电缆感应电压对控制回路的影响分析及解决方案研究

李 超

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆维吾尔自治区 克拉玛依 834000）

油田某站场建设期间，在调试过程进行提升泵试车时，突发电机在远程控制下启动后无法停车的问题。在排除控制回路接线错误、控制电缆故障接地、屏蔽层接地等外部问题后，经进一步排查，对控制回路继电器电压进行测量，发现继电器两端存在感应电压导致DCS发出停机命令后继电器拒动，进而判断电缆分布电容引起的感应电压导致继电器拒动。本文通过以上项目提升泵控制回路拒动的问题分析，阐明控制电缆分布电容引起的感应电压对控制回路的影响，并提出解决方案。

1.1 控制原理和故障现象

油田某站场提升泵部分二次控制原理图，如图1。

图1 电机二次控制原理图Fig.1 Schematic diagram of motor secondary control

如图1所示，电机具备远程和本地两种控制方式。当转换开关SH处于远程位置时继电器KA4得电，继电器KA4常开辅助触点导通远程控制回路，需电机启动时，DCS系统发出电机启动命令，无源常开触点JJ2闭合控制回路导通，电机运行；
需电机停止时，DCS系统发出电机停机命令，无源常闭触点JJ1断开控制回路失电，电机停止。当转换开关SH处于本地位置时，按下启动按钮SBF或SBF’使继电器KA1得电，本地控制回路导通，KA1常开触点闭合给变频器发出启动命令，电机运行；
按下停止按钮SBS或SBS’使继电器KA1失电，控制回路断开，电机停止运行。

根据以上控制原理，电机调试过程中，采用就地控制方式时电机启动停止正常；
采用远程控制方式时，电机启动正常，但会出现无法停机的故障现象。

1.2 故障问题分析

在排除控制回路接线错误、控制电缆故障接地、屏蔽层接地等外部问题后，进一步排查，对控制回路继电器进行电压测量，发现继电器两端存在感应电压，电压值在50V～190V范围波动。由于该电压值超过继电器启动电压，进而导致DCS系统发出停机命令后继电器拒动。控制室DCS系统至电机开关柜控制电缆采用总屏蔽多芯控制电缆（型号ZA-KVVP450/750V 14×2.5）长度约为550m，根据文献[1]控制电缆存在分布电容，电缆越长其分布电容越大，分布电容一般为0.15μF/km～0.3μF/km。本工程提升泵控制电缆较长，初步判断长距离控制电缆由于分布电容较大，导致分布电容在继电器两端产生感应电压从而影响继电器动作。为验证电缆分布电容的影响，现将电机控制回路转化为等效电路模型，同时为减少计算量对模型进一步简化[2]：电缆绝缘电阻一般为兆欧级，对计算影响很小可忽略；
由于相同电位的线芯之间分布的电容等效于短接，暂可忽略；
线芯对电缆屏蔽层分布的电容较小，可不考虑。根据以上简化过程，等效电路模型仅考虑继电器的内阻Rj和电感Lj，以及控制电缆的分布电容Cf，因此简化后的等效电路为一个RLC串联回路，如图2。

图2 等效电路模型Fig.2 Equivalent circuit model

等效电路模型中继电器内阻Rj=25kΩ，电感Lj=47.8mH（由继电器厂家提供数据）；
电缆分布电容Cf=0.15μF/km～0.3μF/km，电缆长度L=550m。由此得到以下数据：继电器等效电抗XL=ωLj=2πfLj=15.01kΩ，电缆等效电抗Xc=1/ωCf=1/2πfCf=38.6kΩ～19.3kΩ，等效电路模型各参数计算公式如下：

式（1）中：X∑——控制回路总电抗，kΩ；
Z∑——控制回路总阻抗，kΩ；
I∑——控制回路总电流，mA。

以上公式代入数据后计算可得：回路总电抗X∑=-(4.29～23.9)kΩ；
回路总阻抗Z∑=25.37 kΩ～34.59kΩ；
回路总电流I∑=6.36mA～8.67mA。该回路继电器启动电压值为95V，启动电流值为3.26mA，返回电压值为37V，返回电流值为1.27mA。根据以上计算结果，回路感应电流已超过启动电流和返回电流，引起继电器拒动。根据公式（1），继电器为感性电抗，而电缆分布电容为容性电抗，两者串联后其值互相抵消，导致回路总阻抗变小，回路总电流与总阻抗成反比，回路总阻抗变小导致回路感应电流增大。因此，当电缆足够长时，其分布电容产生的感应电流就会超过继电器的启动电流和返回电流，最终引起继电器误动或拒动。

1.3 控制电缆分布电容研究

根据上节内容可知，控制电缆存在分布电容。控制电缆越长，其分布电容越大。当控制电缆长度足够长时，其产生的分布电容将造成继电器两端感应电压超过返回电压，造成继电器拒动或误动。因此，为更好研究控制电缆分布电容对控制回路的影响，有必要对控制电缆分布电容的产生进行研究分析。目前，在油田站场一般采用交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套控制电缆（KYJV、KYJVP、KYJV22和KYJVP22），电缆一般由导体、绝缘层、绕包层、填充料、屏蔽层和护套组成。

当两根导体带等量异种电荷且导体间存在电压时，导体间会产生电容。该电容为杂散电容，即为分布电容[3]。因此，将控制电缆内各芯导体可看作一根带有电荷的导体，在电缆通电后，各芯导体之间互相作用在电缆内各芯导体间，导体与屏蔽层间形成分布电容。由此，可得到控制电缆等效分布电容结构如图3[4]。

图3 7芯控制电缆等效分布电容结构图Fig.3 Equivalent distributed capacitance structure of 7-core control cable

由图3可以看出，控制电缆的分布电容包括线芯间分布电容和线芯对地分布电容。分布电容的大小与以下因数有关：

1）控制电缆长度。控制电缆越长，其分布电容越大。

2）控制电缆芯数。控制电缆芯数越多，单位长度内线芯间分布电容和线芯对地分布电容的总和越大，即控制电缆分布电容越大。

3）控制电缆的绝缘介质。由于不同绝缘介质的介电常数不同，导致不同绝缘介质的导体线芯之前感应的分布电容不同。

4）控制电缆的屏蔽形式。控制电缆屏蔽形式分为分屏和总屏，分屏电缆内每根线芯均包裹一层独立的铜带屏蔽层，因此可以避免线芯间的分布电容产生，达到降低电缆分布电容的目的。

2.1 具体解决方案

根据上节分析内容可知，由于控制电缆分布电容的产生会使整个控制回路总阻抗减小，从而导致控制回路总电流增大，继电器两端感应电压增大。当控制电缆足够长时，其分布电容引起的继电器两端感应电压值会超过继电器的返回电压，造成继电器无法动作，因此控制电缆分布电容的产生是造成控制回路故障的根本原因。为解决控制电缆分布电容引起的感应电压，本文采用在继电器两端并联电容的方式降低继电器两端感应电压，继电器并联电容后等效电路模型如图4。

图4 继电器并联电容后等效电路模型Fig.4 Equivalent circuit model of relay after shunt capacitor

2.2 常用解决措施

控制电缆分布电容引起的感应电压，当电缆距离较短时，其值较小可忽略对控制回路的影响。但是当控制电缆较长时，其分布电容引起的感应电压将无法忽视[5]。对于消除控制电缆分布电容引起的感应电压影响措施可分为两类[6,7]：①提高继电器的抗干扰能力；
②减少感应电压的产生。

2.2.1 提高继电器抗干扰能力电缆分布电容造成继电器误动或拒动的原因是：由于电缆分布电容引起的感应电压超过继电器启动电压和返回电压，因而适当提高继电器启动电压和返回电压值。当继电器启动电压和返回电压值大于感应电压，就可不受控制电缆感应电压的影响。在实际工程应用中，可以采用启动电压值和返回电压值较高的继电器来减少感应电压的影响，但是现场工程条件复杂，导致控制电缆感应电产生因素的确定十分困难。因此，如何保证继电器的启动电压和返回电压值大于控制电缆分布电容引起的感应电压是个十分困难的问题，此方法在实际工程应用中有一定的局限性。

2.2.2 减少感应电压产生

1）采用直流电源代替原控制回路的交流电源

由于控制电缆引起的感应电压根本原因是存在分布电容，根据电容具备“通交流，阻直流”的特性，采用直流传输代替交流传输的方式。直流传输只需要考虑控制电缆电阻对感应电压的影响，从根本上解决分布电容引起的感应电压。但是在实际工程应用中，采用直流传输方式需要增设直流电源装置，导致工程费用成本的增加；
此外工程现场情况复杂，直流传输的方式容易受到交流干扰产生感应电压影响信号传输，因此在实际工程应用中采用直流传输的方式并不能完全解决感应电压造成的影响。

2）采用分屏加总屏的控制电缆，减小电缆线芯间分布电容

由上节内容可知，控制电缆的分布电容包括线芯间分布电容和线芯对地分布电容，对于分屏加总屏的控制电缆，其电缆内的每根线芯均有一层独立的铜带屏蔽层，且该屏蔽层与大地可靠连接。由于分屏加总屏的控制电缆的这种特性，杜绝了线芯间分布电容的产生，因而在考虑控制电缆分布电容时，仅考虑线芯对地分布电容，而线芯间分布电容可忽略不计。这样就避免线芯间分布电容产生感应电压，达到降低控制电缆分布电容的目的。分屏加总屏的控制电缆降低感应电压的效果十分明显，特别是对于芯数较多的多芯电缆，但是在实际工程应用中，由于分屏加总屏的控制电缆较常规屏蔽电缆造价高出20%～30%，因而会造成工程投资增加。

3）采用在继电器两端并联电容或电阻的方式降低感应电压

本文在实际工程中解决感应电压采取的措施是采用继电器并联电容。根据前文所述，继电器并联电容或电阻能够降低感应电压的原因：继电器并联电容或电阻后相当于减小了继电器的阻抗，根据串联回路分压的原理，在回路总电压一定的前提下，减小阻抗就相当于减小电压。但此方法并不能减少感应的产生，只是通过额外措施减少感应电压对继电器的影响。此外并联电阻在工作过程中会一直发热，存在发热烧毁的可能，而选择并联电容的参数需要与回路参数匹配，否则会发生谐振的可能，造成电容器烧毁。

基于以上原因，通常在实际工程已投产后需对感应电压问题进行整改，建议采用继电器并联电容或电阻的方式。此方法相对于其他减少感应电压措施而言，继电器并联电容或电阻方法最为简单，且成本较低；
而1），2）提出的措施都需更换设备或重新敷设电缆，成本较高，整改难度大。

4）从优化设计和施工方面减少感应电压产生

控制电缆产生感应电压的根本原因是电缆过长导致电缆分布电容增大，因此在设计之初应尽量避免长距离电缆。此外在设计过程中应避免交、直流回路共用一根电缆，端子排排列时交流回路与直流回路之间应采用空端子进行分隔。在施工过程中应避免交、直流电缆在同一线槽内敷设，无法避免时交、直流电缆应采取措施进行分隔。

本文通过对油田某站场提升泵受长距离电缆感应电压影响发生拒动的问题进行分析，详细地阐述了电缆感应电压产生的原因，并提出相关具体解决措施；
同时介绍了减少电缆感应电压的其他常用方法。电缆感应电压会引起控制回路的误动或拒动，影响设备的可靠运行和人身安全，因此在工程设计中应引起高度重视。为减少电缆感应电压的影响，设计人员应根据不同工程的实际工况条件，从源头上采取措施尽可能地减少电缆感应电压产生，保证设备可靠运行和人身安全。

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