天然气站场信号电缆屏蔽方案的研究.pdf

石油天然气学报2 0 1 2 年 9 月第 3 4 卷第 9 期 Jo u r n a l o f Oi l a nd Ga s Te c hn o l o g y S e p ． 2 0 1 2 Vo 1 ． 3 4 No ． 9 天然气 站场信 号电缆屏蔽方案 的研 究 董秀娟 中 石油北 京天然气管道有限公司， 北京1 0 0 1 0 1 [ 摘要]天然气站场仪表控制设备大量采用半 导体元件 以及集 成电路，过 电压耐 受水 平是 比较低 的。由雷 击产生的电磁脉冲可以通过 阻性耦合 、感性耦合、容性耦合 的方 式沿信 号 电缆侵 入仪表 控制 设备 ，造 成 仪表控制设备失灵或者损害。利用屏蔽体来 阻挡或者衰减 雷 电电磁 脉冲在 信号 电缆 的传 播是 一种有效 的 防护措施。经试 验测试证 明，天然气站场 电缆屏蔽应采用两端接地方 法。 [ 关键词]天然气站场 ；电缆屏蔽；双端接地 ， [ 中图分类号] F E 8 8 [ 文献标志码]A [ 文章编号]1 0 0 0 9 7 5 2 2 0 1 2 o 9 0 3 4 8一 o 3 利用屏蔽体来阻挡或者衰减雷电电磁脉冲在信号电缆的传播是一种有效 的防护措施 。目前，电缆屏 蔽层接地方式一般有单端接地和两端接地两种做法 。避免低频干扰和消除噪音 ，国内传统的做法是要求 单端 接地 。而 对于防 雷而 言 ，两 端接地 效果更 佳 。国 内外 新 颁 布 的一些 防 雷接 地 标准 均 要 求两 端 接地 ， 例 如 标 建筑 物 电子信息 系统 防雷技 术规范 GB 5 0 3 4 3 2 0 0 4 中规 定 “ 应 在屏蔽 层 两端 及 雷 电 防护 区 交 界处做 等 电位连 接并接 地” 。笔者 针对天 然气 站场 信号 电缆 屏蔽 层 单端 接 地 和两 端接 地 方式 的屏 蔽 性 能进 行研 究 ，并 结合 试验 结果 ，提 出 了合理 有效 的信号 电缆 屏蔽方 案 。 单端接地的屏蔽性能分析 天然 气站场 监 测控 制 设备 一 般安 装 在 中心 控 制 室 ，而 仪 表 、传 感 器 等 设 备放 置在 室 外 的 管 道 区 ，它 们 之 间一 般 通 过屏 蔽 电缆 连 接 。现 在 我 国石油 化 工 系统 的屏 蔽 电缆 大 多 采用 单 端 接地方式，也就是 电缆屏蔽层在控 制室一端接 地 。 】 当控制 室地 网与管 道 区地 网分 开 时 ，其 接 线 图如 图 1所 示 当控 制 室 侧 地 网 有 雷 电流 流人 大地 时 ．这 时 会在 地 网 电 阻 R 上 产 生 压 图 1 电缆屏蔽层在控 制室侧接地 、在仪表侧悬空 地网分开J 降 ，这 个压 降 同时加 在屏蔽 电缆 的屏蔽 层对芯 线 电容 C 和芯线 对仪 表各器 件对 地 设 备 内与地相 连 的外 壳 等构 件的杂散 电容 C 上 ，由于屏蔽 层对 芯线 电容远 远大 于芯线 与仪 表 内各 器件 对地 杂散 电容 ， 即 C C ，因此控制室地 网升高的电位通过 电容耦合全部加到芯线和仪表内部器件对地 之间。例如 1 0 0 k A 的雷 电流流 入 1 Q 的地 网也 能达 到 1 0 0 k V 的电位升 。这 么大 的电位差 对 于仪表来 说是 无法 忍受 的 ，极 易 造 成仪 器失灵 或者 损害 。 当仪表 侧地 网有雷 电流 流人大 地 时 ，这 时会在 地 网 电阻 R 上 产 生压 降 ，同理 进 行 电容 耦 合 的分 析 可得到 此时 仪表侧 地 网升高 的 电位 也全 部加 到地对仪 表 内部器 件之 间 ，同样会造 成仪 器失 灵或者 损 害 。 2 当控制室地 网与管道区地网连为一体时，其接线图如图 2 所示 由于屏蔽层对芯线 电容远远大于 [ 收稿日期]2 O l 2 0 52 1 [ 作者简介]董秀娟 1 9 8 0一 ， 女 ，2 0 0 5年中国石油大学 北京毕业 ，现从 事自动化 系统控制及仪表管理 工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 4卷第 9 期 董秀娟 天然 气站场信 号电缆屏 蔽方案 的研究 3 4 9 芯线与仪表、控制室内各器件对地杂散电容，屏蔽层与芯线 问电压相对于仪表侧电压近似为零。因此 ， 此 时过 电压是 加在 芯线 和仪表 内部器 件对 地之 间 。其等 值 电路 图可 以简 化为 图 3所 示 。 l 6 a S U。 0 b 连 接 导 体 I -_． I R 图 2 电缆 屏蔽层在控 制室侧接地 、在仪表侧悬空 联合地网 图 3 图 2等值 电路图 当雷 电流流过 地 网间连 接导体 时 ， 芯线 和仪 表 内各 器件 对地 的 电位差 U 为 Ub 一 Ub 。 一U 。一 i h R L 一 M d i h ／ d t 一 i hR d ， ／ d t 1 式 中， R为连接导体6 o段的电阻； L 为连接导体 6 D段的自感 ； M 为连接导体与电缆之间的互感 ； ， 为穿过 环 路 的磁通 。 由式 1 可 知 ， 如果 电缆紧贴 着地 网连 接导体 布放 ， 由于 L ≈ M 或者说 ， ≈ O ， 芯 线 和仪表 内各器 件与地的电位差 u 就能减小到最小值 i R， 此时能够将 降低到几 k V甚至 l k V 以下的瞬态过电 压 。 但 是 由于信 号电缆 众多 ，一般 无法 把所有 电缆 都布 设到 紧贴地 网连接 导体 。 因此 都 存在 着 一定 的感 应 电压 d ／ d t ， 由于雷 电脉 冲的陡度 非 常大 ， 这 个感 应 电压是 比较大 的 ， 一 般远 大于 i R。 另外 由于信号 用浪 涌保护 器一般 容量 较小 ， 这 么大 的瞬态过 电压 全部 加 到芯 线 和仪 表 内部 器件 对 地之 间可 能是 信 号用 浪涌保 护器 无法 承受 的 。 ． 综 上所 述 ， 通 过对 控制 室地 网与管 道 区地 网连 为一 体 以及 分开 两种 情 况 下单 端 接地 在 雷击 时产 生 的 影 响的分析 ， 有 如下结 论 1 联合地网能够大大降低仪表侧端 口的瞬态过电压。 2 即使采用 联合 地 网 ，电缆 采用 单端 接地 的方式 ，仪表 侧端 口仍 旧存 在 较 大 的瞬 态 过 电压 ，由于 信 号 用浪涌 保护 器一 般容量 较小 ，因此对 于仪表 的安全 运行 还会 存在很 大 的威胁 。一 旦仪 表侧发 生击 穿 闪络 或者损 害 ，雷 电流会沿 着芯 线侵 人到控 制 室 ，可 能造成 控制 室监 测控 制设备 的损 害 。 2 两端接地 的屏蔽性能分析 当信号 电缆 采用 两端接 地 的方式 时 ，其 接线 图 如 图 4所示 ． 这 里仅 考虑控 制室 地 网与管道 区地 网 连 为一体 的情 况 n 由图 4可知 ，在控制设备侧和仪表侧端 口的对 地过 电压 共模 电压 实 际上就 是屏 蔽层 与芯线 的 电位 差 。 控制室 l 1 一吧 一 ， ，，，，， ， ，， ， ， ，，， ，，， ，，， ， ， ，， ，， y，， ／，／ 图 4 电缆屏蔽层在控制室侧、仪表侧 均接地 联合地 网 利用式 1 以及 相 关 说 明 可 知 ，当导 线 紧贴 载流 线时 ，导线 与载 流线 之间 的 电位 差就 近似 等于 电流 乘 以载 流线 的 电阻 。而且 对 于一 般 的屏蔽 电缆 ， 其 屏蔽 层与 芯线 的互感 与外 皮 自感相 等 ，因此屏 蔽层 与芯 线 的电位差 为 U i R 2 式中， i 为流过屏蔽层的电流 ； R为屏蔽层的冲击耦合电阻。 比较式 1 与式 2 可见 ，两 端接地 方式 大大 提 高了 电缆 的屏 蔽性 能 。工程 上 习惯 用屏 蔽 系数 K 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油天然气学报 石油机械工程 2 0 ] 2年 9 月 来表征 电缆 的屏 蔽性 能 。电缆 的 K 等于 电缆外 皮 两 端接 地 时 芯线 与 外皮 之 间 的 电位 差 与 电缆外 皮 两 端 不接地 时芯 线 和接地 点之 间 的电位差 之 比。 电缆 的屏蔽 系数 和 电缆外皮 的材 料有 关 ，例如 铅包 电缆 的 K 一般 在 0 ． 8以上 ；铝 包 电缆 的 K在 0 ． 3 ～0 ． 5之 间 因为 铝 的 电阻 系数 小 ，铝 包 钢带 铠 装 电缆 的 K 在 0 ． 1以下 。另 外 ，电缆外 皮材 料相 同 ， K 随着 直径增 大 而减小 。表 1 为两 端接 地 良好 的钢 管 在不 同 直 径 时的 K 值 ，以供 参考 。 表 1 不 同直径钢 管的 K 钢 管两端接地 钢管直径／ ram 屏蔽系数 K 钢管直径／ ram 屏蔽系数 K 2 5 O ． 1 2 1 o o o ． 0 4 5 5 o o ． o 7 1 5 O 0 ． 0 3 5 7 5 o ． o 6 2 0 O o ． o 3 由以上分析以及表 2可见 ，两端接地的电缆能够将端 口的过电压降低到单端接地的几分之一甚至几 十分 之一 。 ’ 3 两端接地方 式的低频干扰的考虑 当采用 两端 接地 或者 多点 接地 时 ，各接地 点之 间 的屏 蔽层 沿线路 之 问形成 回路 ，低 频干 扰电 流 的 电磁场 可能会 有一部 分 透过屏 蔽层 ，在 芯线一 护 套 回路或 者 芯 线之 间 产生 低 频 干扰 。但 是 ，产 生 这 种 低频 干扰是 有 条件 的 ，即大 地 中必须有 较大 的杂 散 电流 ，通 常在 电力系统 或者 铁路 系统 中，这种杂 散 电 流是 比较 大的 ，而对 于天然 气站 场而言 ，除了设 置在 电力 、铁 路设 施 附近的部 分站 点外 ，杂散 电流 一般 都是很小的，不足以产生低频干扰。而由于大部分石化系统的站点都设置在郊区野外 ，而且具有大量的 金属 管道 ，遭受 雷 电危 害 的概率 远远高 于低 频干 扰 。 对 于设 置 在 电力 、铁路 设施 附近容 易产生 低 频干扰 问题 的站点 ，可 以采用 双层 屏蔽 的办 法 ，即内屏 蔽层 采用单 端接 地 ，外 屏蔽 层 或者套 管 采用 双端接 地 。这样既 保证 安全 ，又能 抑制低 频 干扰 。 4 信号电缆的屏蔽方案 基 于 以上 研究 分析 结果 ，得 出如下 屏蔽方 案 1 如果需要敷设大量电缆 ，可建立有笼状结构的电缆沟。电缆沟的钢筋必须焊接连通并且连接到 建 筑物 的钢筋 上 。 2 敷设 少量 电缆 时可采 用套 铁管地 埋 的方式 ，铁管 两端 可靠 接地 。 3 电缆 屏蔽 层必 须两端 可靠 接地 ，为 了使 屏蔽 层 内 的纵 向屏蔽 电流均 匀 分 布 以获得 最 大 限度 的屏 蔽 性 能 ，连 接端 宜使用 同轴 连接 器 ，连 接器对 屏蔽 层能 够提供 3 6 0度 的电接触 。 4 当电缆直 埋时 ，电缆 应靠 近地 网之 间的连 接导体 敷设 。 5 对于重要性比较高或者容易雷击环境较恶劣的电缆 例如进出站处变送器的监测 电缆 ，应采用 双层屏蔽或者套铁管的方式。如果条件有限无法实施，应在电缆附近沿线敷设一根热镀锌扁钢，扁钢两 端 与地 网可靠 连接 。 6 对于 设置 在 电力 、铁 路设施 附近 容易 产生 低频 干扰 问题 的站 点 ，应采 用 双 层屏 蔽 的办法 。外 层 的铁管或者屏蔽层两端接地 ，内层 的屏蔽层单端接地。单端接地的接地点应设置在控制室侧 。 7 连接电缆中闲置不用的空线对应做好接地处理。 [ 编辑] 宋换新 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m