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计算机及仪表信号电缆本质安全特性的探讨

文档作者：郭士尧程玮文档来源： 1．广东日丰电缆股份有限公司 2．河北华通线缆集团有限公司		点击数：	更新时间： 2025年02月21日
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上一篇：浅谈核安全级电缆的常态监管

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第5O卷第2期
2014年4月
石油化工自动化
AUToMATIoN IN PETR()-CHEMICAL INDUSTRY
Vo1．50，No．2
April，2014
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)
摘要：针对危险环境中对控制电路具有安全防爆功能的要求，简要介绍了在危险场所的自动化控制系统中，所使用的电子计
算机及仪表信号电缆与本质安全有关的电气特性及其物理概念；本质安全系统对电缆电气参数的要求；电缆本质安全特性参数
的计算公式及测试方法；本质安全信号电缆的一般结构、型号及规格。
关键词：仪表信号电缆控制系统本质安全
中图分类号：TM726 文献标志码：B 文章编号：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0 ，集散
控制系统D 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“0”，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
稿件收到日期：2013—09—13，修改稿收到日期：2013—12—25。
作者简介：郭士尧(194O一)，男，江苏镇江人，1965年毕业于上海
交通大学电机工程系电缆技术专业，现就职于广东日丰电缆股份
有限公司，任总工、教授级高级工程师，发表过多篇论文。
22 石油化工自动化 第5O卷
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o～2O mA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
然而，大多数由最大允许电感参数导致的对电
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
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
本安端的最大电感、电容及L／R的值，且它们随气
给出的电缆的电容和电感值及L／R值选择电缆，
电子计算机及仪表信号电缆是由若干传输信
的电容称工作电容，则单独回路电缆的工作电容：
c一 ：： (1)
36ln—2a-
—
d
c 一
Xe
,
X 10 6
(2)
36ln( )
式．中． ：屏蔽对线组 一 一“ ；非屏蔽对线组
一 ； —— 总绞入系数 ·01～
径，mm；d2——对线组直径，mm；￡ ——等效相对
第2期 郭士尧等．计算机及仪表信号电缆本质安全特性的探讨 23
介电常数(PE绝缘为2．3)。
4．2 电缆回路电感的计算
对称电缆回路总电感为
L— 『L 4ln d + ’Q(z)]j ×1o～ (3)
式中：Q( )——z的函数，其中，z—kd／2，k一
~／ ，可查表。
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：
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——导电线芯的电阻率，Q ·mm ／m；
z—— 电缆长度，m；S—— 导电线芯截面积，mm ；
— — 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800~1 000 Hz，测出的电容值应换
算成单位长度的工作电容为
C— Cx／z (6)
式中：C_一电缆的回路工作电容，pF／m；C ——
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800~1 000 Hz。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
L —
L
L
~
回
= L
—
x ／l
L ／2 L ／2z (7)
— L回 一 ／2Z ⋯
式中：L回—— 电缆的回路电感， H／m；L—— 电缆
的分布电感，uH／m；L ——制造长度电缆回路电
感的测量值，mH；z——被测电缆的长度，m。
5．3 20℃ 导体直流电阻的测试
电缆2O℃导体直流电阻的正规测试方法应按
GB／T 3048．4～20O7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
R R ／2z ㈣
一
、
式中：R回—— 电缆的回路电阻，Q／m；R—— 电缆
的分布电阻，Q；R ——制造长度电缆回路电阻的
测量值，Q。
在环境温度下测得的直流电阻应换算成20℃
直流电阻：
一
式中：R 。——2O℃ 时导体直流电阻，~2／m；
a。。——导体材料2O℃时的电阻温度系数，1／℃ ；
￡— —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20 kV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
400 A／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200 MHz，
强度为120 dB／~V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e较小的
24 石油化工自动化 第5O卷
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1 kHz)
本质安全特性 电缆导体截面积／n
0．5 I．O i．5
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1 kHz)
表3 某企业标准规定信号电缆的本质安全参数
注：① 表中为分对屏蔽加总屏蔽电缆本质安全特性的最大值；
② 电容、电感测试频率为1 kHz。
(下转第52页)
52 石油化工自动化 第5O卷
漏判断，然后检验参数 ( )的值重新从零开始计
算；当检验参数超出上边界时，做出泄漏的判断，并
调用相应的判断程序给出泄漏时刻，检验参数
(扎)同样重新从零开始计算。上述的判断步骤是
根据序贯概率比检验的原理设计的，只有当检验参
数未超过上下边界时无法做出是否泄漏的判断，继
续计算 ( )，一旦其超出边界，则做出判断，并将
检验参数做归零处理，重新开始计算。压力信号序
列经过卡尔曼滤波和归一化等处理后，检验参数
( )的计算见式(9)，由该式可以看出参数 的
选择对 ( )的影响较大。当 值较大时，容易引
起误报警；当 值较小时，又会漏报警，两者都是
不可取的。因此，选择参数△ 的原则就是尽量使
误报警率和漏报警率最低，一般均值偏差 取值
范围为0．1040．15。
4 结术语
该检漏系统通过更换高频数据采集卡、采用以
太网FTP程序和实时TCP／IP通信并行工作的通
信方式，并且以解决负压波检测管道泄漏方法的关
键参数—— 时间差的获得为基础，提出了卡尔曼滤
波和序贯概率比检验的算法，实现了提高管道泄漏
监控系统的实时性和准确性的目的，最大定位距离
不超过0．4 km，并且对于小泄漏信号的检漏率达
到了9O 以上。
参考文献：
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(上接第24页)
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。
参考文献：
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