控制电缆产生分布电容的分析及处理

张宓，张宪发，都优

(大庆石化工程有限公司，黑龙江 大庆 163714)

控制电缆产生分布电容的分析及处理

张宓，张宪发，都优

(大庆石化工程有限公司，黑龙江 大庆 163714)

针对工程设计中遇到的控制电缆长距离传输所产生的分布电容，从原理上就分布电容对回路信号的影响及其减弱途径进行了探讨，找到问题产生的具体原因，借助电路原理、公式估算，并结合工程实践经验，给出了具体的解决方案。通过工程实践验证： 所采用的方法能够有效消除控制电缆长距离传输所产生分布电容的影响，具有较强的实用性。

长距离 控制电缆 分布电容 感应电压

工程设计中电机的远程控制和联锁信号，在现场机柜间(FRR)与马达控制中心(MCC)间传输，为了节省投资和方便管理，工程应用通常采用多芯屏蔽控制电缆作为信号传输的媒介，这样既安全方便又能有效地减少外部干扰[1]。由于导线在平行敷设过程中会产生分布电容，一旦分布电容的正端带电就会导致其他回路得到感应电压，从而对回路的控制造成影响。

本文针对长距离控制电缆产生的分布电容进行分析，并根据计算及实际经验提出处理方法。

1 分布电容的分析

当2个导体带等量异种电荷，两导体间存在电压时，导体间会产生电容C，对于极板式电容器，该电容计算公式为

(1)

式中：ε——两导体间绝缘物的介电常数；S——极板面积；D——极板间距离。

在多芯电缆中如果把2根导线看成2个极板，那么这2根导线之间就形成了电容，该电容为杂散电容，即为分布电容。多芯电缆形成的分布电容等效为极板间电容的模型如图1所示。

图1 多芯电缆形成的分布电容模型

1) 单相两线制电缆线芯间的分布电容可以采用式(2)进行估算[2]：

(2)

式中：C0——线芯间分布电容，μF；D0——线芯间距，mm；r——导线半径，mm；l——传输距离，km。

2) 对于多芯电缆产生在其中某个线芯上的分布电容可以采用式(3)进行估算：

(3)

式中：C1——某线芯上作用的分布电容，μF；D1——线芯平均间距，mm；n——多芯电缆芯数。

2 分布电容的影响

一般情况下，传输信号为交流220V和50Hz，且传输距离小于200m时，线路中产生的感应电压较小，不会导致回路中的电气元件误动作。但当传输距离较远时，回路导线之间产生的分布电容将变大，从而作用在其他回路上的感应电压也增大，就会导致电气元件的误动作[3-6]。

以某工程项目为例，其FRR到MCC之间的信号传输采用24芯屏蔽控制电缆，多个电机的启动和停止信号导线在同1根多芯电缆中，敷设距离在700m左右，2个电机的控制原理如图2所示。

图2 2个电机的控制原理示意

当在FRR端电机A的启动信号ST-A闭合时，KM-A带电吸合，电机A启动。这时由于带电信号电缆与B电机启动信号电缆零线侧之间分布电容的存在，且该分布电容足够大，导致KM-B两侧的感应电压达到了110V以上，使得在ST-B没有闭合的情况下KM-B带电吸合，电机B误启动。该过程的简化等效电路如图3所示[7]。

图3 分布电容产生影响的等效电路示意

其中线路产生的分布电容为C1，其两端电压为U1，线圈KM-B的电阻为R，传输电缆的电阻相对较小，忽略不计。由此可以看出由于C1的存在，导致KM-B两端产生感应电压U2，当U2大于其释放电压时，接触器将一直处于吸合状态，电机B便会跟着启动并无法停车[8]。分析可得U2的大小与流经的电流成正比，而电流的大小和C1有关，C1越大电流越大。因此，可以得到接触器两端感应电压的大小和信号传输电缆产生的分布电容有关，分布电容越大，感应电压就越大，从而更容易导致系统误动作。

3 分布电容的处理

3.1分布电容的影响因素

分布电容的影响因素很多，其中主要的因素有：

1) 信号传输电缆的长度。电缆越长分布电容越大[9]。

2) 信号传输电缆的实际使用芯数。芯数越多，分布电容越大。

3) 信号传输电缆的绝缘形式。不同绝缘物的介电常数不同，从而导致分布电容不同。

4) 信号传输电缆的屏蔽形式。分屏电缆小于非分屏电缆。

5) 信号传输电缆的结构形式。对绞电缆小于非对绞电缆。

3.2分布电容的降低方法

可以根据实际影响因素尽量减小分布电容，但分布电容总是存在的，无法避免。基于以上因素可以从以下几个途径来减小分布电容的影响：

1) 减小控制电缆的长度。

2) 选用阻抗小的接触器。

3) 选用释放电压高的接触器。

4) 尽量采用两芯电缆及带分屏电缆。

5) 在接触器线圈两端并联1个电阻来减少接触器线圈两端的感应电压。

6) 在接触器线圈两端并联1个电容来减少接触器线圈两端的感应电压。

在超过500m的长距离信号传输过程中，方法2)、方法3)和方法4)已经无法有效控制分布电容产生的感应电压。方法5)需要选择1个阻值较小的电阻，但是在电阻上流经的电流较大，电阻容易损坏。因此，当传输距离较远时最好选择方法6)，采用额定电压较高的电容与接触器线圈并联，从而降低感应电压。

对于上面的工程实例，在接触器KM-B两端并联1个电容C2，使得接触器KM-B两端的U2小于其释放电压U0，从而避免了电机的误动作，并联电容后其等效电路如图4所示。

图4 并联电容的等效电路

4 并联电容值的确定

确定C2电容值大小的第1个条件是接触器两端产生的感应电压小于接触器的释放电压，即U2

根据串联电容分压原理得到：

(4)

式中：U——系统电压。

根据U2

(5)

该工程实例中，首先根据式(3)可以估算得到C1≈0.22μF；D1取电缆外径的25%，这里取值为6.7mm；l为0.7km；r为0.9cm；n为24。所选接触器的释放电压U0为90V，U为220V，由此可以得出C2>0.32μF。

但是C2值越大，其所在电阻电容(RC)回路的反向放电延迟时间越长，导致电机从启动到停止时，因为延迟时间过长而无法立即停止的现象。根据电路原理：U2(t)=Ue(-t/τ),其中τ=RC2为时间常数[10]。经过τ后，U2=(U/e)=80.9V，则得到U2

综上所述得到并联电容C2的范围： 0.32μF

5 结束语

通过对控制电缆分布电容产生原因的分析，结合相关的电气控制理论知识得出多芯控制电缆分布电容的估算公式，以实际工程项目为例分析了长距离传输的控制电缆分布电容对于控制回路的影响，并给出了消除分布电容影响的多种方法。最后根据计算及理论分析，给出了消除长距离传输控制电缆分布电容的具体方案，对实际的工程设计具有重大的指导意义。

[1] 杜建华,王长水.控制电缆分布电容对控制回路的影响分析及处理[J].自动化技术与应用,2010,28(09)： 120-122.

[2] 张新闻.长距离电缆内导线间分布电容的影响及处理[J].湖南电力,1999(06)： 21-22.

[3] 马士俊.分布电容对远距离控制系统的影响及其改善方法探讨[J].电力电子,2009,28(03)： 64-68.

[4] 李俊威.石化工程中控制电缆分布电容对电气设备的影响[J].电气时代，2016(07)： 41-43.

[5] 何琳琳.长距离电缆内分布电容对控制回路的影响分析与处理[J].有线电视技术,2014(09)： 112-114

[6] 郎金钟.分布电容对控制回路的影响[J].氯碱工业,2011,47(04)： 6-7.

[7] 方大千.电工计算应用280例[M].南京： 江苏科学技术出版社,2008： 21-22.

[8] 黄仲戒.长距离控制电缆对受控接触器动作的影响[J].上海铁道科技,2002(01)： 22-23.

[9] 周一鸣.电缆分布电容与继电器误动作[J].化工设计,2011,21(06)： 20-21.

[10] 刘得慧.浅谈RC电路的时间常数[J].甘肃广播电视大学学报，1994(04)： 56-59.

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1007-7324(2017)05-0067-03

稿件收到日期： 2017-05-19，修改稿收到日期2017-07-24。

张宓(1981—)，男，黑龙江大庆人，获工学硕士学位，现就职于大庆石化工程有限公司，主要从事自动控制设计工作，任工程师。