淺談化工裝置中儀表電纜的選型
孟鐸，陳曼，彭晶
（中國五環(huán)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(zhì)量是決定整個(gè)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(jìn)行了歸納總結，并重點(diǎn)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(guān)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(dòng)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(zhù)工程現場(chǎng)中對化工裝置的安全性和可靠性要求越來(lái)越高，在工程設計中合理地選擇儀表電纜，已成為制約整個(gè)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(guān)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(huì )（IEC）頒布的標準均有相關(guān)的規定，但是在IEC標準體系中，對儀表電纜卻無(wú)針對性的要求。在中國同樣沒(méi)有針對儀表電纜的國家標準或行業(yè)標準，國內的電纜廠(chǎng)商在制造電纜時(shí)多依據自身的企業(yè)標準來(lái)執行。為利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高和控制，國家電線(xiàn)電纜質(zhì)量監督檢驗中心于2009年發(fā)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(diǎn)對化工裝置中常用儀表電纜的結構和性能指標進(jìn)行了分析和歸類(lèi)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(shí)，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(zhuān)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(yè)標準，在滿(mǎn)足項目設計要求的同時(shí)，不得與國家、行業(yè)和地方的相關(guān)標準存在沖突。
2） 確定電纜的使用環(huán)境。包括環(huán)境溫度、環(huán)境腐蝕、電磁干擾情況、防爆等級和敷設方法等，對電纜的線(xiàn)芯材質(zhì)、護套、屏蔽、鎧裝、敷設半徑等均會(huì )產(chǎn)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(huán)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(chǎng)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(xiàn)徑一般在7~30mm。當傳輸弱電信號時(shí)，儀表電纜需要抑制外界噪聲和寄生信號，在苛刻的現場(chǎng)環(huán)境下保證信號傳輸的精度。根據電纜的性能和使用場(chǎng)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(lèi)別，在化工裝置中固定敷設用的儀表電纜主要使用實(shí)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(xiàn)安裝，當在振動(dòng)場(chǎng)合采用絞合導體時(shí)，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(xiàn)絕緣材料的允許溫升及導線(xiàn)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(wèn)題，主要根據導線(xiàn)的機械強度和檢測及控制回路對線(xiàn)路阻抗匹配的要求來(lái)決定導體的截面積［8］。根據不同的使用場(chǎng)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(xiàn)規（AWG）來(lái)區分導體的外徑，每種AWG的實(shí)際截面積的計算如式（1）所示:
An=0.012668×9236－n19.5（1）
式中: An——線(xiàn)規號n對應的導體截面積，mm2；n——美國線(xiàn)規號，量綱為一的量。
適用于實(shí)心銅導體的AWG常用尺寸數據見(jiàn)表1所列。
表1AWG線(xiàn)規與尺寸對照
銅具有優(yōu)良的電氣特性和耐用性，常選用銅作為電纜導體的材質(zhì)，在經(jīng)過(guò)冷加工后，銅導體的電阻率會(huì )上升，硬度和強度增加、塑性降低。為了提高冷拉銅線(xiàn)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(xiàn)性關(guān)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(shí)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(jiàn)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(xiàn)的氧化；導體鍍錫可用于改善銅線(xiàn)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(huì )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(zhì)的選擇與環(huán)境溫度、防火要求、環(huán)保要求和相關(guān)的標準等因素有關(guān)。在化工裝置中，儀表電纜的絕緣材質(zhì)常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和交聯(lián)聚乙烯（XLPE）等，根據GB 50093—2013《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規范》［11］的要求，塑料絕緣的電纜不應在環(huán)境溫度低于0℃的條件下敷設。
1） 由于PVC價(jià)格便宜，可通過(guò)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(cháng)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(cháng)期允許工作溫度可達90℃和105℃。在低溫時(shí)，PVC絕緣的電纜易變硬、發(fā)脆，PVC絕緣的電纜不宜在低于-15℃的環(huán)境下使用。由于含有鹵素，在燃燒時(shí)會(huì )產(chǎn)生濃厚的有毒黑煙，不滿(mǎn)足低煙、無(wú)毒場(chǎng)合的使用，絕緣層可以采用無(wú)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(yōu)良的電氣性能，PE絕緣較PVC的耐寒性好、質(zhì)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(zhì)較硬、軟化溫度低，接觸火焰時(shí)易燃燒和熔融，耐環(huán)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?yōu)闊峁绦?，從而對應力開(kāi)裂、切割的抵抗力更強，同時(shí)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(cháng)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(zhì)等有關(guān)，絕緣層厚度應不小于所選用電纜相關(guān)標準的規定。絕緣層還作為儀表電纜絕緣線(xiàn)芯的識別標識，通常采用阿拉伯數字、標準顏色來(lái)區分多芯電纜的不同線(xiàn)芯或標明線(xiàn)芯的功能。
2.3對絞和屏蔽
由于化工裝置現場(chǎng)的電磁噪聲環(huán)境十分復雜，電纜既會(huì )作為受擾對象吸收來(lái)自外界的電磁干擾，也可作為噪聲源將電磁噪聲輻射至周?chē)木€(xiàn)路和設備中。儀表電纜常采用對絞和屏蔽的方式來(lái)降低電磁干擾的影響。
在儀表信號傳輸回路中，通過(guò)將不同的2根絕緣導線(xiàn)對絞來(lái)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(shí)，對絞間距不得超過(guò)100mm，當導體截面積為2.5mm2時(shí)，對絞間距不得超過(guò)150mm。
在上述2根絕緣導線(xiàn)對絞的基礎上，儀表電纜還使用屏蔽層來(lái)反射噪聲能量，并將吸收的噪聲通過(guò)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(xiàn)對的屏蔽，總屏則是指對整個(gè)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(lái)抑制電磁干擾的影響。屏蔽層主要有金屬箔屏蔽和編織網(wǎng)屏蔽兩種，屏蔽層的使用與環(huán)境的電磁干擾強度、電纜成本及安裝等要求有關(guān)。金屬箔屏蔽通常使用銅/鋁塑復合帶，可為導線(xiàn)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(xiàn)進(jìn)行良好的接地連接，具有較好的屏蔽效果。排繞線(xiàn)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(wǎng)則由裸銅線(xiàn)或鍍錫銅線(xiàn)依據一定的填充系數編織而成，屏蔽效果出色，但價(jià)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(xué)腐蝕等帶來(lái)的影響。外護套是表征電纜防火、耐油、耐高溫、抗彎曲、抵抗蟲(chóng)害等性能的重要指標，并作為電纜外觀(guān)標識的重要載體。當存在鎧裝層時(shí)，內護套用于防止鎧裝層的金屬對電纜的擠壓和損傷，同時(shí)也可起到提高電纜防火、耐油等性能的作用。
護套的材質(zhì)選擇與環(huán)境溫度、環(huán)境腐蝕和環(huán)保要求等因素有關(guān)，化工裝置中常用的護套材質(zhì)有PVC和HFFR等。外護套上的電纜標識，主要用壓?。ㄍ褂』虬加。┖陀湍∷⒌确绞?，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(guān)的標準要求。電纜的護套顏色與電纜的類(lèi)型有關(guān)，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(jìn)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(shí)，將鎧裝層接地還可以提高電纜抗干擾性能。鎧裝的類(lèi)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(shí)，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(huì )發(fā)生擊穿現象。絕緣電阻則表征電纜在正常工作狀態(tài)下的電絕緣性能，主要與導體選用的絕緣材質(zhì)有關(guān)，同時(shí)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(mǎn)足本安回路配線(xiàn)設計的要求［17］。L/R的取值與A有關(guān)，當A≤1mm2時(shí)，L/R＜25 μH/Ω；當A=1.5mm2時(shí)，L/R＜40 μH/Ω；當A=2.5mm2時(shí)，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(guān)設計標準的重要依據。從產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品時(shí)所進(jìn)行的試驗，一般做過(guò)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(chǎn)出的電纜上進(jìn)行的試驗。抽樣試驗則是從所生產(chǎn)的電纜中抽樣、切取試樣，按照標準要求的檢測程序所進(jìn)行的試驗。
電氣性能是儀表電纜測試時(shí)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(mǎn)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(xiàn)等特殊要求，相關(guān)的國內外測試標準見(jiàn)表2所列。
表2國內外電纜常用測試標準
4結束語(yǔ)
本文結合儀表電纜的相關(guān)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(guān)的測試標準。在編制電纜技術(shù)規格書(shū)時(shí)，設計人員應根據項目的實(shí)際情況，明確儀表電纜的技術(shù)參數，確保電纜的性能指標滿(mǎn)足設計需求。同時(shí)，設計人員還需不斷學(xué)習儀表電纜的最新規范和工藝方面的發(fā)展，總結實(shí)際的項目應用經(jīng)驗，推動(dòng)儀表電纜在化工裝置中的技術(shù)發(fā)展。