在本质安全(简称本安)防爆系统的设计中,正确地设计电缆(线)的长度和选择电缆(线)的种类是不容忽视的问题。不加分析的随意选用普通电缆会影响系统的防爆性能,但一味地采用造价昂贵的本安用特殊电缆会引起投资的增加。 ◆正确设计电缆(线)的长度
本安系统中,现场仪表和导线同为安全栅的负载,当安全栅与现场仪表选定后,也就决定了导线的长度。
由于导线中存在着分布电容C0 和分布电感L0,使导线成为储能元件。它们在信号传输过程中会储存能量,一旦线路出现开路或短路,这些潜能就会以电火花或热效应形式释放出来,影响系统的防爆性能,因此导线中储能元件的大小应满足。
C0≤ CB-Ca (1) L0≤LB-La (2)
式中CB 、LB是安全栅的负载参数,由安全栅制造厂给出,Ca、La 为现场仪表的电容和电感,则导线的允许长度为Sc=C0/Kc;Sl=L0/Kl。
SC和S1分别是根据电容和电感计算出来的允许导线长度,取其值小者作为设计依据。Kc和Kl分别为导线的分布电容和分布电感。
一般情况下Sc<<Sl, 即电缆长度主要受分布电容的影响,我们可以采用介电系数小的绝缘材料以减小分布电容。
当现场仪表为本安仪表时,其对外表现出的电感和电容近似为零,可以直接采用安全栅的负载电容CB
和负载电感LB来估算电缆的长度,在设计电缆(线)时,应使实际敷设的电缆长度小于计算出来的允许电缆长度。
其次,电缆(线)的分布参数过大时,不仅影响系统的本安防爆性能,严重者可能会影响电路的正常工作。我们在施工现场调校电磁阀回路时,曾碰到过这种情况:该电路设计为故障安全型电路,即电磁阀正常时通电,自保动作时断电,但由于电缆分布电容较大,所储存能量已足以使电磁阀励磁,以致断电时电磁阀不能如期动作,影响系统工作。因此限制电缆长度即限制电缆中的分布参数是极其重要的。 ◆正确选用本安系统的电缆(线)
笔者认为,尽管选用了合适的安全栅和本安现场仪表,但仍不能保证安全。因为,电路在传输过程中会受到电场和磁场干扰而产生非本安能量,安全栅对这种能量是无法限制的,必须靠设计人员正确选用电缆来克服。
由于信号回路周围存在着静电电容而引起静电感应干扰,高压电源线在信号回路上由于静电感应而产生的干扰电压еs 可由下式表示;
еs=∑C0iEi/Ci+C0i (3)
式中Ci为第i号高压电源线和信号线间的电容,C0i是除Ci外其它线与信号线间的电容,Ei是第i号高压电源线的电压。
电磁干扰是由于周围磁场在信号回路产生的 干扰电压еm, 可按下式计算:
еm=d∑MiIi/dt (4)
式中Ii是第i号大电流回路中留过的电流,Mi是信号回路和第i号大电流回路间的互感系数。 按以上两式要实际计算一个信号回路内产生的干扰电压是很困难的,但可以通过实验测得这种感应信号。现选取一组实验数据供参考,见表1和表2。 表1
导线 普通电缆 测量内容 电路中原有信号电压 加5kV静电干扰后信号电压 干扰量 表2
动力线中流过的电流(A) 动力线与被测导线间距(mm) 被测导线处磁场计算值(A/M) 被测导线中的感应电压(V) 100 0 -800 1 100 150 106 0.15 100 300 53 0.14 35V 50V 15V 对绞屏蔽电缆 35V 35.7V 0.7V 可见导线本身受电场磁场的干扰是决不容忽略的。这种干扰能量与电路中原有的能量叠加起来,就足以点燃爆炸性气体,使原有的本安电路丧失本安性能;即使达不到点燃能量,这种干扰信号对控制系统所带来的危险同样是不可忽略的。
克服干扰的办法,其一是增加导线与干扰源间距。电流周围的磁场强度与距电流线的距离成 反比:
H=I/2πr (5)
H:磁场强度A/M; I:电流(A/M);r:距电流线的距离(m)
从表2可以看出当距离增大到300mm 时,干扰减小到原来的1/7 。许多公司规定,当仪表信号线与220VAC,电流≥10A 的动力线交叉时,间距不小于150mm,平行敷设时不小于600mm。 表3
屏蔽方法 钢丝编织网 覆盖85% 钢带屏蔽 覆盖90% 镀铝带屏蔽 覆盖100% 厚壁钢管 φ54mm 干扰减少比 103:1 376:1 6610:1 8850:1 对于静电干扰,可采用钢带铜丝编织屏蔽来克服。将普通电缆放入金属槽或穿金属管也是有效的方法,屏蔽效果见表3。
电磁干扰不能象静电感应那样简单地消除,但对于我们通常使用的交流频率来说,采用双绞线具有一定的抗干扰效果,如表4所示。通常采用1~2 寸绞距,若绞距太小,使用不便。而采用金属屏蔽的效果却远不如绞线。 表4
绞距 电磁感应减少比 4英寸 14:1 3英寸 71:1 2英寸 112:1 3英寸 141:1 将平行线放入φ28mm厚壁钢管 22:1 我国目前已生产出本安用仪表电缆,抗干扰性能见表5,但这种电缆价格较高,从上述分析可知,静电干扰靠屏蔽来克服,电磁干扰则主要靠线芯对绞来克服。通常设计施工中,本安系统电缆都穿金属保护管沿金属汇线槽敷设,这种金属管和槽本身已起到静电屏蔽作用,因此我们选配电缆时主要应克服电磁干扰。可采用绞距1至2英寸的双绞线来解决,当然采用屏蔽双绞线效果更佳。 表5
种类 普通电缆 测试内容 400A/M电磁干扰 10kV静电干扰
屏蔽电缆 本安用电缆 195mV 1V 本安用补偿导线 105mV 0.6V 15V 1V
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