控制线路过长引起的电气故障分析及应对措施_冉敏敏.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 4 月第 46 卷第 2 期Apr.2023Vol.46 No.2随着化工企业实现自动化控制程度越来越高，越来越多的电气设备都采取了集中控制。采取集中控制后，不需操作人员到现场去启停机泵、读取各工艺指标值，只需在控制室操作界面上轻点鼠标即可清楚地看到各项工艺运行参数，大大地减轻了操作工的劳动强度，因而很多在原始设计没有采取集中控制的电气设备，也都陆续改成了远程集中控制1。通常情况下，一般大型的化工企业各工艺生产装置占地区域广，用电设备多且比较分散，采取集中控制后，会使一些用电设备的控制线路过长，导致电压损失过大，或因线路中存在分布容性感应电压，造成用控制线路过长引起的电气故障分析及应对措施冉敏敏（中国石化湖北化肥分公司，湖北枝江 443200）摘要：结合实际工程案例，分析项目改造调试过程中合成氨小冰机控制系统远程无法启动的原因是控制回路线路过长，导致电压损失很大，引起主接触器线圈电压不足而无法吸合，并对此问题提出了解决措施。关键词：远程无法启动线路过长电压损失收稿日期：2022-09-29；收到修改稿日期：2023-02-08。作者简介：冉敏敏，女，1982 年出生，本科学历，工程师，2005 年毕业于长江大学自动化专业，现在中国石化湖北化肥分公司科技发展部工作。联系电话：15871581126；E-mail：。电设备无法远程启动、误动等电气故障。1实际工程案例2014 年和 2015 年中国石化湖北化肥分公司（简称湖北化肥）在安全大检查中均发现合成氨小冰机未设置氨罐压力高自启动联锁控制系统。为此，湖北化肥于 2016 年决定对合成氨小冰机控制系统实施技术改造，将合成氨小冰机由现场的 PLC 控制改造为总控室 DCS 控制，并增加氨罐压力高自启动联锁控制系统，改造后小冰机电气控制原理如图 1所示。图 1改造后小冰机电气控制原理当 2 个氨罐（102-F、102-FA）的压力值其中 1个达到 6.1 kPa 时，小冰机的油泵运行、冷却水切断阀打开，当检测到油压达到 0.5 MPa、循环水流量达125第 2 期冉敏敏.控制线路过长引起的电气故障分析及应对措施到 50 m3 h 时，小冰机联锁启动。当 2 个氨罐的压力值均在 3.1 kPa 时，小冰机停止运行，油泵保持运行状态，待压力再次升高时，小冰机再次启动。通过氨罐的压力控制小冰机的间断运行，从而达到节约电能的目的。原合成氨小冰机控制柜安装在现场配电小屋内，柜内安装有 1 台 PLC，此次改造折除 PLC的所有接线，将控制回路内原来由 PLC 控制的信号改为由 DCS 控制。本改造将原来引到柜内由 PLC 控制的信号改接至合成 DCS 控制，如图 1 控制回路中 Y11、Y12、Y21、Y22、Y3、Y6 信号，其中 Y11 为油泵电机的远程启动信号，Y12 为油泵电机的远程停止信号，Y21为压缩机的远程启动信号，Y22 为压缩机的远程停止信号，Y3 为油泵电机的油压信号，Y6 为仪表送来的油加热器控制信号。增加现场操作柱，如图 1 中SA 为就地、远程转换开关，SB11、SB12 分别为油泵电机的现场启、停控钮、SB21、SB22 分别为压缩机的现场启、停按钮。在安装调试过程中，发现当转换开关 SA 为“就地”位置时，油泵、压缩机电机均能正常启动，但当转换开关 SA 为“远程”位置时，油泵电机能正常启动，但压缩机电机不能启动。2故障原因分析本案例中，当控制方式选择“就地”控制时，油泵和压缩机电机均能正常启动，则说明油泵和压缩机的控制回路没有问题。当控制方式选择“远程”控制时，油泵电机能正常启动，压缩机电机不能正常启动，测得压缩机电机主接触器线圈电压为 85 V。对图 1 进行分析，控制回路由专用变压器供电，变压器输出电压 Un为 110 V 单相交流电，实际测得压缩机主接触器的电压为 85 V，即不足 0.85Un。根据 GB T 140482006低压开关设备和控制设备第一部分 标准规定：接触器线圈电压在额定电压Un的 0.851.1 倍时，才能可靠吸合。本案例中压缩机主接触器线圈电压小于 0.85Un，故主接触器不能吸合，因而压缩机无法启动。从测得的数据中得出，控制回路的电压损失为 25 V，大于 15%Un，是造成小冰机压缩机无法远程启动的主要原因。进一步对图 1 进行分析，控制回路中现场转换开关、按钮、信号指示灯等各电气元件的阻抗值较小，引起的电压损失可以忽略不计。控制回路中的电压损失主要还是发生在控制电缆上。为了证明上述故障分析结论的正确性，可以通过对控制回路线路电压损失的计算来证实。本案例中压缩机主接触器的控制回路等效电路如图 2 所示。图 2等效电路图 2 中 Rl、Xl分别为电缆的电阻、电抗，Rj、Xj分别为接触器线圈的电阻、感抗。本案例中压缩机主接触器选用型号为 LC1-D410F7C 型接触器，查产品手册得知 RL为 9.8，XL为 70，吸合功率134.2 W，保持功率 15 W。合成氨小冰机控制电缆选用的截面积为 1.5 mm2，控制线路总长度为 1 640 m。线路上的电压损失如下式所示2：Rl=R0L（1）Xl=X0L（2）（3）（4）（5）式中：R0、X0 为电缆单位长度的电阻和感抗，km；L 电缆的总长度，km；cos 功率因数余弦值；sin 功率因数正弦值；Un 线路的标称电压，kV；I 电流，A；u 线路上的电压降，%。本 工 程 案 例 中，主 接 触 器 的 吸 合 功 率 为134.2 W，电流 I=1.22 A，代入公式（1）（5）中，计算得 u=22.49%15%，故上述故障原因分析结论是正确的。3解决措施3.1增大控制电缆截面电缆截面由 1.5 mm2增加至 2.5 mm2，查 建筑电气常用数据 04DX101-1 表 3.12 中的电缆参数3，分别代入公式（1）（5）中，比较此两种截面的控制电缆在线路上的电压损失，具体数据如表 1 所示。1262023 年第 46 卷表 1不同电缆截面线路上的电压损失电缆截面 mm2电缆单位长度的电阻 （km-1）电缆单位长度的感抗 （km-1）长度 km线圈电阻 线圈电抗 电流 A功率因数电压降%1.513.9330.3681.649.8701.220.4222.492.58.3600.3531.649.8701.220.3210.83从表 1 中看出，电缆截面 2.5 mm2时的电压降为10.83%（小于 15%），故为了满足规范对线路电压降的要求，使压缩机接触器能正常吸合，将控制回路的电缆截面增加到 2.5 mm2即可满足电压降的要求，但这必然会增加投资费用，且因本工程电缆已敷设到位，若重新更换控制电缆，不仅增加了费用投资，而且还增加了施工工程量，影响了施工进度。3.2减少电缆线路长度分析图 1，压缩机主接触器控制回路的线路过长主要是因为引入了压缩机的 DCS 远程启停信号Y21、Y22，以及油泵电机的油压信号 Y3，此 3 对信号均引自 DCS 机柜。合成氨小冰机控制柜至 DCS 机柜的直线距离约 265 m，此 3 对信号一去一来，总线路长约 1 590 m，线路上的电压降也主要是产生在这段线路上。为了减少控制电缆线路的长度，考虑在现场配电小屋内安装 1 台中间继电箱，中间继电器箱的控制电源为交流 220 V。将所有引至 DCS 机柜的信号经相应中间继电器转接后，再将各中间继电器的辅助触点接至小冰机控制回路中，这样可将控制回路总线路长由原来的 1 640 m 减少为 60 m，大大缩短了控制线路的长度。增加中间继电器箱后的控制原理如图 3 所示。图 3增加中间继电器箱后的控制原理3.3控制回路电压升高由此可知，相同负载工况，相同的电缆截面，将控制电压升高 1 倍，线路上的电压降 u 将缩小 4 倍。增大控制回路的电源电压虽然可以满足线路电压降的问题，但此方案需将控制柜内所有元器件更换为额定电压为交流 220 V 的元器件。由于本工程中控制元器件较多，接线非常复杂，故本方案理论可行，但实操性不强。综上所述，3.2 所述方案改造起来方便快捷，而且更经济，故本工程案例最后采纳了此解决措施，并在图 3 原控制中，DCS 将压缩机的启停信号整合成一对 Y21 信号、以及油泵电机的油压信号 Y22送至中间继电器箱，中间继电器 KA21、KA22 的常开触点分别接至图 3 增加中间继电器箱控制中，这样压缩机控制回路的总线路长减少 60 m。验算控制回路线路的电压降为：（13.9330.42+0.3680.91）1.220.06=0.33%由于电压降远远小于 15%，故此方案可行。分析图 1 原控制，若将控制回路的电压升至220 V 时，则验算 1.5 mm2截面的控制电缆的电压降为：（13.9330.42+0.3680.91）1.64=22.49%=5.62%15%127第 2 期冉敏敏.控制线路过长引起的电气故障分析及应对措施且调试一次成功。从 2017 年投入使用至今小冰机运行正常，未出现任何故障。4长线路控制电缆分布电容对电路的影响4在交流控制回路中，多芯控制电缆的芯线与芯线之间、芯线与屏蔽层之间等都存在着分布电容。电缆的 2 根芯线充当电容器的 2 个极板，芯线间的绝缘充当电容器极间的介质。当控制电缆线路较短时，分布电容较小，通常忽略不计。但当线路较长时，芯线间的分布电容正比于电缆的长度。线路越长，分布电容越大，流过接触器线圈的电容电流则就越大。当流过接触器线圈的电容电流达到一定值时，会使接触器线圈两端的电压高于其释放电压值，若此时需要断开控制电路，按下现场操作柱上的停止按钮时，接触器会依然保持吸合而不动作，从而不能将设备停下来。此外，当控制电路处于断开的状态时，若分布电容电流足够大会使接触器线圈两端的感应电压高于其释放电压，使接触器自动吸合，从而引起设备误动作，引发安全事故。在实际应用中，为了避免电缆中分布电容引起控制电路不能正常工作，通常采取如下措施消除影响。1）增大 2 根接线芯的相对位置，以减少 2 根芯线间的分布电容，如控制电缆线芯号 1 和 2 的间距是 a，线芯号 1 和 6 的间距是 b，且 a 小于 b，将一对信号的 2 根导线由线芯号 1 和 2 改为线芯号 1 和 6，可以减少 2 根导线间的分布电容。2）将控制电缆中的 1 根芯线两端接地，使控制电缆内部的芯线间的电容分布发生改变，从而使电容电流随之改变。3）若采用分屏带总屏的屏蔽控制电缆时，将屏蔽层的两端直接接地，使控制电缆内部芯线间的电容分布发生改变，从而使电容电流随之改变。5结束语在供配电设计中，对交流控制电缆的截面选择，不仅要考虑线路电压降的问题，还要考虑多芯控制电缆中分布电容的影响。控制回路电源电压越大，相同工况、相同截面的控制电缆允许的敷设线路越长。在对控制电压为交流 110 V 的电缆截面选择时，不可直接按控制电压为交流 220 V 的经验值来选择，必须通过计算，否则将会出现本文所述工程案例中的现象，从而影响设计质量及施工进度。参考文献1郎智超，严春明，刘建兵，等.石油化工自动化，2021，57（增刊 1）：96-99.2中国航空规划设计研究总院有限公司组编.工业与民用供配电设计手册 M.第 4 版.北京：中国电力出版社出版，2016：865-866.3中国建筑标准设计研究院.国家建筑标准设计图集：建筑电气常用数据 M.北京：中国计划出版社，2006：18.4沈南洋.浅谈长线路对交流控制回路的影响及应对措施 J.广东化工，2016，（14）：210-211.ANALYSIS OF ELECTRIC FAILURE CAUSED BY LONG CONTROLDISTANCE WIRING AND THE COUNTERMEASURESRan Minmin（SINOPEC Hubei Fertilizer Branch，Zhijiang 443200）Abstract：Taking a p