摘要：在远距离交流控制回路中，若以多芯屏蔽电缆作为交流控制电缆，其芯线和电缆的屏蔽层或者线芯与线芯之间的分布电容在一定条件下可导致控制回路误动作。本文将就屏蔽控制电缆的线芯与线芯之间的分布电容对控制回路的影响进行分析。
关键词：交流控制；分布电容；电容电流；屏蔽控制电缆
1 引言
现在工程设计中大多数采用多芯屏蔽控制电缆作为信号传输和控制回路的导线，这样既安全方便，又节省投资，可以有效减少外部电路的干扰。然而，在控制电缆比较长，控制电源又是交流的情况下，其电缆内部芯线之间以及芯线和屏蔽层的分布电容不可忽视。多芯控制电缆不论是内部芯线之间以及芯线和屏蔽层的分布电容大小都与电缆的长度成正比，控制回路越长，其分布电容量越大，当电容量达到一定程度就会使控制回路误动作。以下用工程实例探讨其使电路失控原因，并进一步提出处理办法。
在现场运行设备出现了控制继电器误动作的情况，设备无法正常操作，以下是其电路简图
图1交流接触器控制回路图
图中现场控制室接触器的按钮没有按下，而在就地控制箱交流接触器显示已经得电（得电指示灯较亮），自保持辅助触点已经闭合且一直保持吸合状态。
2 故障分析
维护人员经认真检查，认为接线没有问题。经多方检查没有结果，认为是线路受外部影响造成的，认为是感应电压造成了继电器误动作现象，让电气人员解决。电气技术人员到现场初步了解情况后，首先否定了是感应电压造成的，认为线路不会有很大的感应电压。原因有二：一是控制回路本身用的是屏蔽电缆，可以屏蔽掉外部绝大多数的干扰；二是感应电压的产生必须是控制电缆沿线有较强的交流电磁场（即同层电缆沟敷设的动力电缆有较大的电流），而同层电缆沟敷设的动力电缆没有大电流，故不存在感应电压产生源，由以上两点我们判断不是感应电压造成的。电气人员对电缆线路进行测试，首先，线路的绝缘良好，不存在泄露。其次，用万用表测量线路两侧电压（关掉电源从电源两端测量），其电压只有0.2V，该感应电压不足以对控制回路产生影响。
然后，接上控制电源，交流接触器线圈自动吸合，看完设计图纸，我们认为该电压不是感应电压，很可能是电缆线芯和线芯之间的分布电容电流产生。又测试交流接触器的最小动作电流为50mA。
该电缆为：ZR-KVVP 500V 7×1.5mm2 电缆。该电缆长度为150米，查电缆技术数据得知该电缆单芯每百米分布电容0.025μF，由电容电流计算公式：I=jwCU，计算得电流大约为40 mA，与实测相吻合。
问题找到了，如何解决呢，通过看设计图纸和现场电缆敷设情况，认为控制回路技术不合理，应将交流控制回路的自保持线与分闸回路电源线合并成一根线芯，在控制室处将合闸继电器出口直接端接到分闸继电器出口的电源侧。这样不会因为长线路的分布电容电流而使控制误动作。交流接触器在不使用的情况下就不会得电，通过现场更改验证，证明这种更改方法是行之有效的。
3对控制电缆分布电容的分析
分布电容的概念：除电容器外，由于电路的分布特点而具有的电容叫做分布电容。分布电容的存在往往是无形的，例如线圈的相邻匝间，两个分立元件之间，两根相邻的导线之间，都具有一定的电容。它对电路的影响等于给电路并联一个电容器，这个电容值就是分布电容。在低频交流电路中，分布电容的容抗很大，对电路的影响很小，在分布电容足够大的时候，不能忽略。
3.1 对电缆分布电容建模
把导线线芯和屏蔽层当做电容的金属板，它们之间的绝缘层当做电介质，则电缆分布电容大小为：
C=εS/4πkd
ε为电缆绝缘介质的介电常数；
S为导线的等效面积；
K为静电常数；
d为芯线间及芯线与屏蔽层间的距离
图2 四芯电缆分布电容结构图
ε和k为常数，故电缆越长，面积S越大，分布电容也越大。所以电缆长度是决定分布电容大小的一个关键因素。电缆足够长以后，线芯与线芯、线芯与屏蔽层之间的分布电容就不可忽略，它们之间的分布电容大小是由它们之间在空间的相互距离、极板（导线面）的大小以及它们之间的绝缘介质所决定的。同时，分布电容的结缘电阻随温度的升高而降低，绝缘电阻的降低又将导致分布电容的漏电流增大。因此，可以按它们之间的空间布置假设存在如下电容：用C0代表线芯与屏蔽层间的电容，用C1代表线芯与线芯间的电容，可以得到如图2所示的四芯电缆分布电容结构图。
3.2 对控制回路分布电容进行电路建模
根据图2电缆分布电容结构图，我们可以画出图1电路图的分布电容电路图，为了分析更直观和简洁，假设线芯间分布电容大小相等，分布电容电路如图3
图3交流控制回路分布电容模型图
当电容C足够大，控制回路将由电容构成回路，电路导通会使交流接触器误动作。设交流接触器由不动作变成动作的瞬间，流过的电路为启动电流Imin，接触器线圈的参数为：直流电阻R=2.2KΩ，L=13.73H，XL=4.31 KΩ，Z=4.839 KΩ。
电缆的容抗XC=1/j314C=1/（j314×0.025×1.5×6×10-6）=10.61 KΩ
交流接触器的电流I=U/（XL-XC）=220/（4.839-10.61）=38.0mA（接近50mA）
当时现场环境温度是38℃，控制电缆的温度超过45℃以上，随着电缆温度的升高，分布电容的漏电流将增大，当交流接触器上通过的电流I大于接触器的启动电流Imin（50mA），接触器误动作。
交流接触器误动作原因分析清楚后，将电路交流控制回路的自保持线与跳闸回路电源线合并成一根线芯，在控制室处将合闸继电器出口直接端接到跳闸继电器出口的电源侧。如图4
图4更改交流控制回路后分布电容模型图
电缆的容抗XC=1/j314C=1/（j314×0.025×1.5×10-6）=84.9 KΩ
交流接触器的电流I=U/（XL-XC）=220/（4.839-84.9）=2.75mA <<50mA
交流接触器上通过的电流I远小于接触器的启动电流Imin，接触器不会误动作。
4 减少分布电容对控制回路影响的措施
对于交流回路，电缆等设备的分布电容的存在是不可避免的，这是由设备的物理结构所决定的，我们不可能消除。但是可以通过设计环节控制在合理的范围内，使其不致影响整个控制回路即可。
1）减小交流控制回路的等效长度。根据以上分析可知，电缆的分布电容与其长度有关，减小其控制电缆长度，可有效减小电缆的分布电容，从而减小分布电容电流。
2）采用直流作为控制回路电源。交流电路中电缆的分布电容电流I=jwcU，而在直流电路中电缆电容量很小，容抗很大。由此，可以看出将控制电源改为直流，继电器和指示灯也用直流的，这样可以消除分布电容对电路的影响。
3）使用动作功率大的继电器。随着继电器和指示灯的小型化，继电器等设备的启动和保持功率日趋减小，而对于用交流电源作为控制和信号电源的，其分布电容电流难以避免，可以采用动作功率大的继电器和指示灯。
4）从设计电路图控制原理考虑。例如，可以将回路的控制零线改为控制火线。这样在回路不工作的情况下，指示灯和继电器线圈是不带电的，在不带电的回路就不存在分布电容电流，当然也不存在误动作的情况了。该方法思路简洁，易于实现，但应视具体的控制回路而定。
5．结束语
通过以上控制电缆分布电容对电路影响的分析，可知分布电容电流会对交流控制回路产生严重的影响，严重的时候将会使交流控制回路失控，影响设备的安全可靠运行，决不能忽视。应结合具体情况加以避免和处理，尤其是设计人员应综合考虑，从源头上予以解决和消除，为设备的安全可靠运行提供保障。
参考文献：
[1]《电工学》 哈尔滨工业大学电工学教研室 水利电力出版社出版 1983年第二版。
[2]《电力系统继电保护实用技术问答》第二版 国家电力调度通信中心编 中国电力出版社。
[3]邱关源，《电路》第四版，北京高等教育出版社 2000。
作者简介：
王长军（1968年10月），男，河南省新乡市，助工，继电保护技师，从事继电保护与安全自动装置运行及检修管理技术工作。
论文作者:王长军
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/17
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