本安电缆在本安回路中的作用与结构型式
石油、化工等工业自动化控制领域往往存在易燃易爆的危险，因此在这类危险场所使用的设备元器件必须具有一定的防爆性能。本安电缆作为本安型防爆电气元器件的重要组成部分，具有低电容、低电感、屏蔽性能优异和抗干扰性能强等特点，因而被广泛应用于各种工程的防爆设计回路中。1 本安回路系统的组成及防爆原理1.1 本安回路基本构成 本质安全防爆系统简称本安回路系统，由三部分组成——现场本安设备、本安电缆及关联设备，如图1 所示。 系统回路以安全栅为界，分为本质安全电路和非本质安全电路。1.2 本安回路系统基本原理 本安回路系统防爆基本原理从限制能量着手，可靠地将电路中的电压、电流限制在一个允许的范围内，以保证电气设备正常工作，同时在发生短接或元器件损坏等故障情况时，产生的电火花和热效应不至于引起其周围可能存在的危险气体发生爆炸。2 本安仪表电缆2.1 电缆的防爆原理 当仪表电缆从系统获得能量后，在电路开关通断、开路或短路时，电容、电感的储能就会以电火花或热释放形式释放出来，增加了可燃性混合气体被点燃的危险。所以，在危险场所，电缆也可能成为引爆的电气设备之一。因此，对于本质安全回路系统，作为传输介质的仪表电缆，其可能获得的能量应被限制在标准规定的条件下，使其产生的电火花或热表面不能点燃规定的爆炸性环境。2.2 本安仪表电缆电容、电感/ 电阻比参数确定 从本安仪表电缆防爆原理可知，本安电缆的电容和电感作为储能元件，其获得的能量必需控制在规定范围内，才能满足系统的安全要求，即本安仪表电缆必须具备低电容和低电感的特征。但是，在进行本安仪表电缆设计时，经过计算发现，电容和电感这两个参数之间存在一定的相互制约，即电缆电容减小，电感会增加；反之，亦然。同时，当系统电缆长度增加时，尽管电感增大了，但同时也伴随着导体电阻的增加，从而减小了在电路通断时电感所维持的电流，即削弱了电感作用。所以，在本安系统中将电感这一参数以电感/ 电阻比（L/R）的形式来表现，即最大允许电感引起的对电缆长度的制约。 由于国内电缆行业中未有相关的本质安全仪表电缆的国家标准，所以目前电缆行业中大多数参照英国BS 5308标准对电容、电感电阻比的技术指标规定。2.3 实现本安仪表电缆本安的途径2.3.1 电缆对绞（线组绞合）设计 在仪表电缆设计过程中，将绝缘线芯绞合成线组的目的，除了保持回路传输参数稳定，增加电缆的弯曲性能外，还可减少电缆组间的电磁耦合，即减少组间的串音。电缆邻近各线组的绞合节距应不相同，以减小组间的直接系统性耦合，从而更好地实现减小组间相互干扰的目的。2.3.2 电缆材料选择（1）绝缘材料选择 目前，电线电缆行业中，由于聚氯乙烯塑料的生产技术已完全成熟，原料价格也被众多电缆厂家所接受，故其作为电缆的绝缘材料仍有一定的市场空间。但是，由于它的介电常数较高。根据通信电缆电容的计算公式，在绝缘外径一定的情况下，电缆绝缘材料的介电常数与电容参数成正比，即介电常数越大，电容也越大。因此，聚氯乙烯绝缘材料无法满足本安电缆的低电容参数要求。（2）屏蔽材料选择 本安仪表电缆在回路运行时不可避免会受到电场、磁场的干扰，不仅影响本安仪表电缆的传输信号，而且长时间的电磁场干扰也会在电缆中聚集一定的能量。这种能量与电路中原有的能量叠加，足以点燃环境中易燃易爆的气体，使原有的本安电路失去本安性能。因此，为了减小本安仪表电缆回路间的相互干扰和外部干扰，最根本的方法是在电缆中采用屏蔽结构，即利用金属屏蔽层将主串回路和被串回路隔开，并借以减弱干扰电磁场的一种方法。所以，为了获得较好的屏蔽效果，通常选用电导率较大的非磁性材料（铜、铝）或者采用多层屏蔽方式（如分屏蔽加总屏蔽）。2.4 电容、电感/ 电阻比参数计算BS 5308 标准中规定了相应的电容、电感电阻比参数。可参考计算电容与电感。4 电缆结构示意图导体；2. 绝缘；3. 包带；4. 分屏蔽；5. 填充；6. 包带；7. 总屏蔽；8. 外护套
电线电缆的屏蔽形式按结构,可分为对屏蔽、分组屏蔽及总屏蔽;按屏蔽材料及加工工艺,可分为铜线纺织屏蔽、铝/塑复合带、铜/塑复合带或铜带绕包屏蔽等。 以上几种屏蔽形式都有较理想的屏蔽效果,又具有各自的特点。① 铜线纺织屏蔽:耐纵向拉力大,可使电缆较柔软,但覆盖系数受到一定的限制,安装有些不便,费时,价格较高。② 铝/塑复合带绕包屏蔽:电缆外径小,重量轻,较柔软,防潮,不易氧化。由于有地线连接,安装比较方便,省时,价格较低。③ 铜/塑复合带或铜带绕包屏蔽:在三种屏蔽形式中屏蔽效果更好,防潮,可抵御一定的横向应力作用。 由于有地线连接,安装方便、省时,电缆较硬,价格较高。 当电缆既有分屏蔽又有总屏蔽时,可采用同一种形式,也可采用不同形式,如分屏采用铝/塑复合带绕包屏蔽,总屏采用铜带绕包屏蔽等。 每种屏蔽形式可单独使用,也可复合使用。如铝/塑复合绕包后编织镀锡铜线,双层铜线编织,双层铝/塑复合带或铜带绕包等,这样的屏蔽效果更佳。
石油化工装置的电缆敷设方式主要有架空敷设，电缆沟敷设及埋地敷设。从安装检修方便的角度来说，应优先选择架空汇线槽的方式。但架空方式需要考虑过车以及支墩支架是否有足够的空间。一、架空敷设架空一般需要考虑对于电缆的机械保护，主要有汇线槽或桥架、穿线管等方式。1.汇线槽或桥架有点是施工维护方便，能够提供备用量方便以后扩展，并且金属槽盒本身可以提供类似法拉第笼的作用，对于静电和电磁起到屏蔽作用，同时也为电缆起到了机械保护的作用。（1）敷设的基本原则①汇线槽及桥架一般设置在管廊上层，或与工艺管线及电气汇线槽同层。一般不宜低于工艺管线。（注：目的是避免工艺管线介质泄露脏污桥架电缆）②汇线槽的敷设应避开热源、潮湿、电磁干扰源、工艺排放口、易泄露或有震动的地方。③汇线槽与工艺管线设备距离应大于400mm，与其他的工艺设备，管道表面之间的距离应大于330mm。④汇线槽与强电磁场的设备的距离应大于600mm。与动力电缆之间的距离见下表。电压电流等级/平行敷设长度<100<200<500≥500125V，10A501002001200250V ，50A1502004501200200~450V，100A2004506001200400~500V，200A30060090012003000~10000V，800A60090012001200⑤电缆在汇线槽内可采用多层放置，槽内电缆填充系数一般为25%~35%，槽内留有适当的空间的目的是便于维护可扩充。（注：由于电缆在桥架中会打弯等等情况，往往计算填充率到60%的话，实际施工时电缆会被填充满了）⑥多种类型电缆汇线槽分层安装时，应按下列顺序从上到下排列a.仪表信号电缆b.安全连锁线路c.仪表用交流和直流供电线路（注：在下层被认为是更安全的，因为火焰一般向上蔓延）（2）荷载及支架①荷载：应考虑固定荷载与动荷载，固定荷载包括电缆重量、汇线槽重量及附件重量，动荷载包括敷设电缆时任的重量级风、雪等重量。（注：一般动荷载是结构专业自行考虑）②支架：一般室内支架间距为2m，支撑点可设置在内墙或天花板，室外支架通常与工艺管廊公用，若不能共用则金额设置独立支架，支架间距一般小雨6m。横跨道路的支架净高一般不低于为4.5m。（注：参考数据，消防车的最大长度为13.4m，最大宽度为4.5m，最大高度为4.15m）（3）汇线槽的接地汇线槽应做保护接地，各段之间应有良好的电气连接。一般使用接地线进行短接。（4）汇线槽进入控制室方法分为上部架空及下步地沟量汇总。上部进线。一般在控制室侧墙上部（距地面3m为宜，一般与室外桥架平齐），沿内墙引至活动地板下或电缆沟内。汇线槽应有向室外坡度，防水渗入。开洞应采用防火密封措施，以防止易燃气体、谁、火、虫、鼠进入室内。下部进线。室内沟底应高处室外300mm以上。开洞处进行密封处理，防止雨水、尘埃、有害气体、小动物等进入。可以考虑设置沙坑以便排水。具体做法是，电缆由桥架降标高到沙坑中，再升标高后穿墙至控制室内，沙坑与集中排水系统相连。（5）金属隔板的设置本安回路与非本安回路、强电与弱电电缆敷设在同一桥架中，应使用金属隔板分隔。若两者数量悬殊时，也可只采用屏蔽电缆的措施。仪表信号电缆与电源电缆宜单独敷设。如需要敷设在同一桥架中时，应采用金属隔板等屏蔽措施。（6）汇线槽的选型仪表电缆为了获取更好的屏蔽效果，一般采用带盖的槽式桥架。而供电电缆一般为了方便散热采用带盖或不带盖的梯形桥架。穿线管进入桥架应从侧面采用螺纹形式连接，槽式桥架端部应密封，病在底部设置落水孔。2.穿线管穿线管主要用于保护电缆，由于工业场合一般都在室外或地下敷设，环境较恶劣，一般选用镀锌水煤气管（GB/T 3091低压流体输送用焊接钢管）。具体应符合以下原则：①穿线管的最小弯曲半径一般为管径的6倍。②穿线配管应尽量可能走短的路径，穿线管弯曲处通常采用弯头，每隔2个90°弯头或穿线管直线长度超过30m时，要设置穿线盒。（注：超过2个弯头不加直通就不好拧了，一般也不会30m设置一个穿线盒，一般钢管为了方便运输都是6m一段的）③穿线管内的电缆填充系数一般不超过40%，单根穿单钢管时，穿线管的内经不应小于电缆外景的1.5倍。④穿线管与仪表连接时，一般使用金属软管或挠性连接管。（注：实际上挠性的意思就是失去外力时不会返回原状，这样即使由于外力发生了形变，挠性连接管也不会将力再返给电缆，避免电缆的外力损伤）⑤穿墙、穿楼板时应设置保护管。保护管可按上述填充率设计。在楼板上露出10~100mm，楼下露出10mm。⑥电缆进入接线箱时，宜选用穿线管和防爆电缆密封接头（也就是格兰或戈兰，英文GLAND）⑦穿线配线应考虑不影响设备和工艺管道的安装和拆卸，同时考虑保护和操作方便。二、电缆沟敷设沿着电缆沟在各段标高最低处应设置集水坑，沟底底面应有1:200的排放坡度，以便把沟内的水引到集水坑，通过集水坑排入水沟。控制室内的电缆沟应坡向室外的沟，以防室内积水。电缆敷设后，沟顶盖上水泥板、板缝用水泥砂浆填满。为方便检修，防止盖板损坏也可不填缝，采用角钢包边。电缆沟内可设置支架、托座，将电缆敷设在支架、托座上。也可不设置支架，直接将电缆敷设在沟底，然后填砂盖水泥板。无支架敷设较容易，也节省支架，一般这种沟设置较浅。填砂可以防止易燃易爆气体通过电缆沟进入控制室。电缆从沟内引出时，应加保护管，保护管的要求见上文。电缆沟支架水平间距一般设置800~1000mm，如果用托座敷设在支架上，支架水平间距可谓1500mm。设计电缆沟路径时，应避开地上和地下障碍物，尽量避免与地下管道、动力电缆沟交叉。和动力电缆沟交叉时，应成直角跨越，在交叉部分的仪表电缆应穿保护管或加槽盒保护。动力电缆与信号电缆共沟时，应分两侧敷设，保证平行敷设间距要求。（见上文）。有腐蚀性的场合，尤其是要经常冲洗底面的场合，不宜采用电缆沟的敷设方式。三、直埋敷设直埋敷设时，直埋沟应离开建筑物的基础。直埋敷设的电缆与建筑物地下基础间的最小净距为600mm，与电力电缆间的最小净距为500mm。敷设电缆时，应首先在沟底铺上筛过的砂或土。直埋的电缆与工艺管道交叉时，电缆应设有保护管，保护管长度应满足保护管两端离交叉管道外壁后绝缘层1m。直埋敷设的电缆不应沿任何地下管道的上方或下方平行敷设。当沿地下管道两侧平行敷设或交叉时，最小净距应符合以下要求：①与易燃、易爆介质的管道平行时，为1000mm，交叉时为500mm；②与热力管道平行时，为2000mm，交叉时为500mm；③与水管或其他工艺管道平行或交叉时均为500mm。直埋电缆要穿过建筑物、建筑物的基础或穿越马路时，应加保护管，过马路时，预埋保护管的预埋深度≥1000mm。电缆备用两适当增加。穿线管直埋敷设时，管径应加大一级，病进行防腐处理，不应在地下设置拉线箱和接线盒。罐区等场所宜采用直埋敷设。（注：罐区较空旷，若地上敷设，容易阻挡通道）有腐蚀性物质的场所，油气时要冲洗底面的场所，不宜采用直埋敷设的方式。参考资料：1.石油化工自控设计手册
（HG/T 20512-2014 仪表配管配线设计规范 ）i> 8.1.10多芯电缆的备用芯数宜为使用芯数的10%~15% 。（GB/T 50892-2013 油气田及管道工程仪表控制系统设计规范 ）i> 10.1.3 电缆的备用芯应符合下列要求：1 从现场仪表直接到控制室的单根电缆可不留备用芯。2 从仪表接线箱到控制室的多芯电缆应留有备用芯，备用量不宜少于工作芯数的10％。3 从接线箱到现场仪表的电缆不宜留备用芯。（SH/T 3019-2016 石油化工仪表管道线路设计规范）i> 7.1.11 多芯电缆的备用芯数宜为使用芯数的15%~20%。