王進(jìn) 王晨 相廣順

摘 要：現(xiàn)代工業(yè)自動化應(yīng)用技術(shù)越來越多，集中控制外部各電氣設(shè)備必不可少，這必然要增加控制電纜的長度，從而在交流有源信號控制回路中產(chǎn)生分布電容感應(yīng)電壓，造成設(shè)備控制的拒動或誤動，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生?，F(xiàn)結(jié)合西安西礦環(huán)?？萍加邢薰驹谏綎|某脫硫項目電動閥調(diào)試中出現(xiàn)的遠(yuǎn)程DCS無法進(jìn)行開關(guān)控制的現(xiàn)象，對交流有源信號控制回路中感應(yīng)電壓的產(chǎn)生進(jìn)行分析，并就如何減弱此類感應(yīng)電壓提出了相應(yīng)的解決方法。

關(guān)鍵詞：電纜;分布電容感應(yīng)電壓;電動閥;干擾消除方法

1? ? 感應(yīng)電壓對電動閥的影響

我司山東某脫硫項目電動閥在遠(yuǎn)程DCS模式下，開、關(guān)指令信號線串接了電動閥內(nèi)部的AC220 V動力電源火線后變?yōu)橛性葱盘?，?jīng)DCS接點控制后返回到電動閥內(nèi)部電路[1]。現(xiàn)場電動閥外部有源信號控制原理如圖1所示。

在遠(yuǎn)程DCS開、關(guān)指令沒有發(fā)出去的情況下，電動閥開、關(guān)信號線上都有感應(yīng)電壓存在，最高達(dá)100 V，這樣會使開、關(guān)信號線與零線之間存在一定的電勢差，當(dāng)電勢差超過光耦的動作門檻電壓時，光耦就會動作，則光耦右邊的電子電路導(dǎo)通工作（此處的光耦作用是光電開關(guān)，類似中間繼電器），執(zhí)行開、關(guān)閥動作指令。現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，光耦的動作門檻電壓約80 V，此時開、關(guān)信號線上的感應(yīng)電壓已經(jīng)超過了光耦的動作門檻電壓，那么實際上光耦U1和U2右邊的電子電路已經(jīng)導(dǎo)通，但又因為電動閥內(nèi)部開、關(guān)閥電路間有互鎖保護(hù)，所以開、關(guān)閥不能同時執(zhí)行[2]。

在遠(yuǎn)程DCS發(fā)出開指令信號的情況下，電動閥開信號接通火線L，此時開信號線與零線之間的電壓為正常工作電壓AC220 V，光耦U1動作導(dǎo)通，而此時關(guān)指令仍處于斷開狀態(tài)，實測關(guān)信號線上感應(yīng)電壓可增大到120 V，那么關(guān)信號線與零線之間的電勢差也已經(jīng)超過了光耦U2的動作門檻電壓，因此此時又出現(xiàn)了光耦U1和U2同時動作導(dǎo)通的情況。同時，電動閥內(nèi)部開、關(guān)閥電路間有互鎖保護(hù)，因此開、關(guān)閥不能同時執(zhí)行。同理，在遠(yuǎn)程DCS發(fā)出關(guān)指令信號的情況下，電動閥也不會動作。

2? ? 產(chǎn)生感應(yīng)電壓的原因分析

調(diào)試時，出現(xiàn)遠(yuǎn)程DCS不能開、關(guān)電動閥問題后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，控制電纜接線正確且電纜絕緣良好，控制電纜也沒有與交變動力電纜敷設(shè)在同一線槽，排除外部感應(yīng)電壓產(chǎn)生源，同時該信號控制電纜選用的是帶屏蔽層的控制電纜，可以屏蔽外部干擾信號[3]。關(guān)斷電動閥電源以后，測量信號線上電壓均降為零，再次通電后，發(fā)現(xiàn)電動閥的控制電纜開、關(guān)信號線上又能測量出100 V左右的感應(yīng)電壓。因此，可以排除外部干擾因素，認(rèn)為其感應(yīng)電壓來源于控制電纜自身。

兩根相鄰平行導(dǎo)線之間具有一定電容，在電路中相當(dāng)于給電路并聯(lián)了一個電容器，這個電容器就是分布電容。把導(dǎo)線線芯和屏蔽層看作平板電容的金屬板，電纜的絕緣層看作電介質(zhì)，則電纜的分布電容為：

C=εs/4πkd? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：ε為電纜絕緣層的介電常數(shù);k為靜電常數(shù);s為導(dǎo)線等效截面積;d為線芯間及線芯和屏蔽層間距離。

ε和k都是常數(shù)，在d不變的情況下，電纜越長，s越大，則電纜的分布電容就越大。當(dāng)線路較短時，分布電容對電路影響很小，可以忽略不計;但當(dāng)線路較長時，分布電容就會變大，此時就應(yīng)考慮分布電容的影響[4]。我司山東某脫硫項目中DCS控制間距離現(xiàn)場電動閥約300 m，開、關(guān)指令控制電纜使用的是ZRC-KVVRP-0.45/0.75 kV-4×1.5 mm2。因此，感應(yīng)電壓來源于控制電纜線芯間以及線芯和屏蔽層間的分布電容。

對該控制電纜上的分布電容進(jìn)行建模，假設(shè)線芯間及線芯和屏蔽層間的分布電容大小相等，則其分布電容的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中C1表示電纜線芯和屏蔽層之間的分布電容，C2表示電纜線芯間的分布電容。根據(jù)圖2可畫出該電動閥外部有源信號控制回路的分布電容分析圖，如圖3所示（①②③④為控制電纜線芯編號）。

忽略線纜阻抗壓降，假設(shè)控制電纜分布電容產(chǎn)生的電勢差為E開、E關(guān)，當(dāng)電動閥外部控制電纜的分布電容C2足夠大時，電動閥的外部交流有源開、關(guān)信號線上（①④線）就有較高的感應(yīng)電壓，并與零線形成電勢差E1和E2，使電動閥內(nèi)部光耦接口電子電路構(gòu)成閉合回路。當(dāng)E1和E2足夠大時，就會使光耦誤動作導(dǎo)通，電動閥內(nèi)部電子電路開始工作。在圖3中，E開+E1=U（AC220 V）、E關(guān)+E2=U（AC220 V）。

假設(shè)光耦動作導(dǎo)通門檻電壓為Umin，任意時刻光耦兩端的電壓為Ut，則有下列情況：

（1）當(dāng)Ut≥Umin時，光耦動作導(dǎo)通，電動閥內(nèi)部電子電路開始工作;

（2）當(dāng)Ut

3? ? 解決方法

電纜的分布電容是真實存在的，在實際應(yīng)用中，只能想盡辦法減弱分布電容，通過技術(shù)手段把分布電容控制在允許范圍之內(nèi)，不影響實際控制即可。

3.1? ? 縮短控制電纜長度

從電纜的分布電容公式C=εs/4πkd中可以看出，電纜越長，s越大，其分布電容也越大。因此，在設(shè)計時應(yīng)該盡量縮短電纜線路長度，減弱電纜的分布電容。我司山東某脫硫項目電動閥遠(yuǎn)程DCS不能開關(guān)問題是在調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)的，顯然此時縮短電纜長度的方法是不可行的。

3.2? ? 減少控制電纜使用芯數(shù)，且備用線芯和屏蔽層全部接地

現(xiàn)場調(diào)試試驗時，把電動閥遠(yuǎn)程DCS開、關(guān)兩個指令信號的4根線改成了3根線公用線接法后（②線為公共線，拆除③線），開、關(guān)信號線上的感應(yīng)電壓降低了40 V，再把拆除下來的③線和屏蔽層接地后，開、關(guān)信號線上的感應(yīng)電壓又降低了20 V，具體接線如圖4所示。至此，開、關(guān)信號線上的感應(yīng)電壓降到40 V（低于光耦動作門檻電壓），此時電動閥即可通過遠(yuǎn)程DCS開關(guān)。

3.3? ? 使用中間繼電器隔離電纜分布電容感應(yīng)電壓

現(xiàn)場調(diào)試試驗時，在電動閥的開、關(guān)信號回路中各增加一個AC220 V的中間繼電器，使用遠(yuǎn)程DCS的開、關(guān)指令接通中間繼電器的線圈電源，使中間繼電器得電動作，然后再使用中間繼電器的常開觸點接通電動閥內(nèi)部開、關(guān)信號，使電動閥動作。改動以后，雖然在中間繼電器的線圈兩端仍然有感應(yīng)電壓，但由于該中間繼電器的動作門檻電壓在150 V以上，因此感應(yīng)電壓不足以使中間繼電器動作[5]。所以，通過使用中間繼電器可以有效隔離電動閥外部電纜的分布電容感應(yīng)電壓。改進(jìn)后的控制原理如圖5所示。

4? ? 結(jié)語

通過對電動閥遠(yuǎn)程DCS不能開關(guān)問題的研究分析，發(fā)現(xiàn)其開、關(guān)信號線上感應(yīng)電壓來源于控制電纜的分布電容，線路越長分布電容越大，且分布電容感應(yīng)電壓會使電氣設(shè)備發(fā)生拒動或誤動現(xiàn)象，影響設(shè)備的安全可靠運行。經(jīng)過現(xiàn)場分析以及試驗測試，研究出了減弱感應(yīng)電壓的辦法，并成功解決了現(xiàn)場電動閥遠(yuǎn)程DCS不能開關(guān)的問題。

由此可知，在工程項目設(shè)計時應(yīng)綜合考慮，從源頭上消除各類缺陷問題。在調(diào)試過程中，要認(rèn)真分析故障現(xiàn)象，結(jié)合電氣原理圖分析各種可能發(fā)生的原因，并盡可能多地進(jìn)行試驗測試，逐一排除，最后找到問題的根本原因，并采取最有效的方法解決問題。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鞍山工裝自控儀表有限公司.電動閥說明書（第一版）[Z]，2015.

[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.

[3] 陳洪東.開關(guān)型電動閥調(diào)試方法的探討[J].現(xiàn)代信息科技，2019，3（14）：39-40.

[4] 杜建華，王長水.控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（9）：120-122.[5] 張婷，張振宇.消除交流控制系統(tǒng)信號干擾的方法[J].科技傳播，2014，6（7）：198-199.

收稿日期：2020-12-17

作者簡介：王進(jìn)（1987—），男，陜西西安人，助理工程師，研究方向：電氣自動化。