浅谈化工装置中仪表电缆的选型
孟铎，陈曼，彭晶
（中国五环工程有限公司）
摘要：作为监控系统的重要组成部分，仪表电缆的性能和质量是决定整个控制系统安全、可靠运行的重要因素。针对化工装置中仪表电缆的设计原则，结合国际上通用的电缆标准，对仪表电缆进行了归纳总结，并重点分析了电缆导体、绝缘层、对绞间距、屏蔽、护套、铠装和电气特性等的要求及性能指标。给出了国内外常用的电缆测试标准，有利于工程设计中仪表电缆的选型和应用。
关键词：仪表电缆 化工装置 工程设计 性能指标
仪表电缆主要用于自动控制系统、监控回路的信号传输，在化工装置中大量使用。随着工程现场中对化工装置的安全性和可靠性要求越来越高，在工程设计中合理地选择仪表电缆，已成为制约整个控制系统安全、可靠运行的重要因素之一。
仪表电缆的选用主要是依据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］等相关电缆标准。在电缆导体、绝缘、电缆测试等方面，国际电工委员会（IEC）颁布的标准均有相关的规定，但是在IEC标准体系中，对仪表电缆却无针对性的要求。在中国同样没有针对仪表电缆的国家标准或行业标准，国内的电缆厂商在制造电缆时多依据自身的企业标准来执行。为利于产品质量的提高和控制，国家电线电缆质量监督检验中心于2009年发布了TICW/06—2009《计算机与仪表电缆》［4］。本文结合仪表电缆的国内外标准，重点对化工装置中常用仪表电缆的结构和性能指标进行了分析和归类整理。
1仪表电缆的设计原则
在化工装置中，仪表电缆在选型和设计时，常遵循如下设计流程:
1） 确定所适用的设计标准。根据项目合同和专利商等要求，合理选择电缆制造、检验和验收所遵循的国际标准、国家标准和行业标准，在满足项目设计要求的同时，不得与国家、行业和地方的相关标准存在冲突。
2） 确定电缆的使用环境。包括环境温度、环境腐蚀、电磁干扰情况、防爆等级和敷设方法等，对电缆的线芯材质、护套、屏蔽、铠装、敷设半径等均会产生影响。
3） 确定电缆的参数要求。在明确上述要求的基础上，依据设计标准和使用环境，合理选择电缆的具体参数。
4） 确定电缆的检验与测试。明确电缆的制造要求、出厂阶段的检验和测试要求。
2仪表电缆的结构
仪表电缆的交流额定电压在500V以下，电缆线径一般在7~30mm。当传输弱电信号时，仪表电缆需要抑制外界噪声和寄生信号，在苛刻的现场环境下保证信号传输的精度。根据电缆的性能和使用场合的不同，仪表电缆的结构也有所差异。仪表电缆的基本结构包括导体、绝缘层、分屏/总屏、内护套、铠装层和外护套等［5］，仪表电缆的基本结构如图1所示。
图1仪表电缆的基本结构示意
2.1电缆导体
根据IEC 60228—2004 Conductors of Insulated Cables［6］或GB/T 3956—2008《电缆的导体》［7］的规定，电缆的导体分4种类别，在化工装置中固定敷设用的仪表电缆主要使用实心导体（Class1）和绞合导体（Class2）。绞合导体可提高导体的柔韧性和挠性，便于接线安装，当在振动场合采用绞合导体时，可适当提高电缆的使用寿命。
电缆导体的截面积主要由导线绝缘材料的允许温升及导线上允许的电压降确定。一般仪表电缆的信号是弱电信号，不考虑温升和允许压降的问题，主要根据导线的机械强度和检测及控制回路对线路阻抗匹配的要求来决定导体的截面积［8］。根据不同的使用场合，化工装置中常用仪表导体截面积为0.75~2.50mm2。在部分欧美地区，常使用美国线规（AWG）来区分导体的外径，每种AWG的实际截面积的计算如式（1）所示:
An=0.012668×9236－n19.5（1）
式中: An——线规号n对应的导体截面积，mm2；n——美国线规号，量纲为一的量。
适用于实心铜导体的AWG常用尺寸数据见表1所列。
表1AWG线规与尺寸对照
铜具有优良的电气特性和耐用性，常选用铜作为电缆导体的材质，在经过冷加工后，铜导体的电阻率会上升，硬度和强度增加、塑性降低。为了提高冷拉铜线的电导系数和柔软性，常使用退火的铜导体。铜导体的导电性能随温度升高而降低，在正常的操作范围内，电阻和温度之间呈线性关系，如式（2）所示［9］:
Rt=R201+α（t－20）（2）
式中: Rt——导体在工作温度t下的电阻值，Ω/km；R20——导体在温度20℃下的电阻值，Ω/km；α——20℃时导体电阻温度系数，1/℃；t——工作温度，℃。
在文献［6］或文献［7］中规定，电缆的导体可镀有合适的金属薄层,常见的金属镀层主要有锡、银、镍三种。其中，锡是仪表电缆最常用的金属镀层，能够在高达150℃情况下有效地防止铜导线的氧化；导体镀锡可用于改善铜线的焊接能力、减少氧化或腐蚀等［10］，由于锡的导电性约为铜导体的15%，因而导体镀锡会导致铜导体的电阻值增大。
2.2绝缘层
绝缘层的主要目的是保证电缆相邻导体间的绝缘，绝缘材质的选择与环境温度、防火要求、环保要求和相关的标准等因素有关。在化工装置中，仪表电缆的绝缘材质常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）和交联聚乙烯（XLPE）等，根据GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》［11］的要求，塑料绝缘的电缆不应在环境温度低于0℃的条件下敷设。
1） 由于PVC价格便宜，可通过添加多种配合剂提高耐温、阻燃、耐油、耐酸碱腐蚀等性能，在电缆绝缘材料中得到了广泛的应用［12］。普通PVC绝缘的仪表电缆导体长期允许工作温度为70℃，短路热稳定允许温度为160℃。在添加了相应的耐热性增塑剂后，导体长期允许工作温度可达90℃和105℃。在低温时，PVC绝缘的电缆易变硬、发脆，PVC绝缘的电缆不宜在低于-15℃的环境下使用。由于含有卤素，在燃烧时会产生浓厚的有毒黑烟，不满足低烟、无毒场合的使用，绝缘层可以采用无氯阻燃化合物（HFFR）替代［13］。
2） 与PVC相比，PE具有介电损耗低、绝缘强度高等优良的电气性能，PE绝缘较PVC的耐寒性好、质量轻，在同等电压等级下可比PVC绝缘层的厚度小。但是，PE材质较硬、软化温度低，接触火焰时易燃烧和熔融，耐环境应力较差。PE绝缘电缆的耐热等级主要分为70℃和80℃。
3） XLPE是将PE从热塑性变为热固性，从而对应力开裂、切割的抵抗力更强，同时对溶剂变化的适应性也强。XLPE具有比PE更高的介电常数，但具有更好的抗老化性和耐水性。XLPE的绝缘仪表电缆导体长期允许工作温度为90℃，短路热稳定允许温度为250℃。
仪表电缆绝缘层的厚度主要与导体的截面积、耐压等级、绝缘材质等有关，绝缘层厚度应不小于所选用电缆相关标准的规定。绝缘层还作为仪表电缆绝缘线芯的识别标识，通常采用阿拉伯数字、标准颜色来区分多芯电缆的不同线芯或标明线芯的功能。
2.3对绞和屏蔽
由于化工装置现场的电磁噪声环境十分复杂，电缆既会作为受扰对象吸收来自外界的电磁干扰，也可作为噪声源将电磁噪声辐射至周围的线路和设备中。仪表电缆常采用对绞和屏蔽的方式来降低电磁干扰的影响。
在仪表信号传输回路中，通过将不同的2根绝缘导线对绞来降低信号干扰的强度，对绞的间距越小其抗干扰能力越强。为保证仪表电缆的抗干扰性能，文献［1］第4.3条中规定: 当导体截面积不大于1.5mm2时，对绞间距不得超过100mm，当导体截面积为2.5mm2时，对绞间距不得超过150mm。
在上述2根绝缘导线对绞的基础上，仪表电缆还使用屏蔽层来反射噪声能量，并将吸收的噪声通过良好的接地系统传导至大地。仪表电缆的屏蔽分为分屏和总屏两种，分屏指对电缆中线对的屏蔽，总屏则是指对整个电缆的屏蔽［14-15］。在化工装置中，多采用分屏和总屏结合的形式来抑制电磁干扰的影响。屏蔽层主要有金属箔屏蔽和编织网屏蔽两种，屏蔽层的使用与环境的电磁干扰强度、电缆成本及安装等要求有关。金属箔屏蔽通常使用铜/铝塑复合带，可为导线提供100%的包裹，铜/铝塑复合带的厚度很薄，在紧贴铜/铝塑复合带的金属面，使用排绕线进行良好的接地连接，具有较好的屏蔽效果。排绕线一般为镀锡退火铜导体，且导体截面积不得小于0.5mm2。金属编织网则由裸铜线或镀锡铜线依据一定的填充系数编织而成，屏蔽效果出色，但价格较贵。
2.4护套
护套的主要作用是保护电缆不受外界温度、压力、湿度和化学腐蚀等带来的影响。外护套是表征电缆防火、耐油、耐高温、抗弯曲、抵抗虫害等性能的重要指标，并作为电缆外观标识的重要载体。当存在铠装层时，内护套用于防止铠装层的金属对电缆的挤压和损伤，同时也可起到提高电缆防火、耐油等性能的作用。
护套的材质选择与环境温度、环境腐蚀和环保要求等因素有关，化工装置中常用的护套材质有PVC和HFFR等。外护套上的电缆标识，主要用压印（凸印或凹印）和油墨印刷等方式，压印适用于外径较大的电缆，且压印工艺较繁琐，易对仪表电缆外护套造成损伤。仪表电缆护套一般采用油墨印刷，可以做到标识清晰、字体耐磨，并符合相关的标准要求。电缆的护套颜色与电缆的类型有关，依据文献［16］的规定，本安回路用仪表电缆的颜色必须为浅蓝色。在文献［14］中，对护套的最小厚度、外护套标识等均进行了详细的规定。
2.5铠装
铠装层主要是增强电缆的抗拉、抗压强度等机械性能，以提高电缆的使用寿命。同时，将铠装层接地还可以提高电缆抗干扰性能。铠装的类型有多种形式，仪表电缆常用的铠装形式有钢丝铠装（SWA）、钢丝编织铠装（SWB）和钢带铠装（STA）三种。为保证铠装电缆的性能，仪表电缆标准对钢丝的直径、钢带的层数、厚度和宽度等内容均有详细的规定。由于铠装层为钢丝或钢带的结构，铠装电缆的弯曲半径较非铠装电缆要大。为避免造成电缆的损伤，在固定敷设电缆时，需特别注意电缆制造商对电缆弯曲半径的要求。
2.6电气特性
仪表电缆的电气特性主要包括额定电压、绝缘强度、绝缘电阻、分布电容、电缆电感电阻比（L/R）等。额定电压通常用U0/U表示，如300/500V指电缆导体对地的额定电压有效值为交流300V、电缆导体之间的额定电压有效值为交流500V。绝缘强度是指在指定的测试标准下，施加特定的工频或直流测试电压，以确保电缆在1min内不会发生击穿现象。绝缘电阻则表征电缆在正常工作状态下的电绝缘性能，主要与导体选用的绝缘材质有关，同时也受电缆的制作工艺水平影响。在本安型安全系统的应用中，电缆的分布电容和电感作为储能元件影响本安系统的性能，需满足本安回路配线设计的要求［17］。L/R的取值与A有关，当A≤1mm2时，L/R＜25 μH/Ω；当A=1.5mm2时，L/R＜40 μH/Ω；当A=2.5mm2时，L/R＜60μH/Ω。
3仪表电缆的测试标准
在完成电缆的设计后，电缆检验是判断电缆符合相关设计标准的重要依据。从产品检验的内容上，电缆检验可分为结构检查、机械性能试验、物理性能试验和电气性能试验等。从产品的验收形式上，电缆的检验又分为型式试验、例行试验和抽样试验等。型式试验是制造商研制电缆产品时所进行的试验，一般做过一次后不再重复试验。例行试验是指在不破坏电缆本体条件下，直接在所生产出的电缆上进行的试验。抽样试验则是从所生产的电缆中抽样、切取试样，按照标准要求的检测程序所进行的试验。
电气性能是仪表电缆测试时的重要内容，主要包括直流电阻、绝缘电阻和冲击电压试验等［18］，在文献［14］中均有详细的规定。结构尺寸、机械性能、物理性能等也需满足仪表电缆所执行的标准中规定的要求。对于阻燃、耐火、耐油、耐紫外线等特殊要求，相关的国内外测试标准见表2所列。
表2国内外电缆常用测试标准
4结束语
本文结合仪表电缆的相关标准，分析了仪表电缆的基本结构和性能参数，并给出了仪表电缆相关的测试标准。在编制电缆技术规格书时，设计人员应根据项目的实际情况，明确仪表电缆的技术参数，确保电缆的性能指标满足设计需求。同时，设计人员还需不断学习仪表电缆的最新规范和工艺方面的发展，总结实际的项目应用经验，推动仪表电缆在化工装置中的技术发展。