控制電纜產生分布電容的分析及處理

張宓，張憲發，都優

(大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714)

控制電纜產生分布電容的分析及處理

張宓，張憲發，都優

(大慶石化工程有限公司，黑龍江 大慶 163714)

針對工程設計中遇到的控制電纜長距離傳輸所產生的分布電容，從原理上就分布電容對回路信號的影響及其減弱途徑進行了探討，找到問題產生的具體原因，借助電路原理、公式估算，并結合工程實踐經驗，給出了具體的解決方案。通過工程實踐驗證： 所采用的方法能夠有效消除控制電纜長距離傳輸所產生分布電容的影響，具有較強的實用性。

長距離 控制電纜 分布電容 感應電壓

工程設計中電機的遠程控制和聯鎖信號，在現場機柜間(FRR)與馬達控制中心(MCC)間傳輸，為了節省投資和方便管理，工程應用通常采用多芯屏蔽控制電纜作為信號傳輸的媒介，這樣既安全方便又能有效地減少外部干擾[1]。由于導線在平行敷設過程中會產生分布電容，一旦分布電容的正端帶電就會導致其他回路得到感應電壓，從而對回路的控制造成影響。

本文針對長距離控制電纜產生的分布電容進行分析，并根據計算及實際經驗提出處理方法。

1 分布電容的分析

當2個導體帶等量異種電荷，兩導體間存在電壓時，導體間會產生電容C，對于極板式電容器，該電容計算公式為

(1)

式中：ε——兩導體間絕緣物的介電常數；S——極板面積；D——極板間距離。

在多芯電纜中如果把2根導線看成2個極板，那么這2根導線之間就形成了電容，該電容為雜散電容，即為分布電容。多芯電纜形成的分布電容等效為極板間電容的模型如圖1所示。

圖1 多芯電纜形成的分布電容模型

1) 單相兩線制電纜線芯間的分布電容可以采用式(2)進行估算[2]：

(2)

式中：C0——線芯間分布電容，μF；D0——線芯間距，mm；r——導線半徑，mm；l——傳輸距離，km。

2) 對于多芯電纜產生在其中某個線芯上的分布電容可以采用式(3)進行估算：

(3)

式中：C1——某線芯上作用的分布電容，μF；D1——線芯平均間距，mm；n——多芯電纜芯數。

2 分布電容的影響

一般情況下，傳輸信號為交流220V和50Hz，且傳輸距離小于200m時，線路中產生的感應電壓較小，不會導致回路中的電氣元件誤動作。但當傳輸距離較遠時，回路導線之間產生的分布電容將變大，從而作用在其他回路上的感應電壓也增大，就會導致電氣元件的誤動作[3-6]。

以某工程項目為例，其FRR到MCC之間的信號傳輸采用24芯屏蔽控制電纜，多個電機的啟動和停止信號導線在同1根多芯電纜中，敷設距離在700m左右，2個電機的控制原理如圖2所示。

圖2 2個電機的控制原理示意

當在FRR端電機A的啟動信號ST-A閉合時，KM-A帶電吸合，電機A啟動。這時由于帶電信號電纜與B電機啟動信號電纜零線側之間分布電容的存在，且該分布電容足夠大，導致KM-B兩側的感應電壓達到了110V以上，使得在ST-B沒有閉合的情況下KM-B帶電吸合，電機B誤啟動。該過程的簡化等效電路如圖3所示[7]。

圖3 分布電容產生影響的等效電路示意

其中線路產生的分布電容為C1，其兩端電壓為U1，線圈KM-B的電阻為R，傳輸電纜的電阻相對較小，忽略不計。由此可以看出由于C1的存在，導致KM-B兩端產生感應電壓U2，當U2大于其釋放電壓時，接觸器將一直處于吸合狀態，電機B便會跟著啟動并無法停車[8]。分析可得U2的大小與流經的電流成正比，而電流的大小和C1有關，C1越大電流越大。因此，可以得到接觸器兩端感應電壓的大小和信號傳輸電纜產生的分布電容有關，分布電容越大，感應電壓就越大，從而更容易導致系統誤動作。

3 分布電容的處理

3.1分布電容的影響因素

分布電容的影響因素很多，其中主要的因素有：

1) 信號傳輸電纜的長度。電纜越長分布電容越大[9]。

2) 信號傳輸電纜的實際使用芯數。芯數越多，分布電容越大。

3) 信號傳輸電纜的絕緣形式。不同絕緣物的介電常數不同，從而導致分布電容不同。

4) 信號傳輸電纜的屏蔽形式。分屏電纜小于非分屏電纜。

5) 信號傳輸電纜的結構形式。對絞電纜小于非對絞電纜。

3.2分布電容的降低方法

可以根據實際影響因素盡量減小分布電容，但分布電容總是存在的，無法避免。基于以上因素可以從以下幾個途徑來減小分布電容的影響：

1) 減小控制電纜的長度。

2) 選用阻抗小的接觸器。

3) 選用釋放電壓高的接觸器。

4) 盡量采用兩芯電纜及帶分屏電纜。

5) 在接觸器線圈兩端并聯1個電阻來減少接觸器線圈兩端的感應電壓。

6) 在接觸器線圈兩端并聯1個電容來減少接觸器線圈兩端的感應電壓。

在超過500m的長距離信號傳輸過程中，方法2)、方法3)和方法4)已經無法有效控制分布電容產生的感應電壓。方法5)需要選擇1個阻值較小的電阻，但是在電阻上流經的電流較大，電阻容易損壞。因此，當傳輸距離較遠時最好選擇方法6)，采用額定電壓較高的電容與接觸器線圈并聯，從而降低感應電壓。

對于上面的工程實例，在接觸器KM-B兩端并聯1個電容C2，使得接觸器KM-B兩端的U2小于其釋放電壓U0，從而避免了電機的誤動作，并聯電容后其等效電路如圖4所示。

圖4 并聯電容的等效電路

4 并聯電容值的確定

確定C2電容值大小的第1個條件是接觸器兩端產生的感應電壓小于接觸器的釋放電壓，即U2

根據串聯電容分壓原理得到：

(4)

式中：U——系統電壓。

根據U2

(5)

該工程實例中，首先根據式(3)可以估算得到C1≈0.22μF；D1取電纜外徑的25%，這里取值為6.7mm；l為0.7km；r為0.9cm；n為24。所選接觸器的釋放電壓U0為90V，U為220V，由此可以得出C2>0.32μF。

但是C2值越大，其所在電阻電容(RC)回路的反向放電延遲時間越長，導致電機從啟動到停止時，因為延遲時間過長而無法立即停止的現象。根據電路原理：U2(t)=Ue(-t/τ),其中τ=RC2為時間常數[10]。經過τ后，U2=(U/e)=80.9V，則得到U2

綜上所述得到并聯電容C2的范圍： 0.32μF

5 結束語

通過對控制電纜分布電容產生原因的分析，結合相關的電氣控制理論知識得出多芯控制電纜分布電容的估算公式，以實際工程項目為例分析了長距離傳輸的控制電纜分布電容對于控制回路的影響，并給出了消除分布電容影響的多種方法。最后根據計算及理論分析，給出了消除長距離傳輸控制電纜分布電容的具體方案，對實際的工程設計具有重大的指導意義。

[1] 杜建華,王長水.控制電纜分布電容對控制回路的影響分析及處理[J].自動化技術與應用,2010,28(09)： 120-122.

[2] 張新聞.長距離電纜內導線間分布電容的影響及處理[J].湖南電力,1999(06)： 21-22.

[3] 馬士俊.分布電容對遠距離控制系統的影響及其改善方法探討[J].電力電子,2009,28(03)： 64-68.

[4] 李俊威.石化工程中控制電纜分布電容對電氣設備的影響[J].電氣時代，2016(07)： 41-43.

[5] 何琳琳.長距離電纜內分布電容對控制回路的影響分析與處理[J].有線電視技術,2014(09)： 112-114

[6] 郎金鐘.分布電容對控制回路的影響[J].氯堿工業,2011,47(04)： 6-7.

[7] 方大千.電工計算應用280例[M].南京： 江蘇科學技術出版社,2008： 21-22.

[8] 黃仲戒.長距離控制電纜對受控接觸器動作的影響[J].上海鐵道科技,2002(01)： 22-23.

[9] 周一鳴.電纜分布電容與繼電器誤動作[J].化工設計,2011,21(06)： 20-21.

[10] 劉得慧.淺談RC電路的時間常數[J].甘肅廣播電視大學學報，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。

張宓(1981—)，男，黑龍江大慶人，獲工學碩士學位，現就職于大慶石化工程有限公司，主要從事自動控制設計工作，任工程師。