封光辉,宋奇

(上海高桥捷派克石化工程建设有限公司，上海 200137)

仪表自控设备及回路调试是石化企业检维修、技措技改项目中必不可少的一个环节，调试工作中经常会遇到交流继电器不能正常释放从而导致设备误动作、拒动作的情况。经检查设计图纸没问题，施工单位亦是照图施工，究其原因是控制电缆分布电容导致故障发生[1-5]。分布电容是指由非电容形态形成的一种分布参数，电路中任何两个存在电压差的绝缘导体之间都会形成分布电容，只是分布电容大小不同而已。一般情况下，分布电容很小，对电路的影响不大，特别是在低频、线路较短时它对电路的影响可以忽略不计；尽管分布电容的数值很小，有时却会给传输线路或仪器设备的正常工作带来干扰，尤其在高频、线路较长时必须要予以考虑。以下结合工程项目实例，通过电路分析、计算、仿真，提出并实施消除分布电容影响的解决方案。

1 故障现象与原因

某公司净化水装置风机联锁控制技改项目中，风机距离控制机房直线距离约300 m。装置控制系统上位机采用西门子WINCC 6.2系统，下位机控制系统为西门子PLC(CPU为414-4H)。项目主要增加2个控制风机启停的DO点，1个风机运行状态的DI点，1个控制风机变频器的AO点，1个风机变频器频率的AI点。

该项目现场接线、画面组态和PLC编程完成后，随即准备进行回路调试。220 V交流电源通电后发现操作画面中风机始终处于运行状态，由于此时现场风机尚未送电，与实际情况不符。风机状态信号接线如图1所示。

1.1 控制系统检查

首先检查系统软件组态，确认程序、PLC地址等配置正确，其次检查PLC硬件安装接线，确认无误。脱开现场风机状态信号线，用短接线直接短接测试，PLC系统一切正常。接上现场风机状态信号线后再次测试，发现故障依然存在。但此时OMRON继电器指示灯是淡红色，继电器两端交流电压约207 V，虽然低于220 V，但继电器仍处于得电状态。观察到其他正常吸合状态的继电器指示灯为正常的红色，更换新的继电器后现象如旧，可以排除继电器因素。只要现场信号电缆接上，继电器就自动吸合,由此可以确定问题出现在现场部分。

图1 风机状态信号接线示意

1.2 现场设备检查

现场风机接触器辅助触点信号处于正常断开状态，测量接触电阻达到MΩ级，不存在短路现象，因此怀疑是电缆有问题，初步用万用表检查电缆绝缘正常。该风机距离远，敷设过程中有很多地方需要穿镀锌钢管，如果钢管接口未处理好，容易出现电缆破皮接地现象。在施工单位无法确认电缆穿管是否良好的情况下，找出备用电缆重新接线后，现象如故。最后使用绝缘测试摇表检查电缆情况，2根电缆接地良好，电缆内部绝缘正常。

1.3 线路电容干扰

通过相关文献的检索，发现导致该现象提到最多的是电缆分布电容影响交流继电器。电缆导线之间存在分布电容，短距离时分布电容基本可以忽略，电缆距离比较长时，分布电容比较大，容易造成交流继电器的误动作。

2 故障分析

根据该项目情况将控制电缆等效为串联的电容和电阻，将继电器线圈等效为串联的电阻和电感，回路电源为220 V， 50 Hz交流电压源。

2.1 导线分布电容计算

根据式(1)计算控制电缆导线分布电容[6-8]：

(1)

式中：C——分布电容，F/km；λ——绞合系数；εr——等效介电常数；a——导线中心之间的距离，mm；d——线芯直径，mm；φ——修正系数。

从式(1)可以看出，要精确计算电缆的电容是非常困难的。该项目中控制电缆采用计算机控制电缆KVVR2×1.5，系数为：λ≈1.02，εr≈5，a≈2.5 mm，d≈1.382 mm，φ≈0.9，代入公式(1)后计算结果C=36 nF。

2.2 导线电阻的计算

导线电阻的计算如式(2)所示：

R=ρL/S

(2)

式中：ρ——导体电阻率，Ω·m；L——导线长度，m；S——导体截面积，m2。

KVVR 2×1.5为铜芯导线，选择ρ≈1.75×10-8Ω·m，L=2×300=600 m，S=1.5×10-6m，代入式(2)后计算结果R=7 Ω。

2.3 交流继电器参数

该项目中采用交流继电器，为通用交流继电器，额定电压Un为220 V，线圈参数见表1所列。

表1 交流继电器线圈参数

2.4 电路计算及仿真验证

控制回路等效电路如图2所示，当回路首次上电的瞬间，现场风机状态开关处于“断开”状态，由于电容“阻直通交”的特性，继电器线圈两端电压等于电源电压，继电器线圈得电、常开触点吸合，线圈电感取值136 H。图中线路电阻R1=7 Ω，R2=1.879×104Ω，C=36 nF，Ups=220 V 。

图2 控制回路等效电路示意

R1基本可以忽略不计，同时忽略电源内阻。整个回路阻抗如式(3)所示：

(3)

继电器两端的电流和电压分别如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

通过计算可见，尽管风机状态触点断开，但是由于控制电缆分布电容在交流电路中作为容抗存在，并且与继电器线圈的电抗串联，使得继电器线圈两端的分压有效值高达207.7 V，大于动作电压，从而导致继电器线圈始终处于激励状态。

对电路模型进行上电工况仿真，如图3所示，在继电器还没有闭合前，继电器线圈电感为83.5 H，在220 V电源熔丝闭合的瞬间，从示波器可以看出此时继电器线圈两端电压的最大值为309.7 V(有效值为219 V)，此时继电器线圈电压大于80%Un，继电器闭合。

图3 控制回路首次上电工况仿真示意

当现场风机状态开关处于“闭合”状态时，继电器线圈两端的电压约为220 V，继电器得电，如图4所示。现场触点断开后，继电器线圈两端的电压约为207.7 V，和当初调试时万用表测量电压基本吻合。通过示波器查看具体的模拟波形，随着风机开关状态从“闭合”到“断开”，继电器两端电压最大值从311.09 V(有效值为219.97 V)变为293.14 V(有效值为207.3 V)超过了继电器的复位电压，所以继电器无法正常释放，出现了误动作现象。

图4 继电器线圈电压仿真示意

从上述电路模型理论计算结果和软件仿真结果来看，二者结果一致，与现场情况符合，可以确定正是电缆分布电容导致交流继电器的误动作。

3 解决方案

找到交流继电器误动作的真正原因后，对应的解决措施就比较简单了。该项目采用在继电器两端并联阻抗，减小继电器线圈分压，只要保证风机触点断开后继电器线圈两端电压低于30%Un即可。如何选择元器件，需要进行计算。

3.1 并联阻抗范围计算

并联阻抗后电路如5所示。

图5 继电器线圈并联阻抗电路模型示意

由继电器分压不大于30%Un可得：

(6)

(7)

(8)

21 366(Ω)∠259°

(9)

通过计算可知，只要继电器线圈并联的阻抗Z3满足|Z3|<2.136 6×104(Ω)即可。

3.2 并联电阻电容后建模仿真

根据计算的阻抗范围和现有的电子元器件，选择了1 kΩ(1 W)电阻和0.3 μF的电容，将电阻与电容串联再并联到继电器线圈两端，再次用软件进行仿真计算，如图6所示，风机开关闭合后，通过继电器的电流为4.75 mA，继电器线圈吸合正常工作，风机开关断开后继电器线圈两侧电压为28.6 V，降到了释放电压内，继电器失电，控制回路工作正常。

图6 改进方案中继电器线圈电压仿真示意

3.3 并联电阻电容后计算

利用软件仿真后，根据电路模型进行计算验证。并联的电阻电容后阻抗值为

(10)

线圈并联后阻抗为

(11)

现场触点断开后，回路电流值为

(12)

现场触点断开后，继电器线圈电压值为

(13)

现场触点闭合后，并联的电阻电容回路电流值为

(14)

现场触点闭合后，并联的电阻功率值为

P=I2R=0.020 642×1 000≈0.43(W)

(15)

闭合后电阻功率为0.43 W，选用的是功率为1 W的电阻，可以长时间使用。

3.4 实际应用效果

在继电器线圈并联了电阻和电容后，实际效果和仿真基本一致，至装置控制系统更新前，一直使用正常，很好地解决了由控制电缆分布电容导致的继电器误动作问题。

4 结束语

本文分析了电缆分布电容对继电器误动作的影响，通过理论计算，采用在继电器上并联电阻和电容的方法解决了继电器误动作问题。对于该项目遇到的故障还有其他的解决办法[9-12]，如将交流继电器更换为直流24 V继电器，但需要重接继电器电源。在继电器两端并联阻抗的范围很广，组合有很多，需要注意选择电阻的时候要考虑现场闭合后，电阻的功率是否能够满足要求等问题。