控制电缆分布电容对交流开关型电动阀的影响分析及解决方法

王进 王晨 相广顺

摘 要：现代工业自动化应用技术越来越多，集中控制外部各电气设备必不可少，这必然要增加控制电缆的长度，从而在交流有源信号控制回路中产生分布电容感应电压，造成设备控制的拒动或误动，导致安全事故的发生。现结合西安西矿环保科技有限公司在山东某脱硫项目电动阀调试中出现的远程DCS无法进行开关控制的现象，对交流有源信号控制回路中感应电压的产生进行分析，并就如何减弱此类感应电压提出了相应的解决方法。

关键词：电缆;分布电容感应电压;电动阀;干扰消除方法

1    感应电压对电动阀的影响

我司山东某脱硫项目电动阀在远程DCS模式下，开、关指令信号线串接了电动阀内部的AC220 V动力电源火线后变为有源信号，经DCS接点控制后返回到电动阀内部电路[1]。现场电动阀外部有源信号控制原理如图1所示。

在远程DCS开、关指令没有发出去的情况下，电动阀开、关信号线上都有感应电压存在，最高达100 V，这样会使开、关信号线与零线之间存在一定的电势差，当电势差超过光耦的动作门槛电压时，光耦就会动作，则光耦右边的电子电路导通工作（此处的光耦作用是光电开关，类似中间继电器），执行开、关阀动作指令。现场实测发现，光耦的动作门槛电压约80 V，此时开、关信号线上的感应电压已经超过了光耦的动作门槛电压，那么实际上光耦U1和U2右边的电子电路已经导通，但又因为电动阀内部开、关阀电路间有互锁保护，所以开、关阀不能同时执行[2]。

在远程DCS发出开指令信号的情况下，电动阀开信号接通火线L，此时开信号线与零线之间的电压为正常工作电压AC220 V，光耦U1动作导通，而此时关指令仍处于断开状态，实测关信号线上感应电压可增大到120 V，那么关信号线与零线之间的电势差也已经超过了光耦U2的动作门槛电压，因此此时又出现了光耦U1和U2同时动作导通的情况。同时，电动阀内部开、关阀电路间有互锁保护，因此开、关阀不能同时执行。同理，在远程DCS发出关指令信号的情况下，电动阀也不会动作。

2    产生感应电压的原因分析

调试时，出现远程DCS不能开、关电动阀问题后，现场检查发现，控制电缆接线正确且电缆绝缘良好，控制电缆也没有与交变动力电缆敷设在同一线槽，排除外部感应电压产生源，同时该信号控制电缆选用的是带屏蔽层的控制电缆，可以屏蔽外部干扰信号[3]。关断电动阀电源以后，测量信号线上电压均降为零，再次通电后，发现电动阀的控制电缆开、关信号线上又能测量出100 V左右的感应电压。因此，可以排除外部干扰因素，认为其感应电压来源于控制电缆自身。

两根相邻平行导线之间具有一定电容，在电路中相当于给电路并联了一个电容器，这个电容器就是分布电容。把导线线芯和屏蔽层看作平板电容的金属板，电缆的绝缘层看作电介质，则电缆的分布电容为：

C=εs/4πkd                      （1）

式中：ε为电缆绝缘层的介电常数;k为静电常数;s为导线等效截面积;d为线芯间及线芯和屏蔽层间距离。

ε和k都是常数，在d不变的情况下，电缆越长，s越大，则电缆的分布电容就越大。当线路较短时，分布电容对电路影响很小，可以忽略不计;但当线路较长时，分布电容就会变大，此时就应考虑分布电容的影响[4]。我司山东某脱硫项目中DCS控制间距离现场电动阀约300 m，开、关指令控制电缆使用的是ZRC-KVVRP-0.45/0.75 kV-4×1.5 mm2。因此，感应电压来源于控制电缆线芯间以及线芯和屏蔽层间的分布电容。

对该控制电缆上的分布电容进行建模，假设线芯间及线芯和屏蔽层间的分布电容大小相等，则其分布电容的结构如图2所示，其中C1表示电缆线芯和屏蔽层之间的分布电容，C2表示电缆线芯间的分布电容。根据图2可画出该电动阀外部有源信号控制回路的分布电容分析图，如图3所示（①②③④为控制电缆线芯编号）。

忽略线缆阻抗压降，假设控制电缆分布电容产生的电势差为E开、E关，当电动阀外部控制电缆的分布电容C2足够大时，电动阀的外部交流有源开、关信号线上（①④线）就有较高的感应电压，并与零线形成电势差E1和E2，使电动阀内部光耦接口电子电路构成闭合回路。当E1和E2足够大时，就会使光耦误动作导通，电动阀内部电子电路开始工作。在图3中，E开+E1=U（AC220 V）、E关+E2=U（AC220 V）。

假设光耦动作导通门槛电压为Umin，任意时刻光耦两端的电压为Ut，则有下列情况：

（1）当Ut≥Umin时，光耦动作导通，电动阀内部电子电路开始工作;

（2）当Ut

3    解决方法

电缆的分布电容是真实存在的，在实际应用中，只能想尽办法减弱分布电容，通过技术手段把分布电容控制在允许范围之内，不影响实际控制即可。

3.1    縮短控制电缆长度

从电缆的分布电容公式C=εs/4πkd中可以看出，电缆越长，s越大，其分布电容也越大。因此，在设计时应该尽量缩短电缆线路长度，减弱电缆的分布电容。我司山东某脱硫项目电动阀远程DCS不能开关问题是在调试阶段发现的，显然此时缩短电缆长度的方法是不可行的。

3.2    减少控制电缆使用芯数，且备用线芯和屏蔽层全部接地

现场调试试验时，把电动阀远程DCS开、关两个指令信号的4根线改成了3根线公用线接法后（②线为公共线，拆除③线），开、关信号线上的感应电压降低了40 V，再把拆除下来的③线和屏蔽层接地后，开、关信号线上的感应电压又降低了20 V，具体接线如图4所示。至此，开、关信号线上的感应电压降到40 V（低于光耦动作门槛电压），此时电动阀即可通过远程DCS开关。

3.3    使用中间继电器隔离电缆分布电容感应电压

现场调试试验时，在电动阀的开、关信号回路中各增加一个AC220 V的中间继电器，使用远程DCS的开、关指令接通中间继电器的线圈电源，使中间继电器得电动作，然后再使用中间继电器的常开触点接通电动阀内部开、关信号，使电动阀动作。改动以后，虽然在中间继电器的线圈两端仍然有感应电压，但由于该中间继电器的动作门槛电压在150 V以上，因此感应电压不足以使中间继电器动作[5]。所以，通过使用中间继电器可以有效隔离电动阀外部电缆的分布电容感应电压。改进后的控制原理如图5所示。

4    结语

通过对电动阀远程DCS不能开关问题的研究分析，发现其开、关信号线上感应电压来源于控制电缆的分布电容，线路越长分布电容越大，且分布电容感应电压会使电气设备发生拒动或误动现象，影响设备的安全可靠运行。经过现场分析以及试验测试，研究出了减弱感应电压的办法，并成功解决了现场电动阀远程DCS不能开关的问题。

由此可知，在工程项目设计时应综合考虑，从源头上消除各类缺陷问题。在调试过程中，要认真分析故障现象，结合电气原理图分析各种可能发生的原因，并尽可能多地进行试验测试，逐一排除，最后找到问题的根本原因，并采取最有效的方法解决问题。

[参考文献]

[1] 鞍山工装自控仪表有限公司.电动阀说明书（第一版）[Z]，2015.

[2] 马世燕.控制电缆的分布电容对LED信号灯的影响[J].建筑电气，2009，28（1）：58-60.

[3] 陈洪东.开关型电动阀调试方法的探讨[J].现代信息科技，2019，3（14）：39-40.

[4] 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，2010，29（9）：120-122.[5] 张婷，张振宇.消除交流控制系统信号干扰的方法[J].科技传播，2014，6（7）：198-199.

收稿日期：2020-12-17

作者简介：王进（1987—），男，陕西西安人，助理工程师，研究方向：电气自动化。