上公式得出電容充放電的示意圖，如圖3所示。

圖3 電容充放電過(guò)程示意圖

3 故障解決

通過(guò)故障分析，得出影響檢修閘門(mén)不能正常停止的原因是因?yàn)殡娎|之間的分布電容存在，導(dǎo)致遠(yuǎn)方停止沒(méi)有效果，控制回路一直處于通路狀態(tài)。我們?cè)谶h(yuǎn)方停止時(shí)測(cè)量了繼電器線(xiàn)圈的電壓，它有瞬間增大后減小到趨向于穩(wěn)定，當(dāng)火線(xiàn)在繼電器線(xiàn)圈側(cè)，電流先通過(guò)線(xiàn)圈流向分布電容，線(xiàn)圈一直在得電狀態(tài)，所以上升回路的自保持回路1KM1一直在閉合狀態(tài)，整條回路一直處于通路狀態(tài)。因?yàn)殡娙莩潆娦枰獣r(shí)間，我們?cè)O(shè)想將火線(xiàn)L和零線(xiàn)N對(duì)調(diào)，對(duì)調(diào)后電源先流過(guò)分布電容在流向線(xiàn)圈，在電容充電的過(guò)程中，線(xiàn)圈不得電，1KM1斷開(kāi)，可以使整條回路斷開(kāi)，為了驗(yàn)證我們的想法，我們通過(guò)多次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，將火線(xiàn)L和零線(xiàn)N對(duì)調(diào)后，在遠(yuǎn)方停止時(shí)，繼電器線(xiàn)圈不得電，檢修閘門(mén)可以正常停止，故障得到解決。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)距離電纜分布電容產(chǎn)生的故障有多種解決方案，比如交流供電改成直流供電，在繼電器線(xiàn)圈處并聯(lián)一個(gè)電阻和電容等方法都能解決該故障[6]，我們選擇了一種最簡(jiǎn)單的方法解決了該故障。在實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)備中，由長(zhǎng)距離電纜分布電容產(chǎn)生的問(wèn)題越來(lái)越多，比如架空線(xiàn)路電纜產(chǎn)生的對(duì)地電容造成無(wú)功功率過(guò)大、電纜分布電容造成軸瓦溫度量波動(dòng)偏大的問(wèn)題等。電纜分布電容的存在是無(wú)法避免的，我們雖然不能夠完全消除它，但我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)、施工等方法去減弱、抵消它，讓其不對(duì)控制系統(tǒng)造成影響。