仪表信号电缆敷设长度计算的探讨

2017-08-29张红梅

石油化工自动化 2017年4期

关键词：电缆线热电阻截面积

张红梅

(上海利柏特工程技术有限公司,上海 201101)

仪表信号电缆敷设长度计算的探讨

张红梅

(上海利柏特工程技术有限公司,上海 201101)

根据电缆敷设长度合理选择电缆截面积可以节省大量电缆费用，介绍了常用仪表信号类型电缆敷设长度的计算方法，给出了工程设计中一些常用仪表产品的电缆敷设长度，同时根据仪表回路电缆长度计算对仪表信号电缆截面积的选择以及联合装置中现场控制室位置的选择给出一些参考建议。

电缆压降回路阻抗负载

在中国自控工程设计中，由于仪表信号是弱电信号，在大多数情况下，除了对采用直流24 V供电的电磁阀回路进行压降计算来确定电缆线芯截面积及长度外，其他信号电缆线芯截面积的选择都直接按石化或化工相关配线规范中推荐的截面积及经验选择，通常不考虑传输过程中温升及线路压降问题。但近年来，随着项目的投资控制以及设计本质安全等因素，工程公司注重对仪表电缆线芯截面积的选择，根据检测及控制回路对线路阻抗匹配要求进行计算确定，即电缆压降计算。在仪表正常工作的情况下，避免选择过大的电缆线芯截面积，可节约材料和施工成本。另一方面，对于大型联合装置，仪表电缆最大敷设长度对现场机柜间及控制室在装置中的布置也有实际指导意义。

1 仪表信号电缆敷设长度计算

在一个检测或控制回路中，仪表、电缆、控制系统都有阻抗会产生压降。供电电压减去仪表最小

工作电压和控制系统负载阻抗造成的压降后，假定其余压降全部消耗在线路上时，再除以最大信号传输电流就是线路允许最大阻抗，这决定了电缆在选定线芯截面积后的最大敷设长度。如果回路还包括现场指示灯、调节电阻及隔离安全栅，则回路总电阻要减去指示灯、调节电阻及隔离安全栅的电阻才是电缆最大允许阻抗。

电缆最大敷设长度=电缆最大允许电阻/选定线芯截面积对应单位长度的电缆电阻

本文通过对常用仪表信号类型，如热电阻、热电偶、4～20 mA信号、开关量等回路电缆允许阻抗计算，给出常用仪表产品电缆线芯截面积与敷设长度对应表，供工程技术人员参考。

信号电缆、电力电缆导体在20℃时不同截面积对应的直流电阻值见表1所列，热电偶补偿导线往复电阻对应值见表2所列，计算线路阻抗时暂不考虑温升对电缆电阻的影响。

表1 仪表电缆线芯截面积与20℃时导体(裸铜)直流电阻对应值 Ω/km

注： 1) 指电缆导体结构，其中1类是单根结构，5类是软结构。

1.1 热电阻

对热电阻来说，不同接收测量元件的仪表，对线路阻抗的限制不同，可以从各厂家资料中找到对线路阻抗的要求；也可按线路阻抗5 Ω考虑[1]。对于Pt100热电阻来说，根据经验通常只要每根导线的电阻小于10 Ω，现普遍使用的温度变送器和DCS/PLC热电阻卡都能正常工作。如E+H公司的TMT181 温度变送器要求每根导线线路阻抗不大于11 Ω；ABB公司的TTF300和TTR200温度变送器要求每根导线线路阻抗不大于50 Ω；横河公司的CS3000系统热电阻输入模块AAR181及E+H公司的温度变送器TMT121要求每根导线线路电阻不大于40 Ω；Honeywell公司的TPS系统热电阻卡要求每根导线阻抗不大于15 Ω等。

表2 20℃时热电偶补偿导线往复电阻对应值 Ω/m

热电阻回路线路图如图1所示，其中RC为每根导线的电阻。热电阻配置隔离安全栅构成本安回路时，隔离安全栅实际上相当于一个测量变送单元，只要每根导线线路阻抗小于隔离安全栅要求的线路阻抗就可以正常工作，如P+F公司的KFD01-TR-EX1隔离安全栅要求线路阻抗不大于100 Ω。

工程实际中Pt100热电阻与热电阻卡、温度变送器或隔离安全栅等组成回路线芯截面积与敷

设长度的对应关系见表3所列。

图1 热电阻回路线路示意

1.2 热电偶

热电偶检测回路中的电势是电偶产生的电势和补偿导线产生的电势之和，与导体的材料性质和导体两端的温度以及两种导体接点的温度有关，与导体长度、截面积大小及沿导体长度上温度的分配无关。热电偶回路线路如图2所示。

图2 热电偶回路线路示意

图2中，热电偶测量回路最大允许负载由测量仪表的类型及内部电路决定，可以从各厂家资料中查找对线路阻抗RC的要求。根据经验，对输入阻抗大于1 MΩ的测量变送单元，只要测量回路线路阻抗小于1 kΩ就能正常工作，需要注意的是热电偶的线路阻抗是补偿导线的往复电阻。与热电阻线路长度计算方法相同，非本安回路的热电偶，允许线路阻抗直接除以选定截面积的单位电缆的电阻就是电缆允许长度；配置隔离安全栅的本安回路，隔离安全栅类似一个测量变送单元，只需线路阻抗小于隔离安全栅要求值就能正常工作。

工程实际中热电偶与TC卡、温度变送器及隔离安全栅组成回路中补偿导线线芯截面积与电缆敷设长度的对应值见表4所列。

表4 热电偶补偿导线截面积与敷设长度对应值 m

1.3 4～20 mA信号回路

4～20 mA信号的仪表种类繁多，回路也比较复杂，按接线方式可分为二线制、三线制、四线制，同时信号是否带Hart通信协议也略有不同，若按回路构成又可分为非本安回路、本安回路。文中以回路构成进行讨论。

1.3.1 非本安回路

1) 二线制非防爆、隔爆回路线路如图3所示，其中，US为加载在测量回路上的电源电压，工程中常用直流24 V；UV为一次仪表最小工作电压，带Hart协议仪表的最小工作电压高于不带Hart协议的仪表；IM为回路最大信号传输电流，通常该值介于20～23 mA，用于报警设定，具体值各仪表厂家略有不同；RC为回路电缆阻抗，指信号来回电缆电阻；二次仪表或控制系统负载根据ANSI/ISA-50.1规定应为250 Ω。根据欧姆定律，则电缆最大允许电阻如式(1)所式：

RC=(US-UV)/IM-250

(1)

图3 非防爆、隔爆回路线路示意(二线制)

Hart协议是叠加在4～20 mA信号上的低电平数字信号，无论是在电源线上串联1个负载，在负载上读取通信信号还是在电源上串联1个负载，在变送器上读取通信信号，都需要1个最小250 Ω电阻用于通信。而仪表回路中，二次仪表或控制系统通常都会用250 Ω的电阻把电流信号转换成电压信号，所以带Hart协议的回路电缆电阻与不带Hart协议的计算方法相同，只是对于低电阻回路的二次仪表或控制系统需要额外增加电阻满足通信要求。

2) 三线制模拟信号仪表在工程用的较少，常见的有可燃气体检测器。三线制非防爆、隔爆回路线路如图4所示。根据欧姆定律，则最大允许电阻(单根导线)为

RC=(US-UV-5)/(IM+0.04)

(2)

图4 非防爆、隔爆回路线路示意图(三线制)

3) 四线制非防爆、隔爆回路线路如图5所示，电源回路和信号回路相互独立，对于质量流量计、电磁流量计、雷达液位计及分析仪等常用仪表只需要计算供电电缆的截面积与敷设长度的对应关系，根据欧姆定律，则电缆最大允许电阻为

RC1=(US-UV)/IM

(3)

图5 非防爆、隔爆回路线路示意图(四线制)

如果启动电流和启动电压大于仪表工作电流和电压，计算时需要启动电压和启动电流。对于交流220 V单独供电仪表，由于供电电压高，在传输过程中几乎不会存在压降大而不工作的情况，可以不用计算电缆回路电阻。另外，现在很多四线制仪表，输出信号可选择有源或无源，若选择无源信号，仪表信号电缆阻抗计算同二线制4～20 mA回路。

1.3.2 本安回路

由隔离安全栅构成的本安回路如图6所示。根据欧姆定律，则电缆最大允许电阻为

RC=(US-UV)/IM

(4)

式中：US——隔离安全栅对变送器的驱动电压。

表5～表7给出了4～20 mA信号仪表回路电

缆线芯截面积与敷设长度的对应关系。

图6 本安回路(隔离安全栅)线路示意

注1)US数值由P+F安全栅数据表给出，其中KFD-SC2-Ex1.LK和KFD-KFD2-STC4-Ex-Y122583 在产品资料中的电压15 V和16 V为电流20 mA时的值。

表6 4～20 mA回路(三线制24 V(DC))电缆线芯截面积与敷设长度对应值 m

表7 24 V (DC)外供电仪表电缆线芯截面积与敷设长度对应值 m

1.4 开关量回路

开关量回路包括各种开关、电磁阀或报警灯等。常用干接点回路线路，如图7所示，则电缆最大允许电阻为

RC=(US-UV)/IM-RI

(5)

式(5)中，RI为二次仪表或控制系统的内阻，对于开关量本安回路，计算方法与4～20 mA本安回路相同。由隔离安全栅构成的回路中，US为隔离安全栅的输出驱动电压，同时RI不存在。

图7 干接点开关量回路线路示意

电磁阀回路线路如图8所示，则电缆最大允许

电阻计算公式同式(4)。

图8 电磁阀开关量回路线路示意

如ASCO公司的中功耗电磁阀，最低工作电压直流20 V，额定功率10.6 W，US供电电压24 V(DC)，则线路允许电阻为RC=(24-20)×24/10.6=9.06(Ω)。对于ASCO公司的低功耗本安电磁阀，要求正常工作电流28 mA，根据ASCO提供的计算公式，则线路阻抗RC=[(US-3.2)/0.028]-54-104-RB，其中104 Ω为电磁阀线圈电阻，RB为安全栅电阻。

表8，表9给出了常用开关量回路仪表电缆线芯截面积与敷设长度对应关系。

表8 常用开关量回路24 V(DC)(输入)电缆线芯截面积和敷设长度对应值 m

需要说明的是：对于本安回路还需要联合验证。仪表本身的电容和电感与连接电缆的分布电容、电感之和必须小于关联设备允许外接的最大电容和电感。如P+F隔离安全栅KFD2-STC3-EX1要求外部电容CB和分布电感HB分别为0.106 uF和4.2 mH, ABB涡街流量计FSV430的有效电容CI为5 nF、有效电感HI为0，若电缆选1.0 mm2截面积，则电缆分布电容CC为70 pF/m，分布电感HC为0.6 uH/m。由此可见：电缆长度L=(CB-CI)/CC=(0.106-0.005)/0.000 07=1 443(m)，而用电感计算L=(HB-HI)/HC=(4.2-0)/0.000 6=7 000(m)，取两者中较短的电缆长度。因此，在参考表5的同时还需要考虑本安回路允许的电缆长度。

表9 常用开关量回路24 V(DC)(输出)电缆线芯截面积和敷设长度对应表 m

2 对工程的实际意义

依据电缆阻抗计算得出电缆线芯截面积和敷设长度的关系，在工程实践中可以根据项目所选仪表类型及系统的配置，合理地选择电缆的线芯截面积，而不必拘泥于经验或者习惯。在很多外资项目中，电缆线芯截面积通常选择的都比国内工程中电缆的线芯截面积小，如模拟量和开关量回路，国外项目中电缆线芯截面积通常选择0.75 mm2，包括电磁阀回路。从上面电缆线芯截面积与敷设长度对应表中也可以看出，两线制模拟量和开关量回路，0.75 mm2的电缆敷设长度基本上都在500 m以上。在大型联合装置中，装置机柜间电缆最大长度基本都会在500 m以内，分支电缆和多芯电缆基本可以按照以下方式选择：

1) 常规模拟量和开关量： 0.75 mm2。

2) 外供电电源回路： 2.5 mm2。

3) 三线制模拟量： 1.0 mm2或1.5 mm2。