儀表信號電纜敷設長度計算的探討

張紅梅

(上海利柏特工程技術有限公司,上海 201101)

儀表信號電纜敷設長度計算的探討

張紅梅

(上海利柏特工程技術有限公司,上海 201101)

根據電纜敷設長度合理選擇電纜截面積可以節省大量電纜費用，介紹了常用儀表信號類型電纜敷設長度的計算方法，給出了工程設計中一些常用儀表產品的電纜敷設長度，同時根據儀表回路電纜長度計算對儀表信號電纜截面積的選擇以及聯合裝置中現場控制室位置的選擇給出一些參考建議。

電纜壓降 回路阻抗 負載

在中國自控工程設計中，由于儀表信號是弱電信號，在大多數情況下，除了對采用直流24 V供電的電磁閥回路進行壓降計算來確定電纜線芯截面積及長度外，其他信號電纜線芯截面積的選擇都直接按石化或化工相關配線規范中推薦的截面積及經驗選擇，通常不考慮傳輸過程中溫升及線路壓降問題。但近年來，隨著項目的投資控制以及設計本質安全等因素，工程公司注重對儀表電纜線芯截面積的選擇，根據檢測及控制回路對線路阻抗匹配要求進行計算確定，即電纜壓降計算。在儀表正常工作的情況下，避免選擇過大的電纜線芯截面積，可節約材料和施工成本。另一方面，對于大型聯合裝置，儀表電纜最大敷設長度對現場機柜間及控制室在裝置中的布置也有實際指導意義。

1 儀表信號電纜敷設長度計算

在一個檢測或控制回路中，儀表、電纜、控制系統都有阻抗會產生壓降。供電電壓減去儀表最小

工作電壓和控制系統負載阻抗造成的壓降后，假定其余壓降全部消耗在線路上時，再除以最大信號傳輸電流就是線路允許最大阻抗，這決定了電纜在選定線芯截面積后的最大敷設長度。如果回路還包括現場指示燈、調節電阻及隔離安全柵，則回路總電阻要減去指示燈、調節電阻及隔離安全柵的電阻才是電纜最大允許阻抗。

電纜最大敷設長度=電纜最大允許電阻/選定線芯截面積對應單位長度的電纜電阻

本文通過對常用儀表信號類型，如熱電阻、熱電偶、4～20 mA信號、開關量等回路電纜允許阻抗計算，給出常用儀表產品電纜線芯截面積與敷設長度對應表，供工程技術人員參考。

信號電纜、電力電纜導體在20℃時不同截面積對應的直流電阻值見表1所列，熱電偶補償導線往復電阻對應值見表2所列，計算線路阻抗時暫不考慮溫升對電纜電阻的影響。

表1 儀表電纜線芯截面積與20℃時導體(裸銅)直流電阻對應值 Ω/km

注： 1) 指電纜導體結構，其中1類是單根結構，5類是軟結構。

1.1 熱電阻

對熱電阻來說，不同接收測量元件的儀表，對線路阻抗的限制不同，可以從各廠家資料中找到對線路阻抗的要求；也可按線路阻抗5 Ω考慮[1]。對于Pt100熱電阻來說，根據經驗通常只要每根導線的電阻小于10 Ω，現普遍使用的溫度變送器和DCS/PLC熱電阻卡都能正常工作。如E+H公司的TMT181 溫度變送器要求每根導線線路阻抗不大于11 Ω；ABB公司的TTF300和TTR200溫度變送器要求每根導線線路阻抗不大于50 Ω；橫河公司的CS3000系統熱電阻輸入模塊AAR181及E+H公司的溫度變送器TMT121要求每根導線線路電阻不大于40 Ω；Honeywell公司的TPS系統熱電阻卡要求每根導線阻抗不大于15 Ω等。

表2 20℃時熱電偶補償導線往復電阻對應值 Ω/m

熱電阻回路線路圖如圖1所示，其中RC為每根導線的電阻。熱電阻配置隔離安全柵構成本安回路時，隔離安全柵實際上相當于一個測量變送單元，只要每根導線線路阻抗小于隔離安全柵要求的線路阻抗就可以正常工作，如P+F公司的KFD01-TR-EX1隔離安全柵要求線路阻抗不大于100 Ω。

工程實際中Pt100熱電阻與熱電阻卡、溫度變送器或隔離安全柵等組成回路線芯截面積與敷

設長度的對應關系見表3所列。

圖1 熱電阻回路線路示意

m

1.2 熱電偶

熱電偶檢測回路中的電勢是電偶產生的電勢和補償導線產生的電勢之和，與導體的材料性質和導體兩端的溫度以及兩種導體接點的溫度有關，與導體長度、截面積大小及沿導體長度上溫度的分配無關。熱電偶回路線路如圖2所示。

圖2 熱電偶回路線路示意

圖2中，熱電偶測量回路最大允許負載由測量儀表的類型及內部電路決定，可以從各廠家資料中查找對線路阻抗RC的要求。根據經驗，對輸入阻抗大于1 MΩ的測量變送單元，只要測量回路線路阻抗小于1 kΩ就能正常工作，需要注意的是熱電偶的線路阻抗是補償導線的往復電阻。與熱電阻線路長度計算方法相同，非本安回路的熱電偶，允許線路阻抗直接除以選定截面積的單位電纜的電阻就是電纜允許長度；配置隔離安全柵的本安回路，隔離安全柵類似一個測量變送單元，只需線路阻抗小于隔離安全柵要求值就能正常工作。

工程實際中熱電偶與TC卡、溫度變送器及隔離安全柵組成回路中補償導線線芯截面積與電纜敷設長度的對應值見表4所列。

表4 熱電偶補償導線截面積與敷設長度對應值 m

1.3 4～20 mA信號回路

4～20 mA信號的儀表種類繁多，回路也比較復雜，按接線方式可分為二線制、三線制、四線制，同時信號是否帶Hart通信協議也略有不同，若按回路構成又可分為非本安回路、本安回路。文中以回路構成進行討論。

1.3.1 非本安回路

1) 二線制非防爆、隔爆回路線路如圖3所示，其中，US為加載在測量回路上的電源電壓，工程中常用直流24 V；UV為一次儀表最小工作電壓，帶Hart協議儀表的最小工作電壓高于不帶Hart協議的儀表；IM為回路最大信號傳輸電流，通常該值介于20～23 mA，用于報警設定，具體值各儀表廠家略有不同；RC為回路電纜阻抗，指信號來回電纜電阻；二次儀表或控制系統負載根據ANSI/ISA-50.1規定應為250 Ω。根據歐姆定律，則電纜最大允許電阻如式(1)所式：

RC=(US-UV)/IM-250

(1)

圖3 非防爆、隔爆回路線路示意(二線制)

Hart協議是疊加在4～20 mA信號上的低電平數字信號，無論是在電源線上串聯1個負載，在負載上讀取通信信號還是在電源上串聯1個負載，在變送器上讀取通信信號，都需要1個最小250 Ω電阻用于通信。而儀表回路中，二次儀表或控制系統通常都會用250 Ω的電阻把電流信號轉換成電壓信號，所以帶Hart協議的回路電纜電阻與不帶Hart協議的計算方法相同，只是對于低電阻回路的二次儀表或控制系統需要額外增加電阻滿足通信要求。

2) 三線制模擬信號儀表在工程用的較少，常見的有可燃氣體檢測器。三線制非防爆、隔爆回路線路如圖4所示。根據歐姆定律，則最大允許電阻(單根導線)為

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

(2)

圖4 非防爆、隔爆回路線路示意圖(三線制)

3) 四線制非防爆、隔爆回路線路如圖5所示，電源回路和信號回路相互獨立，對于質量流量計、電磁流量計、雷達液位計及分析儀等常用儀表只需要計算供電電纜的截面積與敷設長度的對應關系，根據歐姆定律，則電纜最大允許電阻為

RC1=(US-UV)/IM

(3)

圖5 非防爆、隔爆回路線路示意圖(四線制)

如果啟動電流和啟動電壓大于儀表工作電流和電壓，計算時需要啟動電壓和啟動電流。對于交流220 V單獨供電儀表，由于供電電壓高，在傳輸過程中幾乎不會存在壓降大而不工作的情況，可以不用計算電纜回路電阻。另外，現在很多四線制儀表，輸出信號可選擇有源或無源，若選擇無源信號，儀表信號電纜阻抗計算同二線制4～20 mA回路。

1.3.2 本安回路

由隔離安全柵構成的本安回路如圖6所示。根據歐姆定律，則電纜最大允許電阻為

RC=(US-UV)/IM

(4)

式中：US——隔離安全柵對變送器的驅動電壓。

表5～表7給出了4～20 mA信號儀表回路電

纜線芯截面積與敷設長度的對應關系。

圖6 本安回路(隔離安全柵)線路示意

m

注1)US數值由P+F安全柵數據表給出，其中KFD-SC2-Ex1.LK和KFD-KFD2-STC4-Ex-Y122583 在產品資料中的電壓15 V和16 V為電流20 mA時的值。

表6 4～20 mA回路(三線制24 V(DC))電纜線芯截面積與敷設長度對應值 m

表7 24 V (DC)外供電儀表電纜線芯截面積與敷設長度對應值 m

1.4 開關量回路

開關量回路包括各種開關、電磁閥或報警燈等。常用干接點回路線路，如圖7所示，則電纜最大允許電阻為

RC=(US-UV)/IM-RI

(5)

式(5)中，RI為二次儀表或控制系統的內阻，對于開關量本安回路，計算方法與4～20 mA本安回路相同。由隔離安全柵構成的回路中，US為隔離安全柵的輸出驅動電壓，同時RI不存在。

圖7 干接點開關量回路線路示意

電磁閥回路線路如圖8所示，則電纜最大允許

電阻計算公式同式(4)。

圖8 電磁閥開關量回路線路示意

如ASCO公司的中功耗電磁閥，最低工作電壓直流20 V，額定功率10.6 W，US供電電壓24 V(DC)，則線路允許電阻為RC=(24-20)×24/10.6=9.06(Ω)。對于ASCO公司的低功耗本安電磁閥，要求正常工作電流28 mA，根據ASCO提供的計算公式，則線路阻抗RC=[(US-3.2)/0.028]-54-104-RB，其中104 Ω為電磁閥線圈電阻，RB為安全柵電阻。

表8，表9給出了常用開關量回路儀表電纜線芯截面積與敷設長度對應關系。

表8 常用開關量回路24 V(DC)(輸入)電纜線芯截面積和敷設長度對應值 m

需要說明的是： 對于本安回路還需要聯合驗證。儀表本身的電容和電感與連接電纜的分布電容、電感之和必須小于關聯設備允許外接的最大電容和電感。如P+F隔離安全柵KFD2-STC3-EX1要求外部電容CB和分布電感HB分別為0.106 uF和4.2 mH, ABB渦街流量計FSV430的有效電容CI為5 nF、有效電感HI為0，若電纜選1.0 mm2截面積，則電纜分布電容CC為70 pF/m，分布電感HC為0.6 uH/m。由此可見： 電纜長度L=(CB-CI)/CC=(0.106-0.005)/0.000 07=1 443(m)，而用電感計算L=(HB-HI)/HC=(4.2-0)/0.000 6=7 000(m)，取兩者中較短的電纜長度。因此，在參考表5的同時還需要考慮本安回路允許的電纜長度。

表9 常用開關量回路24 V(DC)(輸出)電纜線芯截面積和敷設長度對應表 m

2 對工程的實際意義

依據電纜阻抗計算得出電纜線芯截面積和敷設長度的關系，在工程實踐中可以根據項目所選儀表類型及系統的配置，合理地選擇電纜的線芯截面積，而不必拘泥于經驗或者習慣。在很多外資項目中，電纜線芯截面積通常選擇的都比國內工程中電纜的線芯截面積小，如模擬量和開關量回路，國外項目中電纜線芯截面積通常選擇0.75 mm2，包括電磁閥回路。從上面電纜線芯截面積與敷設長度對應表中也可以看出，兩線制模擬量和開關量回路，0.75 mm2的電纜敷設長度基本上都在500 m以上。在大型聯合裝置中，裝置機柜間電纜最大長度基本都會在500 m以內，分支電纜和多芯電纜基本可以按照以下方式選擇：

1) 常規模擬量和開關量： 0.75 mm2。

2) 外供電電源回路： 2.5 mm2。

3) 三線制模擬量： 1.0 mm2或1.5 mm2。

3 結束語

根據電纜敷設長度合理選擇電纜線芯截面積可以節省20%～30%的電纜費用，對于大型聯合裝置，電纜的敷設長度可能有會有幾十萬米，這也是一筆可觀的費用，同時施工也會更容易。

[1] 陸德民，張振基，黃步余. 石油化工自動控制設計手冊[M].3版.北京： 化學工業出版社，2000.

[2] 王松田. 不同環境條件下的儀表信號線選用探討[J].石油化工自動化，1993，29(03)： 7-11.

[3] 安邦.工程設計中儀表電纜線芯截面積與最大敷設長度的計算[J].化工自動化及儀表.2011,38(05)： 616-620.

[4] 于鋒.HG/T 20512—2014儀表配管配線設計規定[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

張紅梅(1979—)，女，新疆沙灣人，2002年畢業遼寧石油化工大學自動化專業，現工作于上海利柏特工程技術有限公司，從事自控專業設計工作。

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1007-7324(2017)04-0067-06

稿件收到日期： 2017-06-30。