程旭轩，傅水祥
（浙江浙能华光潭水力发电有限公司，浙江 杭州 311300）
随着科技的发展，生产设备自动化程度的提高，某水电站大坝进水口事故闸门、检修闸门控制柜目前只有现地操作功能，已不满足新的要求，对其进行改造，增加远方控制功能。在改造调试过程中，出现了检修闸门现地操作可以正常启停，远方操作无法正常启停的问题，经检查图纸逻辑上没问题，电缆绝缘良好，LCU开出继电器正常，究其原因是电缆长度过长产生分布电容导致。一般情况下，电缆产生的分布电容很小，不会对控制回路造成影响，但是在电缆很长时，电缆的分布电容就会对控制回路造成很大的影响，分布电容的存在会造成交流继电器的误动作或拒动作[1]。
某水电站一级坝区进行检修闸门控制柜改造项目中，检修闸门控制柜距离下位机距离约为500 m。下位机有3个开出点控制，分别是上升、下降、停止。在进行控制回路调试中，出现了检修闸门现地操作可以正常启停，远方操作无法正常停止的现象。
（1）下位机检查
对于出现的问题，首先怀疑是下位机原因，确认程序正确、开出继电器可靠动作，脱开PLC程序，直接短接下位机开出端子测试，发现故障现象依旧存在，直接排除下位机的故障。
（2）电缆检查
排除了下位机的原因后，开始检查电缆，确认下位机和现地控制柜两端端子接线无误，测量电缆绝缘电阻良好，不存在接地现象，在无法确定电缆中间是否存在破损的情况下，用备用电缆重新接线后，故障现象未发生改变，故排除电缆故障[2]。
（3）检修闸门控制柜检查
核对了控制柜设计原理图未发现设计缺陷，并对照图纸将盘柜接线重新核查了一遍，与图纸接线一致，并拆除远方控制的端子接线，检修操作可以正常启停。
（4）长距离电缆分布电容干扰
通过查找相关资料，最后分析出现这个现象的原因是由于长距离电缆产生的分布电容导致的。两相互绝缘且相互靠近的导线等导体之间都会存在分布电容。当电缆的长度较短时，电缆之间的分布电容是很小的，对控制回路几乎不会造成什么影响。但当电缆的长度足够长时，电缆之间的分布电容就不能忽视，它的存在足够存储足够多的电荷，从而使整个回路导通，影响交流继电器的正常工作[3]。
检修闸门远方操作控制回路原理图，如图1所示，在远方操作检修闸门上升后，无法停止，同理，在远方操作检修闸门下降后，也无法停止。将该原理图控制电缆等效为串联的电容和电阻，用C和R表示，将继电器线圈等效为串联的电阻和电感，用R1（R2）和L1(L2)表示，回路电源为220 V交流电[2]，如图2所示。
图1 检修闸门远方操作控制回路原理图
2.1 分布电容计算
从图1中可以看出远方停止信号到现地控制单元有500 m的距离，实际使用的电缆型号为KVVP2×1.5 mm2。根据式（1）计算控制电缆导线分布电容[4]：
式中：C—分布电容；
λ—缴入率；
εr—绝缘材料相对介电常数；
α—导线中心之间的距离（mm）；
φ—修正系数；
d—导线直径(mm).
分布电容只是理论存在的，所以计算出的电容容量会有较大的误差存在。通过查找资料得出λ≈1，εr≈3，α≈3，φ≈0.6，d≈0.8。代入公式（1）后得出电容C≈13 uF。
图2 检修闸门远方操作控制回路等效电路示意图
2.2 导线电阻的计算
导线电阻的计算如式（2）所示[2]：
式中：ρ为导线电阻率，L为导线长度，S为导体截面积。电缆型号为KVVP2×1.5 mm2，ρ≈0.018（Ω·m2/m），L=2×500 m=1 000 m，S=1.5 m2，代入公式（2）后得出电阻R=12 Ω。
2.3 电容的充放电过程
在远方操作停止检修闸门时，YF-TZ开关断开，理论上控制回路应该断开了，但是由于电缆之间的分布电容存在，就导致线路中形成了一个电容器，如图2所示。电容本身是断路的，电源接通的瞬间，电容中靠近电源一端的极性自然带电，另一端就带极性相反的电，从不带电到带电这一过程就是充电，因为电容中有电阻的存在，这一充电过程就不是瞬时的，存在一个时间常数τ，这个时间很短，在这一过程中等效于断路。因为控制回路电源是220 V的交流电，所以电的极性是在周期性变化的，当电容外部电的极性发生变化，电容开始放电，有电流流过，回路再次导通，由于电源是先流过继电器线圈，所以继电器线圈一直处于得电状态，导致检修闸门无法停止。
2.4 电容充放电时间计算
RC电路的时间常数[5]：τ=RC。
充电过程，UC=U×（1-e-t/τ）。
当τ=RC时，电容电压UC=0.63U；
当τ=2RC时，电容电压UC=0.86U；
当τ=3RC时，电容电压UC=0.95U；
当τ=4RC时，电容电压UC=0.98U；
当τ=5RC时，电容电压UC=0.9U。
放电过程，UO=UC×e-t/τ，由以上公式得出电容充放电的示意图，如图3所示。
图3 电容充放电过程示意图
通过故障分析，得出影响检修闸门不能正常停止的原因是因为电缆之间的分布电容存在，导致远方停止没有效果，控制回路一直处于通路状态。我们在远方停止时测量了继电器线圈的电压，它有瞬间增大后减小到趋向于稳定，当火线在继电器线圈侧，电流先通过线圈流向分布电容，线圈一直在得电状态，所以上升回路的自保持回路1KM1一直在闭合状态，整条回路一直处于通路状态。因为电容充电需要时间，我们设想将火线L和零线N对调，对调后电源先流过分布电容在流向线圈，在电容充电的过程中，线圈不得电，1KM1断开，可以使整条回路断开，为了验证我们的想法，我们通过多次的现场试验，将火线L和零线N对调后，在远方停止时，继电器线圈不得电，检修闸门可以正常停止，故障得到解决。
长距离电缆分布电容产生的故障有多种解决方案，比如交流供电改成直流供电，在继电器线圈处并联一个电阻和电容等方法都能解决该故障[6]，我们选择了一种最简单的方法解决了该故障。在实际的生产设备中，由长距离电缆分布电容产生的问题越来越多，比如架空线路电缆产生的对地电容造成无功功率过大、电缆分布电容造成轴瓦温度量波动偏大的问题等。电缆分布电容的存在是无法避免的，我们虽然不能够完全消除它，但我们可以通过设计、施工等方法去减弱、抵消它，让其不对控制系统造成影响。
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