趙晨煒

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

關(guān)于4～20 mA信號電纜敷設(shè)問題的探討

趙晨煒

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

主要針對4 ～ 20 mA電纜在工程設(shè)計及施工過程中遇到的電纜敷設(shè)方面的問題進行論述。從4 ～ 20 mA電纜的應(yīng)用范圍、磁場干擾對電纜的影響、電纜敷設(shè)過程中各種具體解決方案等，分別對4 ～ 20 mA電纜的敷設(shè)方法進行總結(jié)與探討。

4 ～ 20 mA電纜；電纜敷設(shè)；電氣設(shè)計；電氣施工方案

在工程項目中，電纜敷設(shè)是電氣專業(yè)較為重要的一項工作。尤其是一些大型的化工醫(yī)藥項目，針對一些設(shè)備運行時的特殊要求，所用到的電纜型號及規(guī)格也不盡相同。因此，不可避免地面臨一些電纜敷設(shè)方面的實際問題。

4 ～ 20 mA電纜在如今的工程項目中廣泛應(yīng)用于一些大型電機設(shè)備控制信號及管道電伴熱上溫度傳感信號的傳輸。但由于4 ～ 20 mA電纜自身傳輸信號的特點，在電纜敷設(shè)過程中，有若干問題需要特別注意。

1 4 ～ 20 mA電纜的應(yīng)用范圍及場合

1.1 作為RTD或PTC信號傳輸使用

RTD全稱 Resistance Temperature Detector，意思是電阻溫度探測器，簡稱熱電阻，它的電阻隨溫度變化而變化。通常RTD材料包括銅、鉑、鎳及鎳/鐵合金，RTD元件可以是一根導(dǎo)線，也可以是一層薄膜，采用電鍍或濺射的方法涂敷在陶瓷類材料基底上。工業(yè)應(yīng)用通常為鉑熱電阻。

PTC全稱Positive Temperature Coefficient，一般指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件。通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。

RTD與PTC皆屬于常用的溫度探測器類型，其廣泛應(yīng)用于自動消磁、延時啟動、恒溫加熱、過流保護、過熱保護、傳感器等場合，也常用于電流浪涌過大、溫度過高時對電路進行保護作用[1]。

RTD和PTC熱電阻溫度變送器輸出信號至控制端采用4 ～ 20 mA電纜，用來傳輸電動機（多為高壓電動機）及電伴熱的4 ～ 20 mA溫度控制信號。通過熱敏電阻反應(yīng)所測得的溫度信號反饋給MCC，再通過信號回傳給設(shè)備的熱敏電阻，進而控制設(shè)備工作時的溫度。

1.2 作為變頻調(diào)速控制信號使用

變頻調(diào)速控制信號一般由變頻器或MCC至分散控制系統(tǒng)DCS，4 ～ 20 mA信號電纜起到的就是傳輸這部分信號的作用。4 ～ 20 mA信號是過程控制中標準的模擬信號，因為電流傳輸距離遠，在傳輸過程中，不受線路電壓降、接觸電阻及其壓降、雜散的熱電效應(yīng)以及感應(yīng)噪聲等影響，抗干擾能力較電壓信號強，能用普通的兩根導(dǎo)線傳輸，可對變頻器實現(xiàn)遠傳速度控制。在對電機調(diào)速控制要求較高的化工及醫(yī)藥項目中使用得較為廣泛。

2 電纜敷設(shè)過程中所面臨的主要問題

通過以上對4 ～ 20 mA信號電纜應(yīng)用范圍的了解可知，4 ～ 20 mA信號電纜作為傳輸小信號的控制電纜使用時，傳輸?shù)拇蠖酁槟M信號。由于模擬信號在外界干擾的情況下，會對傳輸信號對應(yīng)的狀態(tài)有較大影響的特點，在使用中需密切注意。

現(xiàn)假設(shè)需在敷設(shè)有諸如動力電纜等大電流電纜的橋架中加入4 ～ 20 mA信號電纜，即在同一根橋架中同時混合敷設(shè)不同電流強度的電纜。為了便于數(shù)據(jù)上的計算及分析，現(xiàn)假設(shè)在橋架中存在一根動力電纜，此時需在動力電纜旁敷設(shè)一根4 ～ 20 mA信號電纜，計算該動力電纜對4 ～ 20 mA信號的影響。

數(shù)據(jù)模型以直觀化來進行描述，根據(jù)工程經(jīng)驗假設(shè)已知條件如下：

（1）動力電纜和4 ～ 20 mA信號電纜各取100 m作為長直導(dǎo)線處理；

（2）動力電纜內(nèi)部流過電流為100 A；

（3）4 ～ 20 mA信號電纜內(nèi)等效簡化為兩根電纜線芯且線芯間距為5 mm；

（4）4 ～ 20 mA信號電纜電阻率ρ=13 Ω/km；

（5）動力電纜內(nèi)芯距與信號電纜內(nèi)芯距為25 mm。

根據(jù)安培環(huán)路定律，動力電纜發(fā)出的磁場即信號電纜所受影響磁場為[2]：

其中 μ=4π×10-7H/m，為真空磁導(dǎo)率；

r=25 mm；

I=100 sinΦt。

由感應(yīng)電動勢公式：

φ=BS，此處通過的磁場面積S等于信號電纜長度與兩根電纜線芯距離的乘積，則S=100 m×5 mm=0.5 m2。

綜上所述，U=e×4×10-4cosφt，取最大值Umax=4×10-4V

100 m電纜電阻為：R=13 Ω/km×2×0.1=2.6 Ω。

因此，感應(yīng)電流為：

I=U/R=1.5×10-4A=0.15 mA。

取不同的動力電纜內(nèi)芯距與信號電纜的內(nèi)芯距，計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同電纜間距下的干擾電流計算結(jié)果Tab.1 The result of interference current in different space between two cables

根據(jù)以上計算的結(jié)果，可以清楚地看到，在僅有一根動力電纜且動力電纜內(nèi)芯距與信號電纜內(nèi)芯距為25 mm的情況下，對于4 ～ 20 mA信號電纜就可以產(chǎn)生0.15 mA左右的電流干擾。由實際情況可知，在電纜敷設(shè)中，往往會有十幾甚至幾十根的動力電纜敷設(shè)在一根橋架中的情況。一般工廠傳輸?shù)碾娏鞫际墙涣麟姡诮涣麟姷那闆r下，由于每根電纜內(nèi)的交流電在正常通過的時候都會產(chǎn)生磁場，因此干擾電流是時時存在的。而且由于一個工廠中所有動力電纜的電源基本上是一個電源，因此電纜內(nèi)電流的波形同相，相應(yīng)產(chǎn)生的磁場也為同相磁場，磁場之間彼此疊加，產(chǎn)生的干擾電流會更大。因此情況比直流電惡劣得多。如果橋架中多根動力電纜對此信號電纜的影響彼此疊加，極有可能會導(dǎo)致4 ～ 20 mA信號的漂移且偏差值大于信號值的10 %，影響是非常明顯的，進而導(dǎo)致設(shè)備控制的不準確。可見，4 ～ 20 mA電纜是不能隨意地敷設(shè)在有380 V/220 V電纜的橋架中的。

3 4～20 mA信號電纜的敷設(shè)方案及應(yīng)對措施

3.1 小線槽單獨敷設(shè)

小線槽或者稱為小橋架，常在電纜敷設(shè)時作為主橋架的輔助擴展及延伸，一般常見尺寸為100 mm×75 mm或50 mm×50 mm等（如圖1，2）。小線槽使用靈活，且便于固定和安裝。由于電纜單獨敷設(shè)于獨立槽盒中，因此借金屬槽盒本身的屏蔽功能可以很好地與不同電壓等級的動力電纜隔開來。若選用尺寸較大的槽盒更可以一次敷設(shè)多根電纜，敷設(shè)容積率可以達到50 %。單獨敷設(shè)的橋架在施工、增補、修改、電纜數(shù)量增減方面相對其他方式也體現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。

圖1 100 mm×75 mm小橋架樣式Fig.1 Small cable tray type of 100 mm×75 mm

圖2 50 mm×50 mm小線槽樣式Fig.2 Small cable tray type of 50 mm×50 mm

雖然小橋架在使用上有諸多的優(yōu)點，但由于需要額外的材料，且在電纜長度及跨度大的情況下需大面積的安裝，在工程預(yù)算、施工強度及作業(yè)量上應(yīng)考慮到此問題。在一些面積較小、設(shè)備較多，尤其諸如變電所之類的區(qū)域時，單獨敷設(shè)小橋架會占用額外的空間，可能為以后設(shè)施的改造及擴展帶來不便。

3.2 借用儀表橋架敷設(shè)

此處儀表橋架是指未同時敷設(shè)有220 V儀表電源電纜的橋架，即所用電纜大多為儀表設(shè)備的小信號控制電纜，與4 ～ 20 mA電纜具有相同的性質(zhì)。因此完全可以把全部或者部分4 ～ 20 mA電纜敷設(shè)進儀表專用橋架中。在電纜敷設(shè)過程中可靈活借用有足夠剩余空間余量的儀表橋架，或者設(shè)計時直接考慮在儀表橋架中放入電氣4 ～ 20 mA電纜，在前期工作時就解決此類問題[3]。

需要注意的是，儀表專業(yè)的橋架與電氣橋架在路徑走向上往往有較大的出入與不同。不應(yīng)一味為了借用儀表橋架而增加原本敷設(shè)電纜的長度，趨遠避近。如果無法大范圍地整段借用儀表橋架敷設(shè)，可考慮小橋架與部分儀表橋架結(jié)合的方式。如：可在電纜出線端到儀表大橋架之間的這段距離用小橋架敷設(shè)；在接近電氣變電所的電纜出線末端，在最近的儀表橋架處把所需的4 ～ 20 mA電纜從中引出，至變電所的這一段距離同樣可以再用小橋架銜接。這樣既可防止電纜走線復(fù)雜繞遠，也可最大限度地節(jié)約材料的使用，避免大規(guī)模施工小橋架帶來額外的問題。

3.3 在有動力電纜的橋架中敷設(shè)

在敷設(shè)4 ～ 20 mA電纜的過程中，并不是所有的場合都能滿足上述列舉的單獨大規(guī)模敷設(shè)小橋架及借用儀表橋架的情況。因此如有必要，也存在同動力電纜一起敷設(shè)進同一根橋架的情況。但需要注意的是，由前面的計算分析可知，動力電纜與4 ～ 20 mA電纜的間距是有一定要求的，否則會產(chǎn)生干擾，對4 ～ 20 mA電纜所傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生漂移，影響電機等設(shè)備的控制。

根據(jù)工程實際與表1的計算結(jié)果，在考慮到最大利用橋架敷設(shè)率的情況下，并排成捆的動力電纜線組與4 ～ 20 mA電纜線組邊緣最小間距至少以50 mm為宜，并且分別分聚在橋架的兩側(cè)（如圖3）。在工程實際應(yīng)用中4 ～ 20 mA電纜與不同電壓等級和工作電流的電力電纜平行敷設(shè)時，則可參考表2所示的最小允許距離進行調(diào)整[4]。

圖3 與動力電纜同敷設(shè)于一根橋架方式示意圖Fig.3 The sketch of cable laying with power cables in one cable tray

表2 與不同電力電纜平行敷設(shè)時的最小允許距離（mm）Tab.2 The minimum space between different power cables (mm)

此時所產(chǎn)生的干擾電流對4 ～ 20 mA信號基本不影響。4 ～ 20 mA電纜由于傳輸?shù)氖切⌒盘?，因此能以大于兩層的排列方式一次較多根地放進橋架中，而不必像動力電纜考慮發(fā)熱量帶來敷設(shè)率的問題。

可見，此種敷設(shè)方式占用了原本動力電纜的橋架，因而在敷設(shè)時不能影響原本動力電纜的敷設(shè)，更不能影響動力電纜所在橋架的敷設(shè)率，即：在動力電纜所在橋架一側(cè)的空間范圍內(nèi)，仍然必須嚴格遵照相關(guān)的電纜敷設(shè)要求，避免動力電纜相對過密而導(dǎo)致的發(fā)熱問題。

在長直通橋架內(nèi)同時敷設(shè)動力電纜和4 ～ 20 mA電纜相對簡單，因為只要考慮兩側(cè)之間一定的距離即可。但實際橋架的安裝敷設(shè)存在許多的分支，如三通、四通等，都是普遍會應(yīng)用到的。在這些分支交匯處自然而然會有電纜交錯通過，4 ～ 20 mA電纜則很有可能直接與動力電纜以極近的間距交叉疊放。顯然這樣的交叉情況同樣會對小信號電纜產(chǎn)生影響，因此在此處的動力電纜橋架中的4 ～ 20 mA電纜須作特殊處理。

在遇到與動力電纜交叉的情況時，可在電纜交匯處先把4 ～ 20 mA電纜引出橋架（梯級式橋架可直接在兩個橫檔間的空隙中引出），引出部分敷設(shè)進小線槽段（小線槽段的固定可借助大橋架的支架），繞過交匯處后再返回動力電纜所在大橋架中，信號電纜與電力電纜成直角跨越[4]。如圖4、5所示意的：圖中較細的電纜為4 ～ 20 mA電纜，在與其他電纜交叉穿過時，引出大橋架后用小線槽托起。此種方法可用于諸如此類的特殊情況下。但需注意的是，如非必要，不建議把小線槽作為“隔離段”直接放入大橋架中，避免金屬線槽與周圍其他電纜碰擦而損壞電纜。

圖4 電纜引入小線槽示意圖Fig.4 The sketch of putting cable into the small cable tray

圖5 電纜引入小線槽示意圖Fig.5 The sketch of putting cable into the small cable tray

當然，也可以考慮選用帶隔板的橋架型號，把動力電纜與4 ～ 20 mA電纜用隔板分隔兩側(cè)[5]。但大規(guī)模長距離敷設(shè)時，隔板無疑增加了大量材料成本的損耗，且遇到電纜交叉處時同樣需要作相應(yīng)的考慮。

4 總結(jié)

電纜敷設(shè)是電氣施工中最為基礎(chǔ)的一項工作，也是施工過程中問題表現(xiàn)得最為直接和突出的事項。一旦電纜敷設(shè)施工途中出現(xiàn)問題，由于其施工范圍空間跨度長，又集中在范圍相對狹小的橋架及槽盒中，因而中途修改和變更就顯得極為困難和麻煩。RTD等4 ～ 20 mA信號控制電纜是近年來才廣泛使用的一種電纜，在一些早期或有一定年限的工程項目及廠區(qū)中較為少見。剛接觸此類電纜時，很容易在設(shè)計和施工過程中忽略因動力電纜等干擾而帶來的敷設(shè)問題。在一些諸如老廠區(qū)改造的項目中，由于老廠區(qū)本身的條件限制，為需要新增加的4 ～ 20 mA電纜的敷設(shè)帶來困難。本文根據(jù)現(xiàn)有的一些工程實踐經(jīng)驗，總結(jié)了4 ～ 20 mA電纜敷設(shè)過程中的問題，并列舉了以上一些可行的解決方案。在工程應(yīng)用中，可在考慮成本、材料損耗、施工工作量等因素的條件下選擇一種或多種方案，并根據(jù)實際情況作相應(yīng)的優(yōu)化。

[1] 張洪潤.傳感器技術(shù)大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 王家禮.電磁場與電磁波[M].西安：電子科技大學出版社，2000.

[3] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院組.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2005.

[4] SH/T 3019—2003，石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范[S].

[5] GB 50054—2011，低壓配電設(shè)計規(guī)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

趙晨煒（1987—），男，助理工程師，主要從事石油化工電氣供配電設(shè)計工作。