封光輝,宋奇

(上海高橋捷派克石化工程建設(shè)有限公司，上海 200137)

儀表自控設(shè)備及回路調(diào)試是石化企業(yè)檢維修、技措技改項目中必不可少的一個環(huán)節(jié)，調(diào)試工作中經(jīng)常會遇到交流繼電器不能正常釋放從而導致設(shè)備誤動作、拒動作的情況。經(jīng)檢查設(shè)計圖紙沒問題，施工單位亦是照圖施工，究其原因是控制電纜分布電容導致故障發(fā)生[1-5]。分布電容是指由非電容形態(tài)形成的一種分布參數(shù)，電路中任何兩個存在電壓差的絕緣導體之間都會形成分布電容，只是分布電容大小不同而已。一般情況下，分布電容很小，對電路的影響不大，特別是在低頻、線路較短時它對電路的影響可以忽略不計；盡管分布電容的數(shù)值很小，有時卻會給傳輸線路或儀器設(shè)備的正常工作帶來干擾，尤其在高頻、線路較長時必須要予以考慮。以下結(jié)合工程項目實例，通過電路分析、計算、仿真，提出并實施消除分布電容影響的解決方案。

1 故障現(xiàn)象與原因

某公司凈化水裝置風機聯(lián)鎖控制技改項目中，風機距離控制機房直線距離約300 m。裝置控制系統(tǒng)上位機采用西門子WINCC 6.2系統(tǒng)，下位機控制系統(tǒng)為西門子PLC(CPU為414-4H)。項目主要增加2個控制風機啟停的DO點，1個風機運行狀態(tài)的DI點，1個控制風機變頻器的AO點，1個風機變頻器頻率的AI點。

該項目現(xiàn)場接線、畫面組態(tài)和PLC編程完成后，隨即準備進行回路調(diào)試。220 V交流電源通電后發(fā)現(xiàn)操作畫面中風機始終處于運行狀態(tài)，由于此時現(xiàn)場風機尚未送電，與實際情況不符。風機狀態(tài)信號接線如圖1所示。

1.1 控制系統(tǒng)檢查

首先檢查系統(tǒng)軟件組態(tài)，確認程序、PLC地址等配置正確，其次檢查PLC硬件安裝接線，確認無誤。脫開現(xiàn)場風機狀態(tài)信號線，用短接線直接短接測試，PLC系統(tǒng)一切正常。接上現(xiàn)場風機狀態(tài)信號線后再次測試，發(fā)現(xiàn)故障依然存在。但此時OMRON繼電器指示燈是淡紅色，繼電器兩端交流電壓約207 V，雖然低于220 V，但繼電器仍處于得電狀態(tài)。觀察到其他正常吸合狀態(tài)的繼電器指示燈為正常的紅色，更換新的繼電器后現(xiàn)象如舊，可以排除繼電器因素。只要現(xiàn)場信號電纜接上，繼電器就自動吸合,由此可以確定問題出現(xiàn)在現(xiàn)場部分。

圖1 風機狀態(tài)信號接線示意

1.2 現(xiàn)場設(shè)備檢查

現(xiàn)場風機接觸器輔助觸點信號處于正常斷開狀態(tài)，測量接觸電阻達到MΩ級，不存在短路現(xiàn)象，因此懷疑是電纜有問題，初步用萬用表檢查電纜絕緣正常。該風機距離遠，敷設(shè)過程中有很多地方需要穿鍍鋅鋼管，如果鋼管接口未處理好，容易出現(xiàn)電纜破皮接地現(xiàn)象。在施工單位無法確認電纜穿管是否良好的情況下，找出備用電纜重新接線后，現(xiàn)象如故。最后使用絕緣測試搖表檢查電纜情況，2根電纜接地良好，電纜內(nèi)部絕緣正常。

1.3 線路電容干擾

通過相關(guān)文獻的檢索，發(fā)現(xiàn)導致該現(xiàn)象提到最多的是電纜分布電容影響交流繼電器。電纜導線之間存在分布電容，短距離時分布電容基本可以忽略，電纜距離比較長時，分布電容比較大，容易造成交流繼電器的誤動作。

2 故障分析

根據(jù)該項目情況將控制電纜等效為串聯(lián)的電容和電阻，將繼電器線圈等效為串聯(lián)的電阻和電感，回路電源為220 V， 50 Hz交流電壓源。

2.1 導線分布電容計算

根據(jù)式(1)計算控制電纜導線分布電容[6-8]：

(1)

式中：C——分布電容，F(xiàn)/km；λ——絞合系數(shù)；εr——等效介電常數(shù)；a——導線中心之間的距離，mm；d——線芯直徑，mm；φ——修正系數(shù)。

從式(1)可以看出，要精確計算電纜的電容是非常困難的。該項目中控制電纜采用計算機控制電纜KVVR2×1.5，系數(shù)為：λ≈1.02，εr≈5，a≈2.5 mm，d≈1.382 mm，φ≈0.9，代入公式(1)后計算結(jié)果C=36 nF。

2.2 導線電阻的計算

導線電阻的計算如式(2)所示：

R=ρL/S

(2)

式中：ρ——導體電阻率，Ω·m；L——導線長度，m；S——導體截面積，m2。

KVVR 2×1.5為銅芯導線，選擇ρ≈1.75×10-8Ω·m，L=2×300=600 m，S=1.5×10-6m，代入式(2)后計算結(jié)果R=7 Ω。

2.3 交流繼電器參數(shù)

該項目中采用交流繼電器，為通用交流繼電器，額定電壓Un為220 V，線圈參數(shù)見表1所列。

表1 交流繼電器線圈參數(shù)

2.4 電路計算及仿真驗證

控制回路等效電路如圖2所示，當回路首次上電的瞬間，現(xiàn)場風機狀態(tài)開關(guān)處于“斷開”狀態(tài)，由于電容“阻直通交”的特性，繼電器線圈兩端電壓等于電源電壓，繼電器線圈得電、常開觸點吸合，線圈電感取值136 H。圖中線路電阻R1=7 Ω，R2=1.879×104Ω，C=36 nF，Ups=220 V 。

圖2 控制回路等效電路示意

R1基本可以忽略不計，同時忽略電源內(nèi)阻。整個回路阻抗如式(3)所示：

(3)

繼電器兩端的電流和電壓分別如式(4)和式(5)所示：

(4)

(5)

通過計算可見，盡管風機狀態(tài)觸點斷開，但是由于控制電纜分布電容在交流電路中作為容抗存在，并且與繼電器線圈的電抗串聯(lián)，使得繼電器線圈兩端的分壓有效值高達207.7 V，大于動作電壓，從而導致繼電器線圈始終處于激勵狀態(tài)。

對電路模型進行上電工況仿真，如圖3所示，在繼電器還沒有閉合前，繼電器線圈電感為83.5 H，在220 V電源熔絲閉合的瞬間，從示波器可以看出此時繼電器線圈兩端電壓的最大值為309.7 V(有效值為219 V)，此時繼電器線圈電壓大于80%Un，繼電器閉合。

圖3 控制回路首次上電工況仿真示意

當現(xiàn)場風機狀態(tài)開關(guān)處于“閉合”狀態(tài)時，繼電器線圈兩端的電壓約為220 V，繼電器得電，如圖4所示?，F(xiàn)場觸點斷開后，繼電器線圈兩端的電壓約為207.7 V，和當初調(diào)試時萬用表測量電壓基本吻合。通過示波器查看具體的模擬波形，隨著風機開關(guān)狀態(tài)從“閉合”到“斷開”，繼電器兩端電壓最大值從311.09 V(有效值為219.97 V)變?yōu)?93.14 V(有效值為207.3 V)超過了繼電器的復位電壓，所以繼電器無法正常釋放，出現(xiàn)了誤動作現(xiàn)象。

圖4 繼電器線圈電壓仿真示意

從上述電路模型理論計算結(jié)果和軟件仿真結(jié)果來看，二者結(jié)果一致，與現(xiàn)場情況符合，可以確定正是電纜分布電容導致交流繼電器的誤動作。

3 解決方案

找到交流繼電器誤動作的真正原因后，對應(yīng)的解決措施就比較簡單了。該項目采用在繼電器兩端并聯(lián)阻抗，減小繼電器線圈分壓，只要保證風機觸點斷開后繼電器線圈兩端電壓低于30%Un即可。如何選擇元器件，需要進行計算。

3.1 并聯(lián)阻抗范圍計算

并聯(lián)阻抗后電路如5所示。

圖5 繼電器線圈并聯(lián)阻抗電路模型示意

由繼電器分壓不大于30%Un可得：

(6)

(7)

(8)

21 366(Ω)∠259°

(9)

通過計算可知，只要繼電器線圈并聯(lián)的阻抗Z3滿足|Z3|<2.136 6×104(Ω)即可。

3.2 并聯(lián)電阻電容后建模仿真

根據(jù)計算的阻抗范圍和現(xiàn)有的電子元器件，選擇了1 kΩ(1 W)電阻和0.3 μF的電容，將電阻與電容串聯(lián)再并聯(lián)到繼電器線圈兩端，再次用軟件進行仿真計算，如圖6所示，風機開關(guān)閉合后，通過繼電器的電流為4.75 mA，繼電器線圈吸合正常工作，風機開關(guān)斷開后繼電器線圈兩側(cè)電壓為28.6 V，降到了釋放電壓內(nèi)，繼電器失電，控制回路工作正常。

圖6 改進方案中繼電器線圈電壓仿真示意

3.3 并聯(lián)電阻電容后計算

利用軟件仿真后，根據(jù)電路模型進行計算驗證。并聯(lián)的電阻電容后阻抗值為

(10)

線圈并聯(lián)后阻抗為

(11)

現(xiàn)場觸點斷開后，回路電流值為

(12)

現(xiàn)場觸點斷開后，繼電器線圈電壓值為

(13)

現(xiàn)場觸點閉合后，并聯(lián)的電阻電容回路電流值為

(14)

現(xiàn)場觸點閉合后，并聯(lián)的電阻功率值為

P=I2R=0.020 642×1 000≈0.43(W)

(15)

閉合后電阻功率為0.43 W，選用的是功率為1 W的電阻，可以長時間使用。

3.4 實際應(yīng)用效果

在繼電器線圈并聯(lián)了電阻和電容后，實際效果和仿真基本一致，至裝置控制系統(tǒng)更新前，一直使用正常，很好地解決了由控制電纜分布電容導致的繼電器誤動作問題。

4 結(jié)束語

本文分析了電纜分布電容對繼電器誤動作的影響，通過理論計算，采用在繼電器上并聯(lián)電阻和電容的方法解決了繼電器誤動作問題。對于該項目遇到的故障還有其他的解決辦法[9-12]，如將交流繼電器更換為直流24 V繼電器，但需要重接繼電器電源。在繼電器兩端并聯(lián)阻抗的范圍很廣，組合有很多，需要注意選擇電阻的時候要考慮現(xiàn)場閉合后，電阻的功率是否能夠滿足要求等問題。