陳向東

（湖南省湘筑交通科技有限公司，湖南 長沙410000）

0 引言

高速公路隧道內(nèi)有風(fēng)機(jī)、照明、防火門、車道指示器等多種機(jī)電設(shè)備，用于保證隧道空氣質(zhì)量、照明效果、消防等達(dá)到規(guī)范要求，用于對(duì)車輛駕駛?cè)藛T進(jìn)行誘導(dǎo)指示和災(zāi)害事故發(fā)生時(shí)的指揮，是隧道安全運(yùn)行的重要保證手段之一。

隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備的控制核心為基于PLC的區(qū)域控制器，機(jī)電設(shè)備與區(qū)域控制器間的控制信號(hào)通過多芯控制電纜進(jìn)行傳遞，區(qū)域控制器在隧道內(nèi)按一定空間間隔布置，對(duì)就近的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行控制和反饋信號(hào)收集，區(qū)域控制器通過光纖以太網(wǎng)交換機(jī)組成工業(yè)以太網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備聯(lián)動(dòng)控制（圖1）。

圖1 隧道機(jī)電控制系統(tǒng)圖

在隧道的運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)電設(shè)備距區(qū)域控制器距離過遠(yuǎn)時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失控現(xiàn)象，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原因在于控制距離過長時(shí)，多芯控制電纜線芯間的線間電容效應(yīng)不能再被忽略，形成的寄生回路干擾了正常控制，造成失控。

本文通過敘述某隧道監(jiān)控系統(tǒng)失控故障的具體處理過程，分析控制電纜線間電容產(chǎn)生的根本原理和相應(yīng)規(guī)律，同時(shí)推薦幾種相關(guān)處置方案。

1 隧道監(jiān)控系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隧道監(jiān)控系統(tǒng)包括通風(fēng)、照明、信息發(fā)布、防火門控制等多個(gè)系統(tǒng)，各系統(tǒng)控制方式相同，都采用區(qū)域控制器加多芯控制電纜的控制方式，以下以隧道照明控制系統(tǒng)為分析對(duì)象。隧道照明系統(tǒng)包括出入口照明、基本照明、加強(qiáng)照明等不同功能回路，按照運(yùn)營管理策略要求，在不同時(shí)段、不同車流量、不同災(zāi)害狀態(tài)下進(jìn)行相應(yīng)回路的接通／關(guān)斷控制。每個(gè)照明控制箱內(nèi)有多個(gè)控制回路，區(qū)域控制器發(fā)出的控制信號(hào)通過多芯控制電纜傳送至受其控制的多個(gè)照明控制箱，監(jiān)控中心通過各區(qū)域控制器和照明控制箱實(shí)現(xiàn)整個(gè)隧道或隧道群的照明整體控制。

照明控制箱電氣控制原理如圖2所示，相關(guān)參數(shù)如下：多芯控制線纜ZR－KVVP－24×1.5；歐姆龍LY2NJ小型中間繼電器；線圈電壓220VAC，最小吸合電壓＝0.8Ue＝176V；最大脫扣電壓＝0.3Ue＝66V。

圖2 照明控制箱電氣原理圖

2 故障現(xiàn)象

隧道內(nèi)某照明控制箱距所連接的區(qū)域控制器400m，控制操作時(shí)，照明控制箱中某些回路失控，故障現(xiàn)象：區(qū)域控制器可以正常遠(yuǎn)控接通相應(yīng)照明回路，但遠(yuǎn)控關(guān)斷照明回路失效。

3 故障原因

為查明故障原因，對(duì)系統(tǒng)（圖2）進(jìn)行了如下檢測(cè)：（1）檢查照明控制箱內(nèi)各器件及接線狀態(tài)，接線正確，器件正常。（2）檢查區(qū)域控制器內(nèi)各器件及接線狀態(tài)，接線正確，器件正常；區(qū)域控制器至照明控制箱間控制電纜正常。（3）區(qū)域控制器內(nèi)分?jǐn)嗬^電器的常閉觸點(diǎn)J1已斷開，但接觸器K1仍處閉合狀態(tài)。（4）接觸器K1線圈兩端電壓值130VAC。

因此故障原因在于：接觸器線圈供電回路已正常斷開后，由于接觸器線圈兩端的非正常電壓（130V）大于繼電器最大脫扣電壓（66V），造成接觸器非正常吸合，關(guān)燈控制失控。由此判斷，區(qū)域控制器工作正常，問題出在區(qū)域控制器外部端，集中在控制電纜和照明控制箱部分。

控制電纜經(jīng)電纜溝鋪設(shè)，電纜溝內(nèi)還有外供電高壓電纜、軸流風(fēng)機(jī)供電電纜等高壓、大電流強(qiáng)電供電電纜，電磁干擾大，懷疑繼電器線圈的端電壓為電磁干擾引起了感應(yīng)電壓。為消除電磁干擾，對(duì)控制電纜的屏蔽銅帶重新連通，并嘗試單點(diǎn)接地和兩點(diǎn)接地不同措施以消除干擾，但接觸器線圈的端電壓無變化?？刂齐娎|銅帶屏蔽并將屏蔽可靠接地能屏蔽外部電磁干擾，至少可以削弱干擾，但以上處置未起任何作用，說明外部電磁干擾不是造成本故障的原因。后發(fā)現(xiàn)失控回路的照明控制箱都距區(qū)域控制器較遠(yuǎn)，懷疑控制距離可能與本故障有關(guān)。

通過圖2可看出：觸點(diǎn)J1斷開后，線圈K1電壓供電回路已切斷，但K1線圈兩端仍有高電壓，說明存在未知的寄生回路對(duì)K1供電，由圖2看出，能夠引起寄生回路的部分，只可能是圖中虛線框內(nèi)控制電纜這部分，結(jié)合出故障的回路都有控制距離較遠(yuǎn)的共性，懷疑控制電纜線芯間電容有可能是故障產(chǎn)生的原因。

為確定故障原因，將圖2中的第一回路按空間實(shí)際布線并增加考慮控制電纜線間電容因素，重作接線圖如圖3所示，依圖3作出此回路電氣原理圖如圖4（a）所示。由圖4（a）看出，當(dāng)J1斷開后，還存在一條由L（火線）—C1、C2（線芯間電容）—K（自保持觸點(diǎn)）—K繼電器線圈—N（零線）組成的回路，為繼電器線圏供電。由此確定照明回路失控的原因：受控制電纜線間電容影響產(chǎn)生的寄生回路造成失控。

圖3 重作接線圖

圖4 電氣原理圖

4 故障分析

4.1 線間電容影響

為分析線間電容C1、C2影響控制的規(guī)律，作出故障時(shí)等效電路圖［圖4（b）］，圖中C為C1、C2的等效電容，C＝C1＋C2，L為繼電器線圈K的等效電感。由圖4（b）可得繼電器線圈兩端的端電壓UL為：

由式（1）可看出，當(dāng)C值很小時(shí)分母項(xiàng)值很大，UL很?。浑S著C值增大，UL變大。在本電路中，當(dāng)線間電容C增大到一定程度，使線圈端電壓UL大于繼電器最小釋放電壓時(shí)，繼電器不會(huì)按要求斷開，即造成該照明回路失控。

4.2 線間電容相關(guān)參數(shù)

將多芯控制電纜各線芯間的電容看作平板電容：線芯為極板，線芯絕緣等為板間介質(zhì)?？刂齐娎|中兩線芯可等效為一平板電容，其電容值為：

式中，ε為線芯間等效介電系數(shù)；l0、l為線芯間等效平板電容的兩邊長，其中l(wèi)為電纜長度；d為線芯間等效平板電容兩極板間距離。

式（2）中除l外都可看作常數(shù)，因此線間電容與控制電纜長度成正比，電纜越長，出現(xiàn)故障的幾率越大；多芯控制電纜各線芯相互間存在線間電容，其他各線芯對(duì)其中一個(gè)線芯的影響相當(dāng)于多個(gè)電容關(guān)聯(lián)，因此電纜芯數(shù)越多，出現(xiàn)故障的幾率越大。由此得出結(jié)論：失控原因在于控制電纜線芯間電容形成的寄生回路干擾了電路的正?？刂?，造成失控現(xiàn)象，控制電纜越長、控制電纜芯數(shù)越多，產(chǎn)生故障的幾率越大。

5 故障處理

經(jīng)過以上分析，發(fā)現(xiàn)控制電纜線芯間存在的線間電容是造成故障的原因，如果能消除線間電容或避開線間電容效應(yīng)的影響，則可消除故障?？刂齐娎|線間電容客觀存在，無法消除，處理此問題需從避開電容效應(yīng)的角度著手。按此思路對(duì)照明控制電路進(jìn)行改造，將控制電纜內(nèi)交流信號(hào)改為不受線間電容影響的直流信號(hào)，故障消除。圖5為改造后的控制圖。

圖5 改造后控制原理圖

6 其他解決方案

通過多芯控制電纜對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行控制的方式在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用，一旦控制距離過遠(yuǎn)使得控制電纜過長，則有可能因控制電纜線芯間電容的影響產(chǎn)生不可預(yù)計(jì)的寄生回路，造成失控故障。有的系統(tǒng)因控制電路復(fù)雜，故障查找判斷會(huì)比較困難，因此建議在設(shè)計(jì)階段就考慮控制距離影響，并采取合適的規(guī)避方案。以下推薦幾種方案供參考：（1）采用適合遠(yuǎn)距離控制的專用電纜，如PTYA系列鐵路信號(hào)電纜。此類電纜線間電容較小并考慮了綜合防護(hù)，適合較遠(yuǎn)距離傳輸交流控制信號(hào)，但價(jià)格較普通的KVVP型控制電纜高。（2）用直流控制信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，規(guī)避線間電容的干擾。采用此類控制方法需注意控制電纜過長帶來電壓損失問題，一般通過提高控制電壓或恒流源器件供電的方式進(jìn)行補(bǔ)償。（3）當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜、控制點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)，還可采用基于控制網(wǎng)絡(luò)或控制總線的數(shù)字化器件實(shí)現(xiàn)控制功能?？刂凭W(wǎng)絡(luò)和控制總線方案比較適合控制點(diǎn)分布較廣的系統(tǒng)。（4）對(duì)于控制距離達(dá)到千米級(jí)或以上的控制對(duì)象，一般不宜采用控制電纜進(jìn)行控制，此時(shí)線纜電阻造成的電壓降將很難進(jìn)行補(bǔ)償，建議采用開關(guān)量光端機(jī)等通過光纜傳輸控制信號(hào)的方式進(jìn)行控制。