计算机及仪表信号电缆本质安全特性的探讨

郭士尧，程玮

(1. 广东日丰电缆股份有限公司，广东 中山 528401；2. 河北华通线缆集团有限公司，河北 唐山 063300)

在自动化控制系统中，作为控制信号的传输介质，用得最多的是电子计算机及仪表信号电缆(简称电缆)。该电缆在石油、石化、化工、电力、冶金、造纸、环保等工业生产自动化控制系统(如单元组合式模拟仪表控制系统ACS，计算机控制系统CCS，集散控制系统DCS等)中得到了广泛的应用。

电缆在系统中作为电子计算机、仪表、传感器及执行机构之间的连接线，传输检测、控制、监察、报警、联锁等模拟信号，也可作为低频数字信号传输线。然而，在许多易发生爆炸的危险环境中，要求控制电路具有安全防爆功能，从而要求计算机仪表电缆具有本质安全特性。

1 电缆与本质安全的关系

在工业自动化控制领域，往往存在具有潜在爆炸危险的区域，即危险场所。所谓危险场所，即存在如原油及其衍生物、酒精、天然或合成气体、金属或碳粉尘、面粉或谷物颗粒、纤维和浮状物等具有潜在爆炸危险物品的区域。危险场所的电气设备包括电气连接线一旦发生火花或达到临界温度，就会引起爆炸。为了保证危险场所不被点燃，标准IEC 79及GB 3836对爆炸性环境所用电气设备规定了多种防爆型式，如：隔爆型“d”，增安型“e”，本质安全型“i”，正压型“p”，充油型“o”，充沙型“q”及无火花型“n”。其中，本质安全型是电缆设计中常采用的防爆型式。

根据EN 50 020：1977《本质安全电气装置》定义，本质安全是在正常操作和规定的事故情况下，产生的任何火花或热效应使在已知的爆炸环境与规定的测试条件下，不会引起爆炸。对于电缆来说，本质安全就是在危险场所安装的电缆线路可能获得的能量应被限制在电气故障下可能出现的电火花或热表面不足以引起点燃的水平。

2 电缆与本质安全有关的电气特性

2.1 电缆是储能器件

电缆有4个一次电气参数：电阻R、电感L、电容C和电导G。其中电阻和电导是耗能参数，电感和电容是储能参数。当电缆接通信号电源后，电阻和电导要消耗信号的一部分能量，使信号沿长度逐步减弱；而电容和电感则能够将电能储存起来，断电之后，能量依然存在。电容和电感的数值越大，储存的能量越多。

2.2 电缆可以产生感应能量

电缆是无源器件，自身不产生电流、电压或功率。在自动化控制系统中，计算机仪表电缆通常传输0～20mA弱电信号，但当它与大功率动力电缆及其他高压高频电气设备及其连接线同处于一个系统中时，受强磁场或交变电磁场的感应或干扰，会产生三种感应能量：静电感应电压、强磁场干扰感应电压和高频辐射干扰感应电压。感应能量的大小，与静电场强度、磁场交变的速率和电缆屏蔽高频辐射的能力有关。

2.3 电缆储存能量及感应能量的多少与长度成正比

电缆的一次电气参数都是分布参数，其电感和电容储蓄的能量与电缆长度成正比。而电缆受电磁场感应或干扰时产生感应能量也与电缆受感应和干扰的长度成正比。

2.4 电缆可能作为能量的释放源

当电缆接通电源从系统获得能量后，在电路开关通断、开路或短路时，或由于电缆绝缘破损及断线，使电缆的导体靠近屏蔽或接地体时，由于电感具有维持电流不能突变的特性，电容具有维持电压不能突变的特性，使电缆可能成为能量的释放源，从而产生电弧或火花。如果周围环境存在爆炸危险物品，则可能引起爆炸。另外，当电缆受电磁场感应及干扰时产生感应能量后，表面发热而达到临界温度时，也会引起爆炸。

3 本质安全系统对电缆电气参数的要求

3.1 最大容许电容和最大容许电感

如前所述，电缆是储能部件，储能多少与电感、电容数值的大小及电缆长度成正比。但是电缆需要有足够的能量，释放时才能使气体电离，才能产生电弧或火花(点燃)。如果设定电缆的一次参数，控制其电感、电容数值，在规定的长度上不超过某一允许值，从而使其储存的能量不足以点燃周围气体，从而达到了本质安全的要求。因此，电缆的最大容许电感和最大容许电容，对于本质安全系统是极其重要的性能参数。

3.2 最大容许感/阻比(L/R)

如果电缆的电容和电感值较大，可能会限制危险场所所用电缆的长度。对于本质安全系统，电缆的电容和电感值越小越好。但是在设计电缆结构时，这2个参数是相互矛盾的，如果减小其电容时，电感则增大，反之亦然。

然而，大多数由最大允许电感参数导致的对电缆长度的限制，可以通过使用允许的L/R加以解决。系统电缆长度增加时，电感增大了的同时也伴随着电阻的增加，减小了在电路通断时电感所维持的电流，也就是削弱了电感的作用。因此，尽管电缆的电感变化，但只要L/R满足本质安全系统的要求即可，该参数也是重要的本质安全性能参数。

3.3 静电感应电压及强磁场干扰感应电压和辐射干扰感应强度

该三项指标描述了外界强电磁场对电缆的感应和干扰所产生的电气参数，它主要反映电缆在电磁场和高频辐射干扰作用下的屏蔽效果，这在英标BS 5308中并无规定，但中国国家级仪器仪表防爆安全监督检验站对此有要求并对试验方法作出了具体的规定。

3.4 不同的本质安全系统对电缆电气参数的要求也不同

不同的本安系统对电缆电气参数的要求也不同。通常，每一个本安场所都将给出允许连接到其本安端的最大电感、电容及L/R的值，且它们随气体组别的不同而不同。据此，参照电缆产品样本中给出的电缆的电容和电感值及L/R值选择电缆，并计算出电缆的最大允许长度。

4 电缆本质安全特性参数的计算

4.1 电缆回路电容的计算

电子计算机及仪表信号电缆是由若干传输信号的回路组成的，属于对称电缆。对称电缆回路间的电容称工作电容，则单独回路电缆的工作电容：

(1)

多回路电缆中，回路的工作电容：

(2)

4.2 电缆回路电感的计算

对称电缆回路总电感为

(3)

4.3 电缆回路直流电阻的计算

导线的直流电阻一般按每千米长度的电阻来计算：

(4)

或

(5)

式中：ρ——导电线芯的电阻率，Ω·mm2/m；l——电缆长度，m；S——导电线芯截面积，mm2；n——单线总根数。

然后利用电缆回路电感与电阻比=L/R，计算电缆回路感阻比。

5 电缆本质安全特性参数的测试

5.1 电缆工作电容的测试

电子计算机及仪表信号电缆属于对称电缆，其工作电容的正规试验方法是采用GB/T 5441.2—1985《通信电缆试验方法 工作电容试验 电桥法》。将制造长度电缆回路(线对)一端的两根线芯导体接到电桥的测试端钮上，另一端2根线芯导体开路，测试频率为800～1000Hz，测出的电容值应换算成单位长度的工作电容为

C=Cx/l

(6)

式中：C——电缆的回路工作电容，pF/m；Cx——制造长度电缆(线对)工作电容测量值，nF。

电缆工作电容也可用普通的RCL电桥或带电容档的万用表参照上述方法测试和换算。电缆的工作电容并联于电缆的回路(线对)之间，沿电缆长度均匀分布，也称电缆的回路电容或分布电容。

5.2 电缆电感的测试

电缆电感的测试方法尚无标准可依，但可用普通的RCL电桥或带电感档的万用表测量。将制造长度电缆回路(线对)一端的2根线芯导体接到仪器的测试端钮上，另一端2根线芯导体开路，测试频率为800～1000Hz。电缆的电感串联在电缆回路(线对)的往返线路上，沿电缆长度均匀分布，故电感测量值除以电缆长度称电缆的回路电感，电感测量值除以电缆2倍长度称电缆的分布电感，则测出的电感值换算成单位长度的电感为

(7)

式中：L回——电缆的回路电感，μH/m；L——电缆的分布电感，μH/m；Lx——制造长度电缆回路电感的测量值，mH；l——被测电缆的长度，m。

5.3 20℃导体直流电阻的测试

电缆20℃导体直流电阻的正规测试方法应按GB/T 3048.4—2007进行，用单臂电桥或双倍电桥测量。非仲裁试验也可用普通的RCL电桥或万用表测量。将制造长度电缆回路(线对)一端的2根线芯导体接到仪器的测试端钮上，另一端2根线芯导体短路，测出的电阻值应换算成单位长度的电阻为

R回=Rx/lR=Rx/2l

(8)

式中：R回——电缆的回路电阻，Ω/m；R——电缆的分布电阻，Ω；Rx——制造长度电缆回路电阻的测量值，Ω。

在环境温度下测得的直流电阻应换算成20℃直流电阻：

(9)

式中：R20——20℃时导体直流电阻，Ω/m；α20——导体材料20℃时的电阻温度系数，1/℃；t——测量时的环境温度，℃。

5.4 感阻比的计算

感阻比即电感电阻比，等于回路电感除以回路电阻：L回/R回；或分布电感除以分布电阻(直流电阻)：L/R。

5.5 静电感应电压及强磁场干扰感应电压和辐射干扰感应强度的测试

试验方法由国家级仪器仪表防爆安全监督检验站制定。将电缆置于20kV静电场下，测出电缆的感应电压，即静电感应电压；将电缆置于400A/m的强磁场下，测出电缆的感应电压，即强磁场干扰感应电压；将电缆置于频率为200MHz，强度为120dBμV的辐射源下，测出电缆的感应强度，即辐射干扰感应强度。

6 本质安全信号电缆的结构

电缆导体采用独股或7股、19股正规绞合铜线或镀锡铜线。绝缘通常采用介电常数ε较小的聚乙烯或氟塑料，以减小电容。绝缘线芯先绞对，再成缆。为了防止电磁干扰，通常带有缆芯总屏蔽或线对分屏蔽加缆芯总屏蔽。屏蔽优先采用金属/聚酯复合膜加泄流线结构，不推荐采用有毛刺的金属丝编织结构。电缆可以采用钢带绕包或金属丝缠绕铠装。护套通常采用聚氯乙烯、氟塑料或无卤低烟阻燃聚烯烃等。

7 电缆的本质安全特性参数的指标

7.1 国外标准的规定

英国标准BS 5308.1《仪表电缆 聚乙烯绝缘电缆》对本质安全系统用仪表电缆只规定了C和L/R两个参数，见表1所列。

表1 国外标准C和L/R最大值(测试频率1kHz)

7.2 国内标准的规定

1)国家电线电缆质量监督检验中心技术规范的规定，见表2所列。

2)企业标准的规定见表3所列。

表2 国内标准C和L/R最大值(测试频率1kHz)

表3 某企业标准规定信号电缆的本质安全参数

8 结束语

1)自动化控制系统所用的电子计算机及仪表信号电缆，虽然其本身属无源器件，但当接通电源后或在强干扰源作用下，会产生能量，一旦遇有合适的条件，会释放能量(放电)，从而点燃可燃物或引起爆炸。

2)在石油、石化领域等存在易燃、易爆物质的区域，是具有潜在爆炸氛围的危险区域，自动化控制系统应采用具有本质安全特性的电子计算机及仪表信号电缆，并根据系统本质安全的要求和电缆的本质安全特性参数指标，设计需用电缆的规格及长度。

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