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計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜本質(zhì)安全特性的探討

文檔作者：郭士堯程瑋文檔來(lái)源： 1．廣東日豐電纜股份有限公司 2．河北華通線纜集團(tuán)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年02月21日
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第5O卷第2期
2014年4月
石油化工自動(dòng)化
AUToMATIoN IN PETR()-CHEMICAL INDUSTRY
Vo1．50，No．2
April，2014
計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜本質(zhì)安全特性的探討
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(tuán)有限公司，河北唐山063300)
摘要：針對(duì)危險(xiǎn)環(huán)境中對(duì)控制電路具有安全防爆功能的要求，簡(jiǎn)要介紹了在危險(xiǎn)場(chǎng)所的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，所使用的電子計(jì)
算機(jī)及儀表信號(hào)電纜與本質(zhì)安全有關(guān)的電氣特性及其物理概念；本質(zhì)安全系統(tǒng)對(duì)電纜電氣參數(shù)的要求；電纜本質(zhì)安全特性參數(shù)
的計(jì)算公式及測(cè)試方法；本質(zhì)安全信號(hào)電纜的一般結(jié)構(gòu)、型號(hào)及規(guī)格。
關(guān)鍵詞：儀表信號(hào)電纜控制系統(tǒng)本質(zhì)安全
中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1007—7324(2014)02—0021—04
Discussion on Intrinsic Safety Characteristic of Computer and Instrument Signal Cable
Guo Shiyao ，Cheng W ei
(1．Guangdong Rifeng Cable Manufacture Co．Ltd．，Zhongshan，528401，China；
2．Huatong Electric W ire&amp;amp; Cable Group Co．Ltd．，Tangshan，063300，China)
Abstract： Contrapose to requirement of safety explosion-proof for control circuit under
hazardous circumstances，the electrical characteristic as well as physical conception related to
intrinsic safety for electronic computer and instrument signal cable used in automatic control
system in hazardous environment are introduced，mean while，requirement of cable and electric
parameters for intrinsic safety system ， the computational formulas and test methods for
intrinsic safety characteristic parameters， and general structure， types and specification of
intrinsic safety signal cables are briefly introduced．
Key words：instrument；signal cables；control system ；intrinsic safety
在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，作為控制信號(hào)的傳輸介
質(zhì)，用得最多的是電子計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜(簡(jiǎn)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(dòng)化控制系統(tǒng)(如單元組合式
模擬儀表控制系統(tǒng)ACS，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)0 ，集散
控制系統(tǒng)D 等)中得到了廣泛的應(yīng)用。
電纜在系統(tǒng)中作為電子計(jì)算機(jī)、儀表、傳感器
及執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的連接線，傳輸檢測(cè)、控制、監(jiān)察、
報(bào)警、聯(lián)鎖等模擬信號(hào)，也可作為低頻數(shù)字信號(hào)傳
輸線。然而，在許多易發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)環(huán)境中，要
求控制電路具有安全防爆功能，從而要求計(jì)算機(jī)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(dòng)化控制領(lǐng)域，往往存在具有潛在爆
炸危險(xiǎn)的區(qū)域，即危險(xiǎn)場(chǎng)所。所謂危險(xiǎn)場(chǎng)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(xiǎn)物品的區(qū)域。危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備
包括電氣連接線一旦發(fā)生火花或達(dá)到臨界溫度，就
會(huì)引起爆炸。為了保證危險(xiǎn)場(chǎng)所不被點(diǎn)燃，標(biāo)準(zhǔn)
IEC 79及GB 3836對(duì)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“0”，充沙型“q”及
無(wú)火花型“n”。其中，本質(zhì)安全型是電纜設(shè)計(jì)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(cè)試條件下，不會(huì)引起爆炸。對(duì)于電纜來(lái)
說(shuō)，本質(zhì)安全就是在危險(xiǎn)場(chǎng)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(diǎn)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(chǔ)能器件
電纜有4個(gè)一次電氣參數(shù)：電阻R、電感L、電
稿件收到日期：2013—09—13，修改稿收到日期：2013—12—25。
作者簡(jiǎn)介：郭士堯(194O一)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，1965年畢業(yè)于上海
交通大學(xué)電機(jī)工程系電纜技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)就職于廣東日豐電纜股份
有限公司，任總工、教授級(jí)高級(jí)工程師，發(fā)表過(guò)多篇論文。
22 石油化工自動(dòng)化 第5O卷
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(chǔ)能參數(shù)。當(dāng)電纜接通信號(hào)電源后，電阻
和電導(dǎo)要消耗信號(hào)的一部分能量，使信號(hào)沿長(zhǎng)度逐
步減弱；而電容和電感則能夠?qū)㈦娔軆?chǔ)存起來(lái)，斷
電之后，能量依然存在。電容和電感的數(shù)值越大，
儲(chǔ)存的能量越多。
2．2 電纜可以產(chǎn)生感應(yīng)能量
電纜是無(wú)源器件，自身不產(chǎn)生電流、電壓或功
率。在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)儀表電纜通常傳
輸o～2O mA弱電信號(hào)，但當(dāng)它與大功率動(dòng)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(gè)
系統(tǒng)中時(shí)，受強(qiáng)磁場(chǎng)或交變電磁場(chǎng)的感應(yīng)或干擾，
會(huì)產(chǎn)生三種感應(yīng)能量：靜電感應(yīng)電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)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(chǔ)存能量及感應(yīng)能量的多少與長(zhǎng)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(chǔ)蓄的能量與電纜長(zhǎng)度成正比。而電纜受電
磁場(chǎng)感應(yīng)或干擾時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)能量也與電纜受感應(yīng)
和干擾的長(zhǎng)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(kāi)
關(guān)通斷、開(kāi)路或短路時(shí)，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(shí)，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(xiǎn)物品，則可能引起爆炸。另外，當(dāng)電纜受電磁場(chǎng)
感應(yīng)及干擾時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)能量后，表面發(fā)熱而達(dá)到臨
界溫度時(shí)，也會(huì)引起爆炸。
3 本質(zhì)安全系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)能部件，儲(chǔ)能多少與電感、
電容數(shù)值的大小及電纜長(zhǎng)度成正比。但是電纜需
要有足夠的能量，釋放時(shí)才能使氣體電離，才能產(chǎn)
生電弧或火花(點(diǎn)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(zhǎng)度上不超過(guò)某
一允許值，從而使其儲(chǔ)存的能量不足以點(diǎn)燃周圍氣
體，從而達(dá)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(duì)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(huì)限制危
險(xiǎn)場(chǎng)所所用電纜的長(zhǎng)度。對(duì)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(jì)電纜結(jié)構(gòu)
然而，大多數(shù)由最大允許電感參數(shù)導(dǎo)致的對(duì)電
決。系統(tǒng)電纜長(zhǎng)度增加時(shí)，電感增大了的同時(shí)也伴
隨著電阻的增加，減小了在電路通斷時(shí)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
該三項(xiàng)指標(biāo)描述了外界強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)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
本安端的最大電感、電容及L／R的值，且它們隨氣
給出的電纜的電容和電感值及L／R值選擇電纜，
電子計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜是由若干傳輸信
的電容稱工作電容，則單獨(dú)回路電纜的工作電容：
c一 ：： (1)
36ln—2a-
—
d
c 一
Xe
,
X 10 6
(2)
36ln( )
式．中． ：屏蔽對(duì)線組 一 一“ ；非屏蔽對(duì)線組
一 ； —— 總絞入系數(shù) ·01～
徑，mm；d2——對(duì)線組直徑，mm；￡ ——等效相對(duì)
第2期 郭士堯等．計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜本質(zhì)安全特性的探討 23
介電常數(shù)(PE絕緣為2．3)。
4．2 電纜回路電感的計(jì)算
對(duì)稱電纜回路總電感為
L— 『L 4ln d + ’Q(z)]j ×1o～ (3)
式中：Q( )——z的函數(shù)，其中，z—kd／2，k一
~／ ，可查表。
4．3 電纜回路直流電阻的計(jì)算
導(dǎo)線的直流電阻一般按每千米長(zhǎng)度的電阻來(lái)
計(jì)算：
Ro一2 P l
= 2Ap去cQ ㈤
或 R。一 l0—8—
0
—
0 0 (Q／k
m) (5)
nnd
式中：』D——導(dǎo)電線芯的電阻率，Q ·mm ／m；
z—— 電纜長(zhǎng)度，m；S—— 導(dǎo)電線芯截面積，mm ；
— — 單線總根數(shù)。
然后利用電纜回路電感與電阻比=L／R，計(jì)算
電纜回路感阻比。
5 電纜本質(zhì)安全特性參數(shù)的測(cè)試
5．1 電纜工作電容的測(cè)試
電子計(jì)算機(jī)及儀表信號(hào)電纜屬于對(duì)稱電纜，其
工作電容的正規(guī)試驗(yàn)方法是采用GB／T 5441．2—
1985~通信電纜試驗(yàn)方法工作電容試驗(yàn)電橋法》。
將制造長(zhǎng)度電纜回路(線對(duì))一端的兩根線芯導(dǎo)體
接到電橋的測(cè)試端鈕上，另一端2根線芯導(dǎo)體開(kāi)
路，測(cè)試頻率為800~1 000 Hz，測(cè)出的電容值應(yīng)換
算成單位長(zhǎng)度的工作電容為
C— Cx／z (6)
式中：C_一電纜的回路工作電容，pF／m；C ——
制造長(zhǎng)度電纜(線對(duì))工作電容測(cè)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(wàn)用表參照上述方法測(cè)試和換算。電纜的
工作電容并聯(lián)于電纜的回路(線對(duì))之間，沿電纜長(zhǎng)
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(cè)試
電纜電感的測(cè)試方法尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可依，但可用普
通的RCL電橋或帶電感檔的萬(wàn)用表測(cè)量。將制造
長(zhǎng)度電纜回路(線對(duì))一端的2根線芯導(dǎo)體接到儀
器的測(cè)試端鈕上，另一端2根線芯導(dǎo)體開(kāi)路，測(cè)試
頻率為800~1 000 Hz。電纜的電感串聯(lián)在電纜回
路(線對(duì))的往返線路上，沿電纜長(zhǎng)度均勻分布，故
電感測(cè)量值除以電纜長(zhǎng)度稱電纜的回路電感，電感
測(cè)量值除以電纜2倍長(zhǎng)度稱電纜的分布電感，則測(cè)
出的電感值換算成單位長(zhǎng)度的電感為
L —
L
L
~
回
= L
—
x ／l
L ／2 L ／2z (7)
— L回 一 ／2Z ?
式中：L回—— 電纜的回路電感， H／m；L—— 電纜
的分布電感，uH／m；L ——制造長(zhǎng)度電纜回路電
感的測(cè)量值，mH；z——被測(cè)電纜的長(zhǎng)度，m。
5．3 20℃ 導(dǎo)體直流電阻的測(cè)試
電纜2O℃導(dǎo)體直流電阻的正規(guī)測(cè)試方法應(yīng)按
GB／T 3048．4～20O7進(jìn)行，用單臂電橋或雙倍電
橋測(cè)量。非仲裁試驗(yàn)也可用普通的RCL電橋或萬(wàn)
用表測(cè)量。將制造長(zhǎng)度電纜回路(線對(duì))一端的2
根線芯導(dǎo)體接到儀器的測(cè)試端鈕上，另一端2根線
芯導(dǎo)體短路，測(cè)出的電阻值應(yīng)換算成單位長(zhǎng)度的電
阻為
R
R R ／2z ㈣
一
、
式中：R回—— 電纜的回路電阻，Q／m；R—— 電纜
的分布電阻，Q；R ——制造長(zhǎng)度電纜回路電阻的
測(cè)量值，Q。
在環(huán)境溫度下測(cè)得的直流電阻應(yīng)換算成20℃
直流電阻：
一
式中：R ?！?O℃ 時(shí)導(dǎo)體直流電阻，~2／m；
a。?！獙?dǎo)體材料2O℃時(shí)的電阻溫度系數(shù)，1／℃ ；
￡— —測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，℃ 。
5．4 感阻比的計(jì)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(qiáng)磁場(chǎng)干擾感應(yīng)電壓和輻射
干擾感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)試
試驗(yàn)方法由國(guó)家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢
驗(yàn)站制定。將電纜置于20 kV靜電場(chǎng)下，測(cè)出電
纜的感應(yīng)電壓，即靜電感應(yīng)電壓；將電纜置于
400 A／m的強(qiáng)磁場(chǎng)下，測(cè)出電纜的感應(yīng)電壓，即強(qiáng)
磁場(chǎng)干擾感應(yīng)電壓；將電纜置于頻率為200 MHz，
強(qiáng)度為120 dB／~V的輻射源下，測(cè)出電纜的感應(yīng)強(qiáng)
度，即輻射干擾感應(yīng)強(qiáng)度。
6 本質(zhì)安全信號(hào)電纜的結(jié)構(gòu)
電纜導(dǎo)體采用獨(dú)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)e較小的
24 石油化工自動(dòng)化 第5O卷
聚乙烯或氟塑料，以減小電容。絕緣線芯先絞對(duì)，
再成纜。為了防止電磁干擾，通常帶有纜芯總屏蔽
或線對(duì)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(hù)套通常采用聚氯乙烯、氟塑料或無(wú)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(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 5308．1《儀表電纜聚乙烯絕緣
電纜》對(duì)本質(zhì)安全系統(tǒng)用儀表電纜只規(guī)定了C和
L／R兩個(gè)參數(shù)，見(jiàn)表1所列。
表1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)C和L／R最大值(測(cè)試頻率1 kHz)
本質(zhì)安全特性 電纜導(dǎo)體截面積／n
0．5 I．O i．5
7．2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定
1)國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心技術(shù)規(guī)范
的規(guī)定，見(jiàn)表2所列。
2)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定見(jiàn)表3所列。
表2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)C和L／R最大值(測(cè)試頻率1 kHz)
表3 某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定信號(hào)電纜的本質(zhì)安全參數(shù)
注：① 表中為分對(duì)屏蔽加總屏蔽電纜本質(zhì)安全特性的最大值；
② 電容、電感測(cè)試頻率為1 kHz。
(下轉(zhuǎn)第52頁(yè))
52 石油化工自動(dòng)化 第5O卷
漏判斷，然后檢驗(yàn)參數(shù) ( )的值重新從零開(kāi)始計(jì)
算；當(dāng)檢驗(yàn)參數(shù)超出上邊界時(shí)，做出泄漏的判斷，并
調(diào)用相應(yīng)的判斷程序給出泄漏時(shí)刻，檢驗(yàn)參數(shù)
(扎)同樣重新從零開(kāi)始計(jì)算。上述的判斷步驟是
根據(jù)序貫概率比檢驗(yàn)的原理設(shè)計(jì)的，只有當(dāng)檢驗(yàn)參
數(shù)未超過(guò)上下邊界時(shí)無(wú)法做出是否泄漏的判斷，繼
續(xù)計(jì)算 ( )，一旦其超出邊界，則做出判斷，并將
檢驗(yàn)參數(shù)做歸零處理，重新開(kāi)始計(jì)算。壓力信號(hào)序
列經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波和歸一化等處理后，檢驗(yàn)參數(shù)
( )的計(jì)算見(jiàn)式(9)，由該式可以看出參數(shù) 的
選擇對(duì) ( )的影響較大。當(dāng) 值較大時(shí)，容易引
起誤報(bào)警；當(dāng) 值較小時(shí)，又會(huì)漏報(bào)警，兩者都是
不可取的。因此，選擇參數(shù)△ 的原則就是盡量使
誤報(bào)警率和漏報(bào)警率最低，一般均值偏差 取值
范圍為0．1040．15。
4 結(jié)術(shù)語(yǔ)
該檢漏系統(tǒng)通過(guò)更換高頻數(shù)據(jù)采集卡、采用以
太網(wǎng)FTP程序和實(shí)時(shí)TCP／IP通信并行工作的通
信方式，并且以解決負(fù)壓波檢測(cè)管道泄漏方法的關(guān)
鍵參數(shù)—— 時(shí)間差的獲得為基礎(chǔ)，提出了卡爾曼濾
波和序貫概率比檢驗(yàn)的算法，實(shí)現(xiàn)了提高管道泄漏
監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的目的，最大定位距離
不超過(guò)0．4 km，并且對(duì)于小泄漏信號(hào)的檢漏率達(dá)
到了9O 以上。
參考文獻(xiàn)：
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(上接第24頁(yè))
8 結(jié)束語(yǔ)
1)自動(dòng)化控制系統(tǒng)所用的電子計(jì)算機(jī)及儀表
信號(hào)電纜，雖然其本身屬無(wú)源器件，但當(dāng)接通電源
后或在強(qiáng)干擾源作用下，會(huì)產(chǎn)生能量，一旦遇有合
適的條件，會(huì)釋放能量(放電)，從而點(diǎn)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(xiǎn)區(qū)域，自動(dòng)化控
制系統(tǒng)應(yīng)采用具有本質(zhì)安全特性的電子計(jì)算機(jī)及
儀表信號(hào)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(jì)需用電纜的規(guī)格及
長(zhǎng)度。
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