关于4～20 mA信号电缆敷设问题的探讨

赵晨炜

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

关于4～20 mA信号电缆敷设问题的探讨

赵晨炜

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

主要针对4 ～ 20 mA电缆在工程设计及施工过程中遇到的电缆敷设方面的问题进行论述。从4 ～ 20 mA电缆的应用范围、磁场干扰对电缆的影响、电缆敷设过程中各种具体解决方案等，分别对4 ～ 20 mA电缆的敷设方法进行总结与探讨。

4 ～ 20 mA电缆；电缆敷设；电气设计；电气施工方案

在工程项目中，电缆敷设是电气专业较为重要的一项工作。尤其是一些大型的化工医药项目，针对一些设备运行时的特殊要求，所用到的电缆型号及规格也不尽相同。因此，不可避免地面临一些电缆敷设方面的实际问题。

4 ～ 20 mA电缆在如今的工程项目中广泛应用于一些大型电机设备控制信号及管道电伴热上温度传感信号的传输。但由于4 ～ 20 mA电缆自身传输信号的特点，在电缆敷设过程中，有若干问题需要特别注意。

1 4 ～ 20 mA电缆的应用范围及场合

1.1 作为RTD或PTC信号传输使用

RTD全称 Resistance Temperature Detector，意思是电阻温度探测器，简称热电阻，它的电阻随温度变化而变化。通常RTD材料包括铜、铂、镍及镍/铁合金，RTD元件可以是一根导线，也可以是一层薄膜，采用电镀或溅射的方法涂敷在陶瓷类材料基底上。工业应用通常为铂热电阻。

PTC全称Positive Temperature Coefficient，一般指正温度系数很大的半导体材料或元器件。通常我们提到的PTC是指正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻。PTC热敏电阻是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

RTD与PTC皆属于常用的温度探测器类型，其广泛应用于自动消磁、延时启动、恒温加热、过流保护、过热保护、传感器等场合，也常用于电流浪涌过大、温度过高时对电路进行保护作用[1]。

RTD和PTC热电阻温度变送器输出信号至控制端采用4 ～ 20 mA电缆，用来传输电动机（多为高压电动机）及电伴热的4 ～ 20 mA温度控制信号。通过热敏电阻反应所测得的温度信号反馈给MCC，再通过信号回传给设备的热敏电阻，进而控制设备工作时的温度。

1.2 作为变频调速控制信号使用

变频调速控制信号一般由变频器或MCC至分散控制系统DCS，4 ～ 20 mA信号电缆起到的就是传输这部分信号的作用。4 ～ 20 mA信号是过程控制中标准的模拟信号，因为电流传输距离远，在传输过程中，不受线路电压降、接触电阻及其压降、杂散的热电效应以及感应噪声等影响，抗干扰能力较电压信号强，能用普通的两根导线传输，可对变频器实现远传速度控制。在对电机调速控制要求较高的化工及医药项目中使用得较为广泛。

2 电缆敷设过程中所面临的主要问题

通过以上对4 ～ 20 mA信号电缆应用范围的了解可知，4 ～ 20 mA信号电缆作为传输小信号的控制电缆使用时，传输的大多为模拟信号。由于模拟信号在外界干扰的情况下，会对传输信号对应的状态有较大影响的特点，在使用中需密切注意。

现假设需在敷设有诸如动力电缆等大电流电缆的桥架中加入4 ～ 20 mA信号电缆，即在同一根桥架中同时混合敷设不同电流强度的电缆。为了便于数据上的计算及分析，现假设在桥架中存在一根动力电缆，此时需在动力电缆旁敷设一根4 ～ 20 mA信号电缆，计算该动力电缆对4 ～ 20 mA信号的影响。

数据模型以直观化来进行描述，根据工程经验假设已知条件如下：

（1）动力电缆和4 ～ 20 mA信号电缆各取100 m作为长直导线处理；

（2）动力电缆内部流过电流为100 A；

（3）4 ～ 20 mA信号电缆内等效简化为两根电缆线芯且线芯间距为5 mm；

（4）4 ～ 20 mA信号电缆电阻率ρ=13 Ω/km；

（5）动力电缆内芯距与信号电缆内芯距为25 mm。

根据安培环路定律，动力电缆发出的磁场即信号电缆所受影响磁场为[2]：

其中 μ=4π×10-7H/m，为真空磁导率；

r=25 mm；

I=100 sinΦt。

由感应电动势公式：

φ=BS，此处通过的磁场面积S等于信号电缆长度与两根电缆线芯距离的乘积，则S=100 m×5 mm=0.5 m2。

综上所述，U=e×4×10-4cosφt，取最大值Umax=4×10-4V

100 m电缆电阻为：R=13 Ω/km×2×0.1=2.6 Ω。

因此，感应电流为：

I=U/R=1.5×10-4A=0.15 mA。

取不同的动力电缆内芯距与信号电缆的内芯距，计算结果如表1所示。

表1 不同电缆间距下的干扰电流计算结果Tab.1 The result of interference current in different space between two cables

根据以上计算的结果，可以清楚地看到，在仅有一根动力电缆且动力电缆内芯距与信号电缆内芯距为25 mm的情况下，对于4 ～ 20 mA信号电缆就可以产生0.15 mA左右的电流干扰。由实际情况可知，在电缆敷设中，往往会有十几甚至几十根的动力电缆敷设在一根桥架中的情况。一般工厂传输的电流都是交流电，在交流电的情况下，由于每根电缆内的交流电在正常通过的时候都会产生磁场，因此干扰电流是时时存在的。而且由于一个工厂中所有动力电缆的电源基本上是一个电源，因此电缆内电流的波形同相，相应产生的磁场也为同相磁场，磁场之间彼此叠加，产生的干扰电流会更大。因此情况比直流电恶劣得多。如果桥架中多根动力电缆对此信号电缆的影响彼此叠加，极有可能会导致4 ～ 20 mA信号的漂移且偏差值大于信号值的10 %，影响是非常明显的，进而导致设备控制的不准确。可见，4 ～ 20 mA电缆是不能随意地敷设在有380 V/220 V电缆的桥架中的。

3 4～20 mA信号电缆的敷设方案及应对措施

3.1 小线槽单独敷设

小线槽或者称为小桥架，常在电缆敷设时作为主桥架的辅助扩展及延伸，一般常见尺寸为100 mm×75 mm或50 mm×50 mm等（如图1，2）。小线槽使用灵活，且便于固定和安装。由于电缆单独敷设于独立槽盒中，因此借金属槽盒本身的屏蔽功能可以很好地与不同电压等级的动力电缆隔开来。若选用尺寸较大的槽盒更可以一次敷设多根电缆，敷设容积率可以达到50 %。单独敷设的桥架在施工、增补、修改、电缆数量增减方面相对其他方式也体现出其独特的优势。

图1 100 mm×75 mm小桥架样式Fig.1 Small cable tray type of 100 mm×75 mm

图2 50 mm×50 mm小线槽样式Fig.2 Small cable tray type of 50 mm×50 mm

虽然小桥架在使用上有诸多的优点，但由于需要额外的材料，且在电缆长度及跨度大的情况下需大面积的安装，在工程预算、施工强度及作业量上应考虑到此问题。在一些面积较小、设备较多，尤其诸如变电所之类的区域时，单独敷设小桥架会占用额外的空间，可能为以后设施的改造及扩展带来不便。

3.2 借用仪表桥架敷设

此处仪表桥架是指未同时敷设有220 V仪表电源电缆的桥架，即所用电缆大多为仪表设备的小信号控制电缆，与4 ～ 20 mA电缆具有相同的性质。因此完全可以把全部或者部分4 ～ 20 mA电缆敷设进仪表专用桥架中。在电缆敷设过程中可灵活借用有足够剩余空间余量的仪表桥架，或者设计时直接考虑在仪表桥架中放入电气4 ～ 20 mA电缆，在前期工作时就解决此类问题[3]。

需要注意的是，仪表专业的桥架与电气桥架在路径走向上往往有较大的出入与不同。不应一味为了借用仪表桥架而增加原本敷设电缆的长度，趋远避近。如果无法大范围地整段借用仪表桥架敷设，可考虑小桥架与部分仪表桥架结合的方式。如：可在电缆出线端到仪表大桥架之间的这段距离用小桥架敷设；在接近电气变电所的电缆出线末端，在最近的仪表桥架处把所需的4 ～ 20 mA电缆从中引出，至变电所的这一段距离同样可以再用小桥架衔接。这样既可防止电缆走线复杂绕远，也可最大限度地节约材料的使用，避免大规模施工小桥架带来额外的问题。

3.3 在有动力电缆的桥架中敷设

在敷设4 ～ 20 mA电缆的过程中，并不是所有的场合都能满足上述列举的单独大规模敷设小桥架及借用仪表桥架的情况。因此如有必要，也存在同动力电缆一起敷设进同一根桥架的情况。但需要注意的是，由前面的计算分析可知，动力电缆与4 ～ 20 mA电缆的间距是有一定要求的，否则会产生干扰，对4 ～ 20 mA电缆所传输的信号产生漂移，影响电机等设备的控制。

根据工程实际与表1的计算结果，在考虑到最大利用桥架敷设率的情况下，并排成捆的动力电缆线组与4 ～ 20 mA电缆线组边缘最小间距至少以50 mm为宜，并且分别分聚在桥架的两侧（如图3）。在工程实际应用中4 ～ 20 mA电缆与不同电压等级和工作电流的电力电缆平行敷设时，则可参考表2所示的最小允许距离进行调整[4]。

图3 与动力电缆同敷设于一根桥架方式示意图Fig.3 The sketch of cable laying with power cables in one cable tray

表2 与不同电力电缆平行敷设时的最小允许距离（mm）Tab.2 The minimum space between different power cables (mm)

此时所产生的干扰电流对4 ～ 20 mA信号基本不影响。4 ～ 20 mA电缆由于传输的是小信号，因此能以大于两层的排列方式一次较多根地放进桥架中，而不必像动力电缆考虑发热量带来敷设率的问题。

可见，此种敷设方式占用了原本动力电缆的桥架，因而在敷设时不能影响原本动力电缆的敷设，更不能影响动力电缆所在桥架的敷设率，即：在动力电缆所在桥架一侧的空间范围内，仍然必须严格遵照相关的电缆敷设要求，避免动力电缆相对过密而导致的发热问题。

在长直通桥架内同时敷设动力电缆和4 ～ 20 mA电缆相对简单，因为只要考虑两侧之间一定的距离即可。但实际桥架的安装敷设存在许多的分支，如三通、四通等，都是普遍会应用到的。在这些分支交汇处自然而然会有电缆交错通过，4 ～ 20 mA电缆则很有可能直接与动力电缆以极近的间距交叉叠放。显然这样的交叉情况同样会对小信号电缆产生影响，因此在此处的动力电缆桥架中的4 ～ 20 mA电缆须作特殊处理。

在遇到与动力电缆交叉的情况时，可在电缆交汇处先把4 ～ 20 mA电缆引出桥架（梯级式桥架可直接在两个横档间的空隙中引出），引出部分敷设进小线槽段（小线槽段的固定可借助大桥架的支架），绕过交汇处后再返回动力电缆所在大桥架中，信号电缆与电力电缆成直角跨越[4]。如图4、5所示意的：图中较细的电缆为4 ～ 20 mA电缆，在与其他电缆交叉穿过时，引出大桥架后用小线槽托起。此种方法可用于诸如此类的特殊情况下。但需注意的是，如非必要，不建议把小线槽作为“隔离段”直接放入大桥架中，避免金属线槽与周围其他电缆碰擦而损坏电缆。

图4 电缆引入小线槽示意图Fig.4 The sketch of putting cable into the small cable tray

图5 电缆引入小线槽示意图Fig.5 The sketch of putting cable into the small cable tray

当然，也可以考虑选用带隔板的桥架型号，把动力电缆与4 ～ 20 mA电缆用隔板分隔两侧[5]。但大规模长距离敷设时，隔板无疑增加了大量材料成本的损耗，且遇到电缆交叉处时同样需要作相应的考虑。

4 总结

电缆敷设是电气施工中最为基础的一项工作，也是施工过程中问题表现得最为直接和突出的事项。一旦电缆敷设施工途中出现问题，由于其施工范围空间跨度长，又集中在范围相对狭小的桥架及槽盒中，因而中途修改和变更就显得极为困难和麻烦。RTD等4 ～ 20 mA信号控制电缆是近年来才广泛使用的一种电缆，在一些早期或有一定年限的工程项目及厂区中较为少见。刚接触此类电缆时，很容易在设计和施工过程中忽略因动力电缆等干扰而带来的敷设问题。在一些诸如老厂区改造的项目中，由于老厂区本身的条件限制，为需要新增加的4 ～ 20 mA电缆的敷设带来困难。本文根据现有的一些工程实践经验，总结了4 ～ 20 mA电缆敷设过程中的问题，并列举了以上一些可行的解决方案。在工程应用中，可在考虑成本、材料损耗、施工工作量等因素的条件下选择一种或多种方案，并根据实际情况作相应的优化。

[1] 张洪润.传感器技术大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 王家礼.电磁场与电磁波[M].西安：电子科技大学出版社，2000.

[3] 中国航空工业规划设计研究院组.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2005.

[4] SH/T 3019—2003，石油化工仪表管道线路设计规范[S].

[5] GB 50054—2011，低压配电设计规范[S].

Abstracd: With respect to the problems encountered in laying 4～20 mA cable in practical construction, the causes and solving measures, including the application scope, the effect of magnetic field to cable and the methods for laying 4～20 mA, were discussed and summarized.

Discussion of Problems in Laying 4～20mA Signal Cable

Zhao Chenwei
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai, 200120）

4～20 mA cable; cable layout; electrical design; electrical construction

TM 246

：A

：2095-817X（2015）04-0043-004

2015-03-18

赵晨炜（1987—），男，助理工程师，主要从事石油化工电气供配电设计工作。