計算機及儀表信號電纜本質安全特性的探討

2014-09-10 02:13:14郭士堯程瑋

石油化工自動化 2014年2期

郭士堯，程瑋

(1. 廣東日豐電纜股份有限公司，廣東中山 528401；2. 河北華通線纜集團有限公司，河北唐山 063300)

在自動化控制系統中，作為控制信號的傳輸介質，用得最多的是電子計算機及儀表信號電纜(簡稱電纜)。該電纜在石油、石化、化工、電力、冶金、造紙、環保等工業生產自動化控制系統(如單元組合式模擬儀表控制系統ACS，計算機控制系統CCS，集散控制系統DCS等)中得到了廣泛的應用。

電纜在系統中作為電子計算機、儀表、傳感器及執行機構之間的連接線，傳輸檢測、控制、監察、報警、聯鎖等模擬信號，也可作為低頻數字信號傳輸線。然而，在許多易發生爆炸的危險環境中，要求控制電路具有安全防爆功能，從而要求計算機儀表電纜具有本質安全特性。

1 電纜與本質安全的關系

在工業自動化控制領域，往往存在具有潛在爆炸危險的區域，即危險場所。所謂危險場所，即存在如原油及其衍生物、酒精、天然或合成氣體、金屬或碳粉塵、面粉或谷物顆粒、纖維和浮狀物等具有潛在爆炸危險物品的區域。危險場所的電氣設備包括電氣連接線一旦發生火花或達到臨界溫度，就會引起爆炸。為了保證危險場所不被點燃，標準IEC 79及GB 3836對爆炸性環境所用電氣設備規定了多種防爆型式，如：隔爆型“d”，增安型“e”，本質安全型“i”，正壓型“p”，充油型“o”，充沙型“q”及無火花型“n”。其中，本質安全型是電纜設計中常采用的防爆型式。

根據EN 50 020：1977《本質安全電氣裝置》定義，本質安全是在正常操作和規定的事故情況下，產生的任何火花或熱效應使在已知的爆炸環境與規定的測試條件下，不會引起爆炸。對于電纜來說，本質安全就是在危險場所安裝的電纜線路可能獲得的能量應被限制在電氣故障下可能出現的電火花或熱表面不足以引起點燃的水平。

2 電纜與本質安全有關的電氣特性

2.1 電纜是儲能器件

電纜有4個一次電氣參數：電阻R、電感L、電容C和電導G。其中電阻和電導是耗能參數，電感和電容是儲能參數。當電纜接通信號電源后，電阻和電導要消耗信號的一部分能量，使信號沿長度逐步減弱；而電容和電感則能夠將電能儲存起來，斷電之后，能量依然存在。電容和電感的數值越大，儲存的能量越多。

2.2 電纜可以產生感應能量

電纜是無源器件，自身不產生電流、電壓或功率。在自動化控制系統中，計算機儀表電纜通常傳輸0～20mA弱電信號，但當它與大功率動力電纜及其他高壓高頻電氣設備及其連接線同處于一個系統中時，受強磁場或交變電磁場的感應或干擾，會產生三種感應能量：靜電感應電壓、強磁場干擾感應電壓和高頻輻射干擾感應電壓。感應能量的大小，與靜電場強度、磁場交變的速率和電纜屏蔽高頻輻射的能力有關。

2.3 電纜儲存能量及感應能量的多少與長度成正比

電纜的一次電氣參數都是分布參數，其電感和電容儲蓄的能量與電纜長度成正比。而電纜受電磁場感應或干擾時產生感應能量也與電纜受感應和干擾的長度成正比。

2.4 電纜可能作為能量的釋放源

當電纜接通電源從系統獲得能量后，在電路開關通斷、開路或短路時，或由于電纜絕緣破損及斷線，使電纜的導體靠近屏蔽或接地體時，由于電感具有維持電流不能突變的特性，電容具有維持電壓不能突變的特性，使電纜可能成為能量的釋放源，從而產生電弧或火花。如果周圍環境存在爆炸危險物品，則可能引起爆炸。另外，當電纜受電磁場感應及干擾時產生感應能量后，表面發熱而達到臨界溫度時，也會引起爆炸。

3 本質安全系統對電纜電氣參數的要求

3.1 最大容許電容和最大容許電感

如前所述，電纜是儲能部件，儲能多少與電感、電容數值的大小及電纜長度成正比。但是電纜需要有足夠的能量，釋放時才能使氣體電離，才能產生電弧或火花(點燃)。如果設定電纜的一次參數，控制其電感、電容數值，在規定的長度上不超過某一允許值，從而使其儲存的能量不足以點燃周圍氣體，從而達到了本質安全的要求。因此，電纜的最大容許電感和最大容許電容，對于本質安全系統是極其重要的性能參數。

3.2 最大容許感/阻比(L/R)

如果電纜的電容和電感值較大，可能會限制危險場所所用電纜的長度。對于本質安全系統，電纜的電容和電感值越小越好。但是在設計電纜結構時，這2個參數是相互矛盾的，如果減小其電容時，電感則增大，反之亦然。

然而，大多數由最大允許電感參數導致的對電纜長度的限制，可以通過使用允許的L/R加以解決。系統電纜長度增加時，電感增大了的同時也伴隨著電阻的增加，減小了在電路通斷時電感所維持的電流，也就是削弱了電感的作用。因此，盡管電纜的電感變化，但只要L/R滿足本質安全系統的要求即可，該參數也是重要的本質安全性能參數。

3.3 靜電感應電壓及強磁場干擾感應電壓和輻射干擾感應強度

該三項指標描述了外界強電磁場對電纜的感應和干擾所產生的電氣參數，它主要反映電纜在電磁場和高頻輻射干擾作用下的屏蔽效果，這在英標BS 5308中并無規定，但中國國家級儀器儀表防爆安全監督檢驗站對此有要求并對試驗方法作出了具體的規定。

3.4 不同的本質安全系統對電纜電氣參數的要求也不同

不同的本安系統對電纜電氣參數的要求也不同。通常，每一個本安場所都將給出允許連接到其本安端的最大電感、電容及L/R的值，且它們隨氣體組別的不同而不同。據此，參照電纜產品樣本中給出的電纜的電容和電感值及L/R值選擇電纜，并計算出電纜的最大允許長度。

4 電纜本質安全特性參數的計算

4.1 電纜回路電容的計算

電子計算機及儀表信號電纜是由若干傳輸信號的回路組成的，屬于對稱電纜。對稱電纜回路間的電容稱工作電容，則單獨回路電纜的工作電容：

(1)

多回路電纜中，回路的工作電容：

(2)

4.2 電纜回路電感的計算

對稱電纜回路總電感為

(3)

4.3 電纜回路直流電阻的計算

導線的直流電阻一般按每千米長度的電阻來計算：

(4)

或

(5)

式中：ρ——導電線芯的電阻率，Ω·mm2/m；l——電纜長度，m；S——導電線芯截面積，mm2；n——單線總根數。

然后利用電纜回路電感與電阻比=L/R，計算電纜回路感阻比。

5 電纜本質安全特性參數的測試

5.1 電纜工作電容的測試

電子計算機及儀表信號電纜屬于對稱電纜，其工作電容的正規試驗方法是采用GB/T 5441.2—1985《通信電纜試驗方法工作電容試驗電橋法》。將制造長度電纜回路(線對)一端的兩根線芯導體接到電橋的測試端鈕上，另一端2根線芯導體開路，測試頻率為800～1000Hz，測出的電容值應換算成單位長度的工作電容為

C=Cx/l

(6)

式中：C——電纜的回路工作電容，pF/m；Cx——制造長度電纜(線對)工作電容測量值，nF。

電纜工作電容也可用普通的RCL電橋或帶電容檔的萬用表參照上述方法測試和換算。電纜的工作電容并聯于電纜的回路(線對)之間，沿電纜長度均勻分布，也稱電纜的回路電容或分布電容。

5.2 電纜電感的測試

電纜電感的測試方法尚無標準可依，但可用普通的RCL電橋或帶電感檔的萬用表測量。將制造長度電纜回路(線對)一端的2根線芯導體接到儀器的測試端鈕上，另一端2根線芯導體開路，測試頻率為800～1000Hz。電纜的電感串聯在電纜回路(線對)的往返線路上，沿電纜長度均勻分布，故電感測量值除以電纜長度稱電纜的回路電感，電感測量值除以電纜2倍長度稱電纜的分布電感，則測出的電感值換算成單位長度的電感為

(7)

式中：L回——電纜的回路電感，μH/m；L——電纜的分布電感，μH/m；Lx——制造長度電纜回路電感的測量值，mH；l——被測電纜的長度，m。

5.3 20℃導體直流電阻的測試

電纜20℃導體直流電阻的正規測試方法應按GB/T 3048.4—2007進行，用單臂電橋或雙倍電橋測量。非仲裁試驗也可用普通的RCL電橋或萬用表測量。將制造長度電纜回路(線對)一端的2根線芯導體接到儀器的測試端鈕上，另一端2根線芯導體短路，測出的電阻值應換算成單位長度的電阻為

R回=Rx/lR=Rx/2l

(8)

式中：R回——電纜的回路電阻，Ω/m；R——電纜的分布電阻，Ω；Rx——制造長度電纜回路電阻的測量值，Ω。

在環境溫度下測得的直流電阻應換算成20℃直流電阻：

(9)

式中：R20——20℃時導體直流電阻，Ω/m；α20——導體材料20℃時的電阻溫度系數，1/℃；t——測量時的環境溫度，℃。

5.4 感阻比的計算

感阻比即電感電阻比，等于回路電感除以回路電阻：L回/R回；或分布電感除以分布電阻(直流電阻)：L/R。

5.5 靜電感應電壓及強磁場干擾感應電壓和輻射干擾感應強度的測試

試驗方法由國家級儀器儀表防爆安全監督檢驗站制定。將電纜置于20kV靜電場下，測出電纜的感應電壓，即靜電感應電壓；將電纜置于400A/m的強磁場下，測出電纜的感應電壓，即強磁場干擾感應電壓；將電纜置于頻率為200MHz，強度為120dBμV的輻射源下，測出電纜的感應強度，即輻射干擾感應強度。

6 本質安全信號電纜的結構

電纜導體采用獨股或7股、19股正規絞合銅線或鍍錫銅線。絕緣通常采用介電常數ε較小的聚乙烯或氟塑料，以減小電容。絕緣線芯先絞對，再成纜。為了防止電磁干擾，通常帶有纜芯總屏蔽或線對分屏蔽加纜芯總屏蔽。屏蔽優先采用金屬/聚酯復合膜加泄流線結構，不推薦采用有毛刺的金屬絲編織結構。電纜可以采用鋼帶繞包或金屬絲纏繞鎧裝。護套通常采用聚氯乙烯、氟塑料或無鹵低煙阻燃聚烯烴等。