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(tǒng)中，作為控制信號的傳輸介質(zhì)，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(huán)保等工業(yè)生產(chǎn)自動化控制系統(tǒng)(如單元組合式模擬儀表控制系統(tǒng)ACS，計算機控制系統(tǒng)CCS，集散控制系統(tǒng)DCS等)中得到了廣泛的應(yīng)用。

電纜在系統(tǒng)中作為電子計算機、儀表、傳感器及執(zhí)行機構(gòu)之間的連接線，傳輸檢測、控制、監(jiān)察、報警、聯(lián)鎖等模擬信號，也可作為低頻數(shù)字信號傳輸線。然而，在許多易發(fā)生爆炸的危險環(huán)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(zhì)安全特性。

1 電纜與本質(zhì)安全的關(guān)系

在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域，往往存在具有潛在爆炸危險的區(qū)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(qū)域。危險場所的電氣設(shè)備包括電氣連接線一旦發(fā)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(biāo)準IEC 79及GB 3836對爆炸性環(huán)境所用電氣設(shè)備規(guī)定了多種防爆型式，如：隔爆型“d”，增安型“e”，本質(zhì)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(zhì)安全型是電纜設(shè)計中常采用的防爆型式。

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

2 電纜與本質(zhì)安全有關(guān)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(shù)：電阻R、電感L、電容C和電導(dǎo)G。其中電阻和電導(dǎo)是耗能參數(shù)，電感和電容是儲能參數(shù)。當(dāng)電纜接通信號電源后，電阻和電導(dǎo)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?qū)㈦娔軆Υ嫫饋?，斷電之后，能量依然存在。電容和電感的?shù)值越大，儲存的能量越多。

2.2 電纜可以產(chǎn)生感應(yīng)能量

電纜是無源器件，自身不產(chǎn)生電流、電壓或功率。在自動化控制系統(tǒng)中，計算機儀表電纜通常傳輸0～20mA弱電信號，但當(dāng)它與大功率動力電纜及其他高壓高頻電氣設(shè)備及其連接線同處于一個系統(tǒng)中時，受強磁場或交變電磁場的感應(yīng)或干擾，會產(chǎn)生三種感應(yīng)能量：靜電感應(yīng)電壓、強磁場干擾感應(yīng)電壓和高頻輻射干擾感應(yīng)電壓。感應(yīng)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(guān)。

2.3 電纜儲存能量及感應(yīng)能量的多少與長度成正比

電纜的一次電氣參數(shù)都是分布參數(shù)，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(yīng)或干擾時產(chǎn)生感應(yīng)能量也與電纜受感應(yīng)和干擾的長度成正比。

2.4 電纜可能作為能量的釋放源

當(dāng)電纜接通電源從系統(tǒng)獲得能量后，在電路開關(guān)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(dǎo)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(chǎn)生電弧或火花。如果周圍環(huán)境存在爆炸危險物品，則可能引起爆炸。另外，當(dāng)電纜受電磁場感應(yīng)及干擾時產(chǎn)生感應(yīng)能量后，表面發(fā)熱而達到臨界溫度時，也會引起爆炸。

3 本質(zhì)安全系統(tǒng)對電纜電氣參數(shù)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(shù)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(chǎn)生電弧或火花(點燃)。如果設(shè)定電纜的一次參數(shù)，控制其電感、電容數(shù)值，在規(guī)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(zhì)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(zhì)安全系統(tǒng)是極其重要的性能參數(shù)。

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(zhì)安全系統(tǒng)，電纜的電容和電感值越小越好。但是在設(shè)計電纜結(jié)構(gòu)時，這2個參數(shù)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(shù)由最大允許電感參數(shù)導(dǎo)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(tǒng)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(zhì)安全系統(tǒng)的要求即可，該參數(shù)也是重要的本質(zhì)安全性能參數(shù)。

3.3 靜電感應(yīng)電壓及強磁場干擾感應(yīng)電壓和輻射干擾感應(yīng)強度

該三項指標(biāo)描述了外界強電磁場對電纜的感應(yīng)和干擾所產(chǎn)生的電氣參數(shù)，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(biāo)BS 5308中并無規(guī)定，但中國國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站對此有要求并對試驗方法作出了具體的規(guī)定。

3.4 不同的本質(zhì)安全系統(tǒng)對電纜電氣參數(shù)的要求也不同

不同的本安系統(tǒng)對電纜電氣參數(shù)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(jù)此，參照電纜產(chǎn)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(zhì)安全特性參數(shù)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(dǎo)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(dǎo)電線芯的電阻率，Ω·mm2/m；l——電纜長度，m；S——導(dǎo)電線芯截面積，mm2；n——單線總根數(shù)。

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(zhì)安全特性參數(shù)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(guī)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(dǎo)體接到電橋的測試端鈕上，另一端2根線芯導(dǎo)體開路，測試頻率為800～1000Hz，測出的電容值應(yīng)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(lián)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(biāo)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(dǎo)體接到儀器的測試端鈕上，另一端2根線芯導(dǎo)體開路，測試頻率為800～1000Hz。電纜的電感串聯(lián)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(dǎo)體直流電阻的測試

電纜20℃導(dǎo)體直流電阻的正規(guī)測試方法應(yīng)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(dǎo)體接到儀器的測試端鈕上，另一端2根線芯導(dǎo)體短路，測出的電阻值應(yīng)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(huán)境溫度下測得的直流電阻應(yīng)換算成20℃直流電阻：

(9)

式中：R20——20℃時導(dǎo)體直流電阻，Ω/m；α20——導(dǎo)體材料20℃時的電阻溫度系數(shù)，1/℃；t——測量時的環(huán)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(yīng)電壓及強磁場干擾感應(yīng)電壓和輻射干擾感應(yīng)強度的測試

試驗方法由國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站制定。將電纜置于20kV靜電場下，測出電纜的感應(yīng)電壓，即靜電感應(yīng)電壓；將電纜置于400A/m的強磁場下，測出電纜的感應(yīng)電壓，即強磁場干擾感應(yīng)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(yīng)強度，即輻射干擾感應(yīng)強度。

6 本質(zhì)安全信號電纜的結(jié)構(gòu)

電纜導(dǎo)體采用獨股或7股、19股正規(guī)絞合銅線或鍍錫銅線。絕緣通常采用介電常數(shù)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(yōu)先采用金屬/聚酯復(fù)合膜加泄流線結(jié)構(gòu)，不推薦采用有毛刺的金屬絲編織結(jié)構(gòu)。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。

7 電纜的本質(zhì)安全特性參數(shù)的指標(biāo)

7.1 國外標(biāo)準的規(guī)定

英國標(biāo)準BS 5308.1《儀表電纜 聚乙烯絕緣電纜》對本質(zhì)安全系統(tǒng)用儀表電纜只規(guī)定了C和L/R兩個參數(shù)，見表1所列。

表1 國外標(biāo)準C和L/R最大值(測試頻率1kHz)

7.2 國內(nèi)標(biāo)準的規(guī)定

1)國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，見表2所列。

2)企業(yè)標(biāo)準的規(guī)定見表3所列。

表2 國內(nèi)標(biāo)準C和L/R最大值(測試頻率1kHz)

表3 某企業(yè)標(biāo)準規(guī)定信號電纜的本質(zhì)安全參數(shù)

8 結(jié)束語

1)自動化控制系統(tǒng)所用的電子計算機及儀表信號電纜，雖然其本身屬無源器件，但當(dāng)接通電源后或在強干擾源作用下，會產(chǎn)生能量，一旦遇有合適的條件，會釋放能量(放電)，從而點燃可燃物或引起爆炸。

2)在石油、石化領(lǐng)域等存在易燃、易爆物質(zhì)的區(qū)域，是具有潛在爆炸氛圍的危險區(qū)域，自動化控制系統(tǒng)應(yīng)采用具有本質(zhì)安全特性的電子計算機及儀表信號電纜，并根據(jù)系統(tǒng)本質(zhì)安全的要求和電纜的本質(zhì)安全特性參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計需用電纜的規(guī)格及長度。

參考文獻：

[1]鄭玉東.通信電纜[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]全國防爆電氣設(shè)備標(biāo)準化技術(shù)委員會.GB 3836.4—2000爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2001.

[3]李亮.儀表防爆等級劃分標(biāo)準[EB/OL].(2013-01-26)[2013-09-13].http：//www.dqjsw.com.cn.

[4]吳長順，潘建忠，楊立志，等.TICW 6—2009計算機及儀表電纜[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2009.

[5]王珍.本質(zhì)安全儀表回路設(shè)計方法探討[J].石油化工自動化，2009，45(04)：65-70.

[6]孫繼平、王振龍，劉曉陽，等.通信與信號電纜分布參數(shù)及放電特性的研究[J].煤炭學(xué)報，2010(07)：1224-1228.

[7]上海電纜研究所.GB/T 5441—1985通信電纜試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準出版社，1986.

[8]上海電纜研究所.GB/T 3048—2007電線電纜電性能試驗方法[S].北京：中國標(biāo)準出版社，2007.

[9]電子可靠性協(xié)會防靜電培訓(xùn).靜電測試原理與技術(shù)[EB/OL].(2010-10-13)[2013-09-13].http：//wenku baidu.com/view/9fb548.