李 超

（中油（新疆）石油工程有限公司，新疆維吾爾自治區(qū) 克拉瑪依 834000）

油田某站場(chǎng)建設(shè)期間，在調(diào)試過(guò)程進(jìn)行提升泵試車(chē)時(shí)，突發(fā)電機(jī)在遠(yuǎn)程控制下啟動(dòng)后無(wú)法停車(chē)的問(wèn)題。在排除控制回路接線(xiàn)錯(cuò)誤、控制電纜故障接地、屏蔽層接地等外部問(wèn)題后，經(jīng)進(jìn)一步排查，對(duì)控制回路繼電器電壓進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)繼電器兩端存在感應(yīng)電壓導(dǎo)致DCS發(fā)出停機(jī)命令后繼電器拒動(dòng)，進(jìn)而判斷電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓導(dǎo)致繼電器拒動(dòng)。本文通過(guò)以上項(xiàng)目提升泵控制回路拒動(dòng)的問(wèn)題分析，闡明控制電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓對(duì)控制回路的影響，并提出解決方案。

1 控制原理及問(wèn)題分析

1.1 控制原理和故障現(xiàn)象

油田某站場(chǎng)提升泵部分二次控制原理圖，如圖1。

圖1 電機(jī)二次控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of motor secondary control

如圖1所示，電機(jī)具備遠(yuǎn)程和本地兩種控制方式。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SH處于遠(yuǎn)程位置時(shí)繼電器KA4得電，繼電器KA4常開(kāi)輔助觸點(diǎn)導(dǎo)通遠(yuǎn)程控制回路，需電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，DCS系統(tǒng)發(fā)出電機(jī)啟動(dòng)命令，無(wú)源常開(kāi)觸點(diǎn)JJ2閉合控制回路導(dǎo)通，電機(jī)運(yùn)行；需電機(jī)停止時(shí)，DCS系統(tǒng)發(fā)出電機(jī)停機(jī)命令，無(wú)源常閉觸點(diǎn)JJ1斷開(kāi)控制回路失電，電機(jī)停止。當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SH處于本地位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕SBF或SBF’使繼電器KA1得電，本地控制回路導(dǎo)通，KA1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合給變頻器發(fā)出啟動(dòng)命令，電機(jī)運(yùn)行；按下停止按鈕SBS或SBS’使繼電器KA1失電，控制回路斷開(kāi)，電機(jī)停止運(yùn)行。

根據(jù)以上控制原理，電機(jī)調(diào)試過(guò)程中，采用就地控制方式時(shí)電機(jī)啟動(dòng)停止正常；采用遠(yuǎn)程控制方式時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)正常，但會(huì)出現(xiàn)無(wú)法停機(jī)的故障現(xiàn)象。

1.2 故障問(wèn)題分析

在排除控制回路接線(xiàn)錯(cuò)誤、控制電纜故障接地、屏蔽層接地等外部問(wèn)題后，進(jìn)一步排查，對(duì)控制回路繼電器進(jìn)行電壓測(cè)量，發(fā)現(xiàn)繼電器兩端存在感應(yīng)電壓，電壓值在50V～190V范圍波動(dòng)。由于該電壓值超過(guò)繼電器啟動(dòng)電壓，進(jìn)而導(dǎo)致DCS系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)命令后繼電器拒動(dòng)。控制室DCS系統(tǒng)至電機(jī)開(kāi)關(guān)柜控制電纜采用總屏蔽多芯控制電纜（型號(hào)ZA-KVVP450/750V 14×2.5）長(zhǎng)度約為550m，根據(jù)文獻(xiàn)[1]控制電纜存在分布電容，電纜越長(zhǎng)其分布電容越大，分布電容一般為0.15μF/km～0.3μF/km。本工程提升泵控制電纜較長(zhǎng)，初步判斷長(zhǎng)距離控制電纜由于分布電容較大，導(dǎo)致分布電容在繼電器兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓從而影響繼電器動(dòng)作。為驗(yàn)證電纜分布電容的影響，現(xiàn)將電機(jī)控制回路轉(zhuǎn)化為等效電路模型，同時(shí)為減少計(jì)算量對(duì)模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化[2]：電纜絕緣電阻一般為兆歐級(jí)，對(duì)計(jì)算影響很小可忽略；由于相同電位的線(xiàn)芯之間分布的電容等效于短接，暫可忽略；線(xiàn)芯對(duì)電纜屏蔽層分布的電容較小，可不考慮。根據(jù)以上簡(jiǎn)化過(guò)程，等效電路模型僅考慮繼電器的內(nèi)阻Rj和電感Lj，以及控制電纜的分布電容Cf，因此簡(jiǎn)化后的等效電路為一個(gè)RLC串聯(lián)回路，如圖2。

圖2 等效電路模型Fig.2 Equivalent circuit model

等效電路模型中繼電器內(nèi)阻Rj=25kΩ，電感Lj=47.8mH（由繼電器廠家提供數(shù)據(jù)）；電纜分布電容Cf=0.15μF/km～0.3μF/km，電纜長(zhǎng)度L=550m。由此得到以下數(shù)據(jù)：繼電器等效電抗XL=ωLj=2πfLj=15.01kΩ，電纜等效電抗Xc=1/ωCf=1/2πfCf=38.6kΩ～19.3kΩ，等效電路模型各參數(shù)計(jì)算公式如下：

式（1）中：X∑——控制回路總電抗，kΩ；Z∑——控制回路總阻抗，kΩ；I∑——控制回路總電流，mA。

以上公式代入數(shù)據(jù)后計(jì)算可得：回路總電抗X∑=-(4.29～23.9)kΩ；回路總阻抗Z∑=25.37 kΩ～34.59kΩ；回路總電流I∑=6.36mA～8.67mA。該回路繼電器啟動(dòng)電壓值為95V，啟動(dòng)電流值為3.26mA，返回電壓值為37V，返回電流值為1.27mA。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，回路感應(yīng)電流已超過(guò)啟動(dòng)電流和返回電流，引起繼電器拒動(dòng)。根據(jù)公式（1），繼電器為感性電抗，而電纜分布電容為容性電抗，兩者串聯(lián)后其值互相抵消，導(dǎo)致回路總阻抗變小，回路總電流與總阻抗成反比，回路總阻抗變小導(dǎo)致回路感應(yīng)電流增大。因此，當(dāng)電纜足夠長(zhǎng)時(shí)，其分布電容產(chǎn)生的感應(yīng)電流就會(huì)超過(guò)繼電器的啟動(dòng)電流和返回電流，最終引起繼電器誤動(dòng)或拒動(dòng)。

1.3 控制電纜分布電容研究

根據(jù)上節(jié)內(nèi)容可知，控制電纜存在分布電容?？刂齐娎|越長(zhǎng)，其分布電容越大。當(dāng)控制電纜長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)時(shí)，其產(chǎn)生的分布電容將造成繼電器兩端感應(yīng)電壓超過(guò)返回電壓，造成繼電器拒動(dòng)或誤動(dòng)。因此，為更好研究控制電纜分布電容對(duì)控制回路的影響，有必要對(duì)控制電纜分布電容的產(chǎn)生進(jìn)行研究分析。目前，在油田站場(chǎng)一般采用交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套控制電纜（KYJV、KYJVP、KYJV22和KYJVP22），電纜一般由導(dǎo)體、絕緣層、繞包層、填充料、屏蔽層和護(hù)套組成。

當(dāng)兩根導(dǎo)體帶等量異種電荷且導(dǎo)體間存在電壓時(shí)，導(dǎo)體間會(huì)產(chǎn)生電容。該電容為雜散電容，即為分布電容[3]。因此，將控制電纜內(nèi)各芯導(dǎo)體可看作一根帶有電荷的導(dǎo)體，在電纜通電后，各芯導(dǎo)體之間互相作用在電纜內(nèi)各芯導(dǎo)體間，導(dǎo)體與屏蔽層間形成分布電容。由此，可得到控制電纜等效分布電容結(jié)構(gòu)如圖3[4]。

圖3 7芯控制電纜等效分布電容結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Equivalent distributed capacitance structure of 7-core control cable

由圖3可以看出，控制電纜的分布電容包括線(xiàn)芯間分布電容和線(xiàn)芯對(duì)地分布電容。分布電容的大小與以下因數(shù)有關(guān)：

1）控制電纜長(zhǎng)度?？刂齐娎|越長(zhǎng)，其分布電容越大。

2）控制電纜芯數(shù)?？刂齐娎|芯數(shù)越多，單位長(zhǎng)度內(nèi)線(xiàn)芯間分布電容和線(xiàn)芯對(duì)地分布電容的總和越大，即控制電纜分布電容越大。

3）控制電纜的絕緣介質(zhì)。由于不同絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致不同絕緣介質(zhì)的導(dǎo)體線(xiàn)芯之前感應(yīng)的分布電容不同。

4）控制電纜的屏蔽形式。控制電纜屏蔽形式分為分屏和總屏，分屏電纜內(nèi)每根線(xiàn)芯均包裹一層獨(dú)立的銅帶屏蔽層，因此可以避免線(xiàn)芯間的分布電容產(chǎn)生，達(dá)到降低電纜分布電容的目的。

2 解決方案研究

2.1 具體解決方案

根據(jù)上節(jié)分析內(nèi)容可知，由于控制電纜分布電容的產(chǎn)生會(huì)使整個(gè)控制回路總阻抗減小，從而導(dǎo)致控制回路總電流增大，繼電器兩端感應(yīng)電壓增大。當(dāng)控制電纜足夠長(zhǎng)時(shí)，其分布電容引起的繼電器兩端感應(yīng)電壓值會(huì)超過(guò)繼電器的返回電壓，造成繼電器無(wú)法動(dòng)作，因此控制電纜分布電容的產(chǎn)生是造成控制回路故障的根本原因。為解決控制電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓，本文采用在繼電器兩端并聯(lián)電容的方式降低繼電器兩端感應(yīng)電壓，繼電器并聯(lián)電容后等效電路模型如圖4。

圖4 繼電器并聯(lián)電容后等效電路模型Fig.4 Equivalent circuit model of relay after shunt capacitor

2.2 常用解決措施

控制電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓，當(dāng)電纜距離較短時(shí)，其值較小可忽略對(duì)控制回路的影響。但是當(dāng)控制電纜較長(zhǎng)時(shí)，其分布電容引起的感應(yīng)電壓將無(wú)法忽視[5]。對(duì)于消除控制電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓影響措施可分為兩類(lèi)[6,7]：①提高繼電器的抗干擾能力；②減少感應(yīng)電壓的產(chǎn)生。

2.2.1 提高繼電器抗干擾能力電纜分布電容造成繼電器誤動(dòng)或拒動(dòng)的原因是：由于電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓超過(guò)繼電器啟動(dòng)電壓和返回電壓，因而適當(dāng)提高繼電器啟動(dòng)電壓和返回電壓值。當(dāng)繼電器啟動(dòng)電壓和返回電壓值大于感應(yīng)電壓，就可不受控制電纜感應(yīng)電壓的影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以采用啟動(dòng)電壓值和返回電壓值較高的繼電器來(lái)減少感應(yīng)電壓的影響，但是現(xiàn)場(chǎng)工程條件復(fù)雜，導(dǎo)致控制電纜感應(yīng)電產(chǎn)生因素的確定十分困難。因此，如何保證繼電器的啟動(dòng)電壓和返回電壓值大于控制電纜分布電容引起的感應(yīng)電壓是個(gè)十分困難的問(wèn)題，此方法在實(shí)際工程應(yīng)用中有一定的局限性。

2.2.2 減少感應(yīng)電壓產(chǎn)生

1）采用直流電源代替原控制回路的交流電源

由于控制電纜引起的感應(yīng)電壓根本原因是存在分布電容，根據(jù)電容具備“通交流，阻直流”的特性，采用直流傳輸代替交流傳輸?shù)姆绞?。直流傳輸只需要考慮控制電纜電阻對(duì)感應(yīng)電壓的影響，從根本上解決分布電容引起的感應(yīng)電壓。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，采用直流傳輸方式需要增設(shè)直流電源裝置，導(dǎo)致工程費(fèi)用成本的增加；此外工程現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，直流傳輸?shù)姆绞饺菀资艿浇涣鞲蓴_產(chǎn)生感應(yīng)電壓影響信號(hào)傳輸，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中采用直流傳輸?shù)姆绞讲⒉荒芡耆鉀Q感應(yīng)電壓造成的影響。

2）采用分屏加總屏的控制電纜，減小電纜線(xiàn)芯間分布電容

由上節(jié)內(nèi)容可知，控制電纜的分布電容包括線(xiàn)芯間分布電容和線(xiàn)芯對(duì)地分布電容，對(duì)于分屏加總屏的控制電纜，其電纜內(nèi)的每根線(xiàn)芯均有一層獨(dú)立的銅帶屏蔽層，且該屏蔽層與大地可靠連接。由于分屏加總屏的控制電纜的這種特性，杜絕了線(xiàn)芯間分布電容的產(chǎn)生，因而在考慮控制電纜分布電容時(shí)，僅考慮線(xiàn)芯對(duì)地分布電容，而線(xiàn)芯間分布電容可忽略不計(jì)。這樣就避免線(xiàn)芯間分布電容產(chǎn)生感應(yīng)電壓，達(dá)到降低控制電纜分布電容的目的。分屏加總屏的控制電纜降低感應(yīng)電壓的效果十分明顯，特別是對(duì)于芯數(shù)較多的多芯電纜，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于分屏加總屏的控制電纜較常規(guī)屏蔽電纜造價(jià)高出20%～30%，因而會(huì)造成工程投資增加。

3）采用在繼電器兩端并聯(lián)電容或電阻的方式降低感應(yīng)電壓

本文在實(shí)際工程中解決感應(yīng)電壓采取的措施是采用繼電器并聯(lián)電容。根據(jù)前文所述，繼電器并聯(lián)電容或電阻能夠降低感應(yīng)電壓的原因：繼電器并聯(lián)電容或電阻后相當(dāng)于減小了繼電器的阻抗，根據(jù)串聯(lián)回路分壓的原理，在回路總電壓一定的前提下，減小阻抗就相當(dāng)于減小電壓。但此方法并不能減少感應(yīng)的產(chǎn)生，只是通過(guò)額外措施減少感應(yīng)電壓對(duì)繼電器的影響。此外并聯(lián)電阻在工作過(guò)程中會(huì)一直發(fā)熱，存在發(fā)熱燒毀的可能，而選擇并聯(lián)電容的參數(shù)需要與回路參數(shù)匹配，否則會(huì)發(fā)生諧振的可能，造成電容器燒毀。

基于以上原因，通常在實(shí)際工程已投產(chǎn)后需對(duì)感應(yīng)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行整改，建議采用繼電器并聯(lián)電容或電阻的方式。此方法相對(duì)于其他減少感應(yīng)電壓措施而言，繼電器并聯(lián)電容或電阻方法最為簡(jiǎn)單，且成本較低；而1），2）提出的措施都需更換設(shè)備或重新敷設(shè)電纜，成本較高，整改難度大。

4）從優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工方面減少感應(yīng)電壓產(chǎn)生

控制電纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓的根本原因是電纜過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致電纜分布電容增大，因此在設(shè)計(jì)之初應(yīng)盡量避免長(zhǎng)距離電纜。此外在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免交、直流回路共用一根電纜，端子排排列時(shí)交流回路與直流回路之間應(yīng)采用空端子進(jìn)行分隔。在施工過(guò)程中應(yīng)避免交、直流電纜在同一線(xiàn)槽內(nèi)敷設(shè)，無(wú)法避免時(shí)交、直流電纜應(yīng)采取措施進(jìn)行分隔。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)油田某站場(chǎng)提升泵受長(zhǎng)距離電纜感應(yīng)電壓影響發(fā)生拒動(dòng)的問(wèn)題進(jìn)行分析，詳細(xì)地闡述了電纜感應(yīng)電壓產(chǎn)生的原因，并提出相關(guān)具體解決措施；同時(shí)介紹了減少電纜感應(yīng)電壓的其他常用方法。電纜感應(yīng)電壓會(huì)引起控制回路的誤動(dòng)或拒動(dòng)，影響設(shè)備的可靠運(yùn)行和人身安全，因此在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)引起高度重視。為減少電纜感應(yīng)電壓的影響，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)不同工程的實(shí)際工況條件，從源頭上采取措施盡可能地減少電纜感應(yīng)電壓產(chǎn)生，保證設(shè)備可靠運(yùn)行和人身安全。