电缆分布电容与继电器误动作

周一鸣 上海工程化学设计院有限公司 上海 200235

电缆分布电容与继电器误动作

周一鸣*上海工程化学设计院有限公司 上海 200235

通过工程项目建设实例说明交流电对信号电缆所产生的分布电容会引起信号继电器误动作。分析分布电容计算的公式，阐述分布电容与电缆材料、长度等的关系，通过实例计算信号继电器的技术规格，给出抗分布电容的方案。最后介绍实际使用情况与思考意见。

交流供电信号电缆分布电容信号继电器

1 问题的产生

2001 年上海某新建250 kt/a聚丙烯(PE)装置，在试车时发生继电器柜内许多信号输入继电器误动作，即现场开关断开后，继电器仍处于接通的状态，输出接点未完全断开。正常情况下，当继电器线圈励磁输出触点闭合时，继电器接通信号指示灯应发出红色指示，而当时所有误动作的继电器都处于暗红色，并持续发出触点连续动作的嗡嗡声。经过反复检查，最终确定是由仪表信号电缆分布电容的持续充放电造成继电器的误动作。

在该项目设计时遇到两个较特殊的情况:①现场仪表与控制室控制系统机柜相距离达300m以上;②该项目开关量信号多而杂(部分信号来自成套设备与电气配电柜等)，而且很多信号要参与安全连锁控制。为了安全与可靠，确定在控制系统I/O卡与现场仪表之间增加中间继电器，并且采用220 V交流对现场仪表(或触点开关)供电，导线采用线芯截面较大的1.5 mm2。控制系统的输入回路见图1。

共计配置196个输入信号继电器，全部采用OMRON公司型号为MY2N的小型信号继电器。

2 分布电容的定义与计算

导线的分布电容是指在交流电路中绝缘隔离并行的导线与导线之间形成一种电容形态的分布参数，如图1中C分所示。

当现场开关闭合时，C分基本处于短路，不起作用;而当现场开关断开时，它就如同在继电器输入回路中并接一个C分电容，其电容量与导线的长度、材质、截面积、绝缘材料的材质与绝缘体厚度等因素有关。这种电容虽然很小，但由于它的存在，就可能影响电路中灵敏元器件。

图1 输入信号继电器接线原理图

在交流电路中，电流的方向是随时间成一定的函数关系变化的，电容器充放电的过程也随时间变化，在电容器极板间形成变化的电场，这个电场也随时间不断地变化。实际上，电流是通过场的形式在电容器间通过的，所以电容器在电路中能起到的隔直通交的作用。而当通过电容器的电流足以使继电器线圈励磁，就会使继电器输出触点保持在接通状态。

目前我国对仪表电缆还缺少详细的技术规定，在《计算机与仪表电缆》TICW/06－2009［1］对电缆电气特性规定中，仅要求各种截面积(0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2、2.5 mm2)PVC绝缘电缆的工作电容为250 pF/m。而不少企业按英国标准BS 5308［2］制定企业标准。在BS 5308中，对导线截面0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2的多芯或多对仪表电缆最大分布电容分别规定为75～115 pF/ m。国产电缆基本都能达到该项指标要求，天津安琪尔电缆厂的DCS系统用电缆，还特别要求同样规格的电缆其分布电容要小于60 pF/m。

电缆分布电容的计算公式有多种描述形式，在《通信电缆》［3］中，多对电缆的分布电容的计算公式为:

式中，C为分布电容，F/km;λ为总的绞合系数(在绞对电缆中，电缆单线的实际长度L与线芯或单线围绕绞线转一圈的轴向长度h之比称为绞合系数，即:λ=L/h。对于仪表电缆:λ≈1.02～1.04);εr为组合绝缘介质的等效相对介电常数; a为回路两导线中心距离，mm;d为导电线芯直径，mm;ψ为修正系数(指接地金属屏蔽和邻近导线产生影响而设置的系数，对于屏蔽对线组:Ψ≈0.6;对于无屏蔽对线组:Ψ≈0.94)。

以仪表专业常用的KVV 2×1.5 mm2信号电缆为例，λ≈1、聚氯乙烯绝缘材料εr≈5、a≈3 mm、d=1.38 mm、Ψ≈0.94，经计算信号电缆的分布电容为0.1005 μF/km。当然，分布电容的理论计算值与实际数值可能会有较大的差别，所以计算值仅作参考，实际线路设计应留有足够的余量，即适当放大分布电容数值。

从公式还可以看出，分布电容计算值与导电线芯的直径、线间距离和绝缘介质有关。增大导电线芯直径，就相当于增大电容器极板面积，所以电容量就增加;导电线芯间距的增加，则相当于电容器极板间距加大，显然电容就减少;而绝缘介质的介电常数影响更大，其数值越大，分布电容也越大。常用的电缆绝缘材料各自介电常数聚乙烯为2.3、聚氯乙烯为4～6、橡胶为3～5、电缆纸为2～2.5。

3 抗分布电容的方案

OMRON公司MY2N继电器的产品指导说明中明确指出:“当电源出发的配线距离较长时，继电器两端会由于电线的杂散电容(即分布电容)产生电压，造成复位不良。在这样的情况下，请在线圈两端连接泄放电阻”，并给出配置泄放电阻的参考值，见表1。

该公司继电器产品技术规格中也明确表明，在交流220V 50Hz下，继电器线圈电阻为18790 Ω、额定电流为4.8～5.3 mA。可以看出推荐的泄放电阻阻值与线圈电阻阻值相差很大，这就使电容放电电流大部分流过泄放电阻，而流过线圈的电流足够小，达不到线圈吸合电流值，保证避免误励磁的要求。

表1 在200/220VAC中的泄放电阻

另外，电气专业的接触器控制线路中，发现在ABB的接触器线圈保护线路中都在接触器线圈两端并接泄放电阻R并上再串接一个电容C并，更能有效保证将线路中由分布电容引起的电流分流掉。

所以，在该装置试车阶段就采用抗分布电容方案，见图2。

图2 抗分布电容方案图

对输入信号继电器柜中196个继电器进行线路整改，直接将两个元件串联、然后并接在继电器的输入端(即励磁线圈两端)，其中各元件参数分别为R并=2 kΩ、C并=0.47 μF。该装置已连续运行近10年，各器件工作都正常，解决了电缆分布电容对继电器误动作的问题。

4 结语

(1)OMRON公司的直流24V继电器产品规格书中说明，其线圈电阻为650 Ω。在英国标准BS 5308中对仪表电缆截面为0.5 mm2、1.0 mm2、1.5 mm2分别规定其最大导体阻抗应小于36.8、18.4、12.3 Ω/km，国产电缆基本都能达到这个指标。这样若采用普通2×1.5 mm2仪表电缆，长度在300 m以下的继电器信号回路的电缆电阻应小于10 Ω，其数值远低于继电器线圈电阻，线路压降一般不会影响24VDC继电器的正常工作，而采用直流回路就不存在线路分布电容的问题。所以笔者认为在信号输入回路设计中应慎用交流供电与交流继电器，从而完全避免电缆分布电容对信号继电器的影响。

(2)在过程控制领域，电缆的分布电容主要出现在长距离、粗导线、交流供电的信号控制回路，尤其会在一些成套设备的现场控制盘与电气控制盘之间信号传输中采用，在工程设计时应充分注意电缆抗分布电容设计的采用，所采用元器件的参数(包括功率等)都应反复试验，保证信号控制回路连续与正常运行。

1 TICW/06－2009，国家电线电缆质量监督检验中心技术规范．计算机与仪表电缆〔S〕．

2 Instrumentation Cables Part1．Specification for polyethylene insulated cables BS 5308〔S〕．1986．

3 郑玉东．通信电缆〔M〕．北京:机械工业出版社，1982．

By practical engineering examples，explain that the distributed capacity produced by AC current on signal cables can cause the signal relays maloperation．Analyze the calculating formulas for distributed capacity．Elaborate the relationship of the distributed capacity with the cable materials and length．Give the anti-distributed capacity programme based on the practical calculating examples and the singnal relay specifications．At last introduce the practical applications and the comments to consideration．

Relationship between Cable Distributed Capacity and Relay Maloperation

Zhou Yiming
(ShanghaiChem Engineering Incorporation，Shanghai 200235)

AC power-supplysignal cabledistributed capacity signal relayanti-distributed capacity programme

*周一鸣:高级工程师，副总工程师。1980年毕业于华东理工大学化工自动化专业，一直从事化工自动化控制设计工作。联系电话: (021)64365961，E－mail:zhouym@scei.com.cn。

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