孟鐸，陳曼，彭晶

（中國五環(huán)工程有限公司）

摘要：作為監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，儀表電纜的性能和質(zhì)量是決定整個控制系統(tǒng)安全、可靠運行的重要因素。針對化工裝置中儀表電纜的設(shè)計原則，結(jié)合國際上通用的電纜標(biāo)準(zhǔn)，對儀表電纜進(jìn)行了歸納總結(jié)，并重點分析了電纜導(dǎo)體、絕緣層、對絞間距、屏蔽、護(hù)套、鎧裝和電氣特性等的要求及性能指標(biāo)。給出了國內(nèi)外常用的電纜測試標(biāo)準(zhǔn)，有利于工程設(shè)計中儀表電纜的選型和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：儀表電纜  化工裝置  工程設(shè)計  性能指標(biāo)

儀表電纜主要用于自動控制系統(tǒng)、監(jiān)控回路的信號傳輸，在化工裝置中大量使用。隨著工程現(xiàn)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(shè)計中合理地選擇儀表電纜，已成為制約整個控制系統(tǒng)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(jù)EN502887—2005 Multielement 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(biāo)準(zhǔn)。在電纜導(dǎo)體、絕緣、電纜測試等方面，國際電工委員會（IEC）頒布的標(biāo)準(zhǔn)均有相關(guān)的規(guī)定，但是在IEC標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的電纜廠商在制造電纜時多依據(jù)自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。為利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高和控制，國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)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(jié)合儀表電纜的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，重點對化工裝置中常用儀表電纜的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)進(jìn)行了分析和歸類整理。

1儀表電纜的設(shè)計原則

在化工裝置中，儀表電纜在選型和設(shè)計時，常遵循如下設(shè)計流程:

1） 確定所適用的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在滿足項目設(shè)計要求的同時，不得與國家、行業(yè)和地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)方法等，對電纜的線芯材質(zhì)、護(hù)套、屏蔽、鎧裝、敷設(shè)半徑等均會產(chǎn)生影響。

3） 確定電纜的參數(shù)要求。在明確上述要求的基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和使用環(huán)境，合理選擇電纜的具體參數(shù)。

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(jié)構(gòu)

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(dāng)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(xiàn)場環(huán)境下保證信號傳輸?shù)木?。根?jù)電纜的性能和使用場合的不同，儀表電纜的結(jié)構(gòu)也有所差異。儀表電纜的基本結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)體、絕緣層、分屏/總屏、內(nèi)護(hù)套、鎧裝層和外護(hù)套等^［5］，儀表電纜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1儀表電纜的基本結(jié)構(gòu)示意

2.1電纜導(dǎo)體

根據(jù)IEC 60228—2004 Conductors of Insulated Cables^［6］或GB/T 3956—2008《電纜的導(dǎo)體》［7］的規(guī)定，電纜的導(dǎo)體分4種類別，在化工裝置中固定敷設(shè)用的儀表電纜主要使用實心導(dǎo)體（Class1）和絞合導(dǎo)體（Class2）。絞合導(dǎo)體可提高導(dǎo)體的柔韌性和撓性，便于接線安裝，當(dāng)在振動場合采用絞合導(dǎo)體時，可適當(dāng)提高電纜的使用壽命。

電纜導(dǎo)體的截面積主要由導(dǎo)線絕緣材料的允許溫升及導(dǎo)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(jù)導(dǎo)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(dǎo)體的截面積^［8］。根據(jù)不同的使用場合，化工裝置中常用儀表導(dǎo)體截面積為0.75~2.50mm2。在部分歐美地區(qū)，常使用美國線規(guī)（AWG）來區(qū)分導(dǎo)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(guī)號n對應(yīng)的導(dǎo)體截面積，mm²；n——美國線規(guī)號，量綱為一的量。

適用于實心銅導(dǎo)體的AWG常用尺寸數(shù)據(jù)見表1所列。

表1AWG線規(guī)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(dǎo)體的材質(zhì)，在經(jīng)過冷加工后，銅導(dǎo)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(dǎo)系數(shù)和柔軟性，常使用退火的銅導(dǎo)體。銅導(dǎo)體的導(dǎo)電性能隨溫度升高而降低，在正常的操作范圍內(nèi)，電阻和溫度之間呈線性關(guān)系，如式（2）所示^［9］:

Rt=R201+α（t－20）（2）

式中: Rt——導(dǎo)體在工作溫度t下的電阻值，Ω/km；R20——導(dǎo)體在溫度20℃下的電阻值，Ω/km；α——20℃時導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，1/℃；t——工作溫度，℃。

在文獻(xiàn)［6］或文獻(xiàn)［7］中規(guī)定，電纜的導(dǎo)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(dá)150℃情況下有效地防止銅導(dǎo)線的氧化；導(dǎo)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(dǎo)電性約為銅導(dǎo)體的15%，因而導(dǎo)體鍍錫會導(dǎo)致銅導(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(jù)GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》^［11］的要求，塑料絕緣的電纜不應(yīng)在環(huán)境溫度低于0℃的條件下敷設(shè)。

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(yīng)用^［12］。普通PVC絕緣的儀表電纜導(dǎo)體長期允許工作溫度為70℃，短路熱穩(wěn)定允許溫度為160℃。在添加了相應(yīng)的耐熱性增塑劑后，導(dǎo)體長期允許工作溫度可達(dá)90℃和105℃。在低溫時，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，在燃燒時會產(chǎn)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(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，接觸火焰時易燃燒和熔融，耐環(huán)境應(yīng)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)闊峁绦裕瑥亩鴮?yīng)力開裂、切割的抵抗力更強，同時對溶劑變化的適應(yīng)性也強。XLPE具有比PE更高的介電常數(shù)，但具有更好的抗老化性和耐水性。XLPE的絕緣儀表電纜導(dǎo)體長期允許工作溫度為90℃，短路熱穩(wěn)定允許溫度為250℃。

儀表電纜絕緣層的厚度主要與導(dǎo)體的截面積、耐壓等級、絕緣材質(zhì)等有關(guān)，絕緣層厚度應(yīng)不小于所選用電纜相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。絕緣層還作為儀表電纜絕緣線芯的識別標(biāo)識，通常采用阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)準(zhǔn)顏色來區(qū)分多芯電纜的不同線芯或標(biāo)明線芯的功能。

2.3對絞和屏蔽

由于化工裝置現(xiàn)場的電磁噪聲環(huán)境十分復(fù)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(shè)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(dǎo)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(xiàn)［1］第4.3條中規(guī)定: 當(dāng)導(dǎo)體截面積不大于1.5mm²時，對絞間距不得超過100mm，當(dāng)導(dǎo)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(dǎo)線對絞的基礎(chǔ)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(tǒng)傳導(dǎo)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(jié)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(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(fù)合帶，可為導(dǎo)線提供100%的包裹，銅/鋁塑復(fù)合帶的厚度很薄，在緊貼銅/鋁塑復(fù)合帶的金屬面，使用排繞線進(jìn)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(dǎo)體，且導(dǎo)體截面積不得小于0.5mm²。金屬編織網(wǎng)則由裸銅線或鍍錫銅線依據(jù)一定的填充系數(shù)編織而成，屏蔽效果出色，但價格較貴。

2.4護(hù)套

護(hù)套的主要作用是保護(hù)電纜不受外界溫度、壓力、濕度和化學(xué)腐蝕等帶來的影響。外護(hù)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(biāo)，并作為電纜外觀標(biāo)識的重要載體。當(dāng)存在鎧裝層時，內(nèi)護(hù)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(hù)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(hù)套材質(zhì)有PVC和HFFR等。外護(hù)套上的電纜標(biāo)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(hù)套造成損傷。儀表電纜護(hù)套一般采用油墨印刷，可以做到標(biāo)識清晰、字體耐磨，并符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。電纜的護(hù)套顏色與電纜的類型有關(guān)，依據(jù)文獻(xiàn)［16］的規(guī)定，本安回路用儀表電纜的顏色必須為淺藍(lán)色。在文獻(xiàn)［14］中，對護(hù)套的最小厚度、外護(hù)套標(biāo)識等均進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)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(biāo)準(zhǔn)對鋼絲的直徑、鋼帶的層數(shù)、厚度和寬度等內(nèi)容均有詳細(xì)的規(guī)定。由于鎧裝層為鋼絲或鋼帶的結(jié)構(gòu)，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(shè)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(dǎo)體對地的額定電壓有效值為交流300V、電纜導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)下，施加特定的工頻或直流測試電壓，以確保電纜在1min內(nèi)不會發(fā)生擊穿現(xiàn)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(dǎo)體選用的絕緣材質(zhì)有關(guān)，同時也受電纜的制作工藝水平影響。在本安型安全系統(tǒng)的應(yīng)用中，電纜的分布電容和電感作為儲能元件影響本安系統(tǒng)的性能，需滿足本安回路配線設(shè)計的要求^［17］。L/R的取值與A有關(guān)，當(dāng)A≤1mm²時，L/R＜25 μH/Ω；當(dāng)A=1.5mm²時，L/R＜40 μH/Ω；當(dāng)A=2.5mm²時，L/R＜60μH/Ω。

3儀表電纜的測試標(biāo)準(zhǔn)

在完成電纜的設(shè)計后，電纜檢驗是判斷電纜符合相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。從產(chǎn)品檢驗的內(nèi)容上，電纜檢驗可分為結(jié)構(gòu)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)品時所進(jìn)行的試驗，一般做過一次后不再重復(fù)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(biāo)準(zhǔn)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的重要內(nèi)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(xiàn)［14］中均有詳細(xì)的規(guī)定。結(jié)構(gòu)尺寸、機械性能、物理性能等也需滿足儀表電纜所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的要求。對于阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等特殊要求，相關(guān)的國內(nèi)外測試標(biāo)準(zhǔn)見表2所列。

表2國內(nèi)外電纜常用測試標(biāo)準(zhǔn)

4結(jié)束語

本文結(jié)合儀表電纜的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，分析了儀表電纜的基本結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，并給出了儀表電纜相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)。在編制電纜技術(shù)規(guī)格書時，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)項目的實際情況，明確儀表電纜的技術(shù)參數(shù)，確保電纜的性能指標(biāo)滿足設(shè)計需求。同時，設(shè)計人員還需不斷學(xué)習(xí)儀表電纜的最新規(guī)范和工藝方面的發(fā)展，總結(jié)實際的項目應(yīng)用經(jīng)驗，推動儀表電纜在化工裝置中的技術(shù)發(fā)展。