淺談化工裝置中儀表電纜的選型
孟鐸，陳曼，彭晶
（中國五環工程有限公司）
摘要：作為監控系統的重要組成部分，儀表電纜的性能和質量是決定整個控制系統安全、可靠運行的重要因素。針對化工裝置中儀表電纜的設計原則，結合國際上通用的電纜標準，對儀表電纜進行了歸納總結，并重點分析了電纜導體、絕緣層、對絞間距、屏蔽、護套、鎧裝和電氣特性等的要求及性能指標。給出了國內外常用的電纜測試標準，有利于工程設計中儀表電纜的選型和應用。
關鍵詞：儀表電纜 化工裝置 工程設計 性能指標
儀表電纜主要用于自動控制系統、監控回路的信號傳輸，在化工裝置中大量使用。隨著工程現場中對化工裝置的安全性和可靠性要求越來越高，在工程設計中合理地選擇儀表電纜，已成為制約整個控制系統安全、可靠運行的重要因素之一。
儀表電纜的選用主要是依據EN502887—2005 Multielement metallic cables used in analogue and digital communicationand controlPart7: Sectional specification for instrumentation and controlcables［1］，PAS 53081—2009 Controland instrumentation cablesPart1: Specification for polyethylene insulatedcables［2］，PAS 53082—2009 Controland instrumentation cablesPart2: Specification for PVC insulated cables［3］等相關電纜標準。在電纜導體、絕緣、電纜測試等方面，國際電工委員會（IEC）頒布的標準均有相關的規定，但是在IEC標準體系中，對儀表電纜卻無針對性的要求。在中國同樣沒有針對儀表電纜的國家標準或行業標準，國內的電纜廠商在制造電纜時多依據自身的企業標準來執行。為利于產品質量的提高和控制，國家電線電纜質量監督檢驗中心于2009年發布了TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》［4］。本文結合儀表電纜的國內外標準，重點對化工裝置中常用儀表電纜的結構和性能指標進行了分析和歸類整理。
1儀表電纜的設計原則
在化工裝置中，儀表電纜在選型和設計時，常遵循如下設計流程:
1） 確定所適用的設計標準。根據項目合同和專利商等要求，合理選擇電纜制造、檢驗和驗收所遵循的國際標準、國家標準和行業標準，在滿足項目設計要求的同時，不得與國家、行業和地方的相關標準存在沖突。
2） 確定電纜的使用環境。包括環境溫度、環境腐蝕、電磁干擾情況、防爆等級和敷設方法等，對電纜的線芯材質、護套、屏蔽、鎧裝、敷設半徑等均會產生影響。
3） 確定電纜的參數要求。在明確上述要求的基礎上，依據設計標準和使用環境，合理選擇電纜的具體參數。
4） 確定電纜的檢驗與測試。明確電纜的制造要求、出廠階段的檢驗和測試要求。
2儀表電纜的結構
儀表電纜的交流額定電壓在500V以下，電纜線徑一般在7~30mm。當傳輸弱電信號時，儀表電纜需要抑制外界噪聲和寄生信號，在苛刻的現場環境下保證信號傳輸的精度。根據電纜的性能和使用場合的不同，儀表電纜的結構也有所差異。儀表電纜的基本結構包括導體、絕緣層、分屏/總屏、內護套、鎧裝層和外護套等［5］，儀表電纜的基本結構如圖1所示。
圖1儀表電纜的基本結構示意
2.1電纜導體
根據IEC 60228—2004 Conductors of Insulated Cables［6］或GB/T 3956—2008《電纜的導體》［7］的規定，電纜的導體分4種類別，在化工裝置中固定敷設用的儀表電纜主要使用實心導體（Class1）和絞合導體（Class2）。絞合導體可提高導體的柔韌性和撓性，便于接線安裝，當在振動場合采用絞合導體時，可適當提高電纜的使用壽命。
電纜導體的截面積主要由導線絕緣材料的允許溫升及導線上允許的電壓降確定。一般儀表電纜的信號是弱電信號，不考慮溫升和允許壓降的問題，主要根據導線的機械強度和檢測及控制回路對線路阻抗匹配的要求來決定導體的截面積［8］。根據不同的使用場合，化工裝置中常用儀表導體截面積為0.75~2.50mm2。在部分歐美地區，常使用美國線規（AWG）來區分導體的外徑，每種AWG的實際截面積的計算如式（1）所示:
An=0.012668×9236－n19.5（1）
式中: An——線規號n對應的導體截面積，mm2；n——美國線規號，量綱為一的量。
適用于實心銅導體的AWG常用尺寸數據見表1所列。
表1AWG線規與尺寸對照
銅具有優良的電氣特性和耐用性，常選用銅作為電纜導體的材質，在經過冷加工后，銅導體的電阻率會上升，硬度和強度增加、塑性降低。為了提高冷拉銅線的電導系數和柔軟性，常使用退火的銅導體。銅導體的導電性能隨溫度升高而降低，在正常的操作范圍內，電阻和溫度之間呈線性關系，如式（2）所示［9］:
Rt=R201+α（t－20）（2）
式中: Rt——導體在工作溫度t下的電阻值，Ω/km；R20——導體在溫度20℃下的電阻值，Ω/km；α——20℃時導體電阻溫度系數，1/℃；t——工作溫度，℃。
在文獻［6］或文獻［7］中規定，電纜的導體可鍍有合適的金屬薄層,常見的金屬鍍層主要有錫、銀、鎳三種。其中，錫是儀表電纜最常用的金屬鍍層，能夠在高達150℃情況下有效地防止銅導線的氧化；導體鍍錫可用于改善銅線的焊接能力、減少氧化或腐蝕等［10］，由于錫的導電性約為銅導體的15%，因而導體鍍錫會導致銅導體的電阻值增大。
2.2絕緣層
絕緣層的主要目的是保證電纜相鄰導體間的絕緣，絕緣材質的選擇與環境溫度、防火要求、環保要求和相關的標準等因素有關。在化工裝置中，儀表電纜的絕緣材質常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和交聯聚乙烯（XLPE）等，根據GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》［11］的要求，塑料絕緣的電纜不應在環境溫度低于0℃的條件下敷設。
1） 由于PVC價格便宜，可通過添加多種配合劑提高耐溫、阻燃、耐油、耐酸堿腐蝕等性能，在電纜絕緣材料中得到了廣泛的應用［12］。普通PVC絕緣的儀表電纜導體長期允許工作溫度為70℃，短路熱穩定允許溫度為160℃。在添加了相應的耐熱性增塑劑后，導體長期允許工作溫度可達90℃和105℃。在低溫時，PVC絕緣的電纜易變硬、發脆，PVC絕緣的電纜不宜在低于-15℃的環境下使用。由于含有鹵素，在燃燒時會產生濃厚的有毒黑煙，不滿足低煙、無毒場合的使用，絕緣層可以采用無氯阻燃化合物（HFFR）替代［13］。
2） 與PVC相比，PE具有介電損耗低、絕緣強度高等優良的電氣性能，PE絕緣較PVC的耐寒性好、質量輕，在同等電壓等級下可比PVC絕緣層的厚度小。但是，PE材質較硬、軟化溫度低，接觸火焰時易燃燒和熔融，耐環境應力較差。PE絕緣電纜的耐熱等級主要分為70℃和80℃。
3） XLPE是將PE從熱塑性變為熱固性，從而對應力開裂、切割的抵抗力更強，同時對溶劑變化的適應性也強。XLPE具有比PE更高的介電常數，但具有更好的抗老化性和耐水性。XLPE的絕緣儀表電纜導體長期允許工作溫度為90℃，短路熱穩定允許溫度為250℃。
儀表電纜絕緣層的厚度主要與導體的截面積、耐壓等級、絕緣材質等有關，絕緣層厚度應不小于所選用電纜相關標準的規定。絕緣層還作為儀表電纜絕緣線芯的識別標識，通常采用阿拉伯數字、標準顏色來區分多芯電纜的不同線芯或標明線芯的功能。
2.3對絞和屏蔽
由于化工裝置現場的電磁噪聲環境十分復雜，電纜既會作為受擾對象吸收來自外界的電磁干擾，也可作為噪聲源將電磁噪聲輻射至周圍的線路和設備中。儀表電纜常采用對絞和屏蔽的方式來降低電磁干擾的影響。
在儀表信號傳輸回路中，通過將不同的2根絕緣導線對絞來降低信號干擾的強度，對絞的間距越小其抗干擾能力越強。為保證儀表電纜的抗干擾性能，文獻［1］第4.3條中規定: 當導體截面積不大于1.5mm2時，對絞間距不得超過100mm，當導體截面積為2.5mm2時，對絞間距不得超過150mm。
在上述2根絕緣導線對絞的基礎上，儀表電纜還使用屏蔽層來反射噪聲能量，并將吸收的噪聲通過良好的接地系統傳導至大地。儀表電纜的屏蔽分為分屏和總屏兩種，分屏指對電纜中線對的屏蔽，總屏則是指對整個電纜的屏蔽［14-15］。在化工裝置中，多采用分屏和總屏結合的形式來抑制電磁干擾的影響。屏蔽層主要有金屬箔屏蔽和編織網屏蔽兩種，屏蔽層的使用與環境的電磁干擾強度、電纜成本及安裝等要求有關。金屬箔屏蔽通常使用銅/鋁塑復合帶，可為導線提供100%的包裹，銅/鋁塑復合帶的厚度很薄，在緊貼銅/鋁塑復合帶的金屬面，使用排繞線進行良好的接地連接，具有較好的屏蔽效果。排繞線一般為鍍錫退火銅導體，且導體截面積不得小于0.5mm2。金屬編織網則由裸銅線或鍍錫銅線依據一定的填充系數編織而成，屏蔽效果出色，但價格較貴。
2.4護套
護套的主要作用是保護電纜不受外界溫度、壓力、濕度和化學腐蝕等帶來的影響。外護套是表征電纜防火、耐油、耐高溫、抗彎曲、抵抗蟲害等性能的重要指標，并作為電纜外觀標識的重要載體。當存在鎧裝層時，內護套用于防止鎧裝層的金屬對電纜的擠壓和損傷，同時也可起到提高電纜防火、耐油等性能的作用。
護套的材質選擇與環境溫度、環境腐蝕和環保要求等因素有關，化工裝置中常用的護套材質有PVC和HFFR等。外護套上的電纜標識，主要用壓印（凸印或凹印）和油墨印刷等方式，壓印適用于外徑較大的電纜，且壓印工藝較繁瑣，易對儀表電纜外護套造成損傷。儀表電纜護套一般采用油墨印刷，可以做到標識清晰、字體耐磨，并符合相關的標準要求。電纜的護套顏色與電纜的類型有關，依據文獻［16］的規定，本安回路用儀表電纜的顏色必須為淺藍色。在文獻［14］中，對護套的最小厚度、外護套標識等均進行了詳細的規定。
2.5鎧裝
鎧裝層主要是增強電纜的抗拉、抗壓強度等機械性能，以提高電纜的使用壽命。同時，將鎧裝層接地還可以提高電纜抗干擾性能。鎧裝的類型有多種形式，儀表電纜常用的鎧裝形式有鋼絲鎧裝（SWA）、鋼絲編織鎧裝（SWB）和鋼帶鎧裝（STA）三種。為保證鎧裝電纜的性能，儀表電纜標準對鋼絲的直徑、鋼帶的層數、厚度和寬度等內容均有詳細的規定。由于鎧裝層為鋼絲或鋼帶的結構，鎧裝電纜的彎曲半徑較非鎧裝電纜要大。為避免造成電纜的損傷，在固定敷設電纜時，需特別注意電纜制造商對電纜彎曲半徑的要求。
2.6電氣特性
儀表電纜的電氣特性主要包括額定電壓、絕緣強度、絕緣電阻、分布電容、電纜電感電阻比（L/R）等。額定電壓通常用U0/U表示，如300/500V指電纜導體對地的額定電壓有效值為交流300V、電纜導體之間的額定電壓有效值為交流500V。絕緣強度是指在指定的測試標準下，施加特定的工頻或直流測試電壓，以確保電纜在1min內不會發生擊穿現象。絕緣電阻則表征電纜在正常工作狀態下的電絕緣性能，主要與導體選用的絕緣材質有關，同時也受電纜的制作工藝水平影響。在本安型安全系統的應用中，電纜的分布電容和電感作為儲能元件影響本安系統的性能，需滿足本安回路配線設計的要求［17］。L/R的取值與A有關，當A≤1mm2時，L/R＜25 μH/Ω；當A=1.5mm2時，L/R＜40 μH/Ω；當A=2.5mm2時，L/R＜60μH/Ω。
3儀表電纜的測試標準
在完成電纜的設計后，電纜檢驗是判斷電纜符合相關設計標準的重要依據。從產品檢驗的內容上，電纜檢驗可分為結構檢查、機械性能試驗、物理性能試驗和電氣性能試驗等。從產品的驗收形式上，電纜的檢驗又分為型式試驗、例行試驗和抽樣試驗等。型式試驗是制造商研制電纜產品時所進行的試驗，一般做過一次后不再重復試驗。例行試驗是指在不破壞電纜本體條件下，直接在所生產出的電纜上進行的試驗。抽樣試驗則是從所生產的電纜中抽樣、切取試樣，按照標準要求的檢測程序所進行的試驗。
電氣性能是儀表電纜測試時的重要內容，主要包括直流電阻、絕緣電阻和沖擊電壓試驗等［18］，在文獻［14］中均有詳細的規定。結構尺寸、機械性能、物理性能等也需滿足儀表電纜所執行的標準中規定的要求。對于阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等特殊要求，相關的國內外測試標準見表2所列。
表2國內外電纜常用測試標準
4結束語
本文結合儀表電纜的相關標準，分析了儀表電纜的基本結構和性能參數，并給出了儀表電纜相關的測試標準。在編制電纜技術規格書時，設計人員應根據項目的實際情況，明確儀表電纜的技術參數，確保電纜的性能指標滿足設計需求。同時，設計人員還需不斷學習儀表電纜的最新規范和工藝方面的發展，總結實際的項目應用經驗，推動儀表電纜在化工裝置中的技術發展。