化工裝置中儀表電纜的選型

陳羅靜

（大慶石化工程有限公司，黑龍江大慶 163714）

0 引言

儀表電纜是化工自動(dòng)儀表中用于傳輸信號(hào)的數(shù)據(jù)線纜，凡是應(yīng)用化工儀表的地方都離不開儀表電纜。隨著化工行業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來越高，要求儀表電纜具有更高的可靠性與安全性，必須科學(xué)合理地選擇儀表電纜。在電纜導(dǎo)體、絕緣、電纜測試等方面，國際電工委員會(huì)（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(duì)儀表電纜卻無針對(duì)性的要求。很長一段時(shí)間內(nèi)，我國也沒有出臺(tái)明確的儀表電纜標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)在制造儀表電纜產(chǎn)品時(shí)所依照的標(biāo)準(zhǔn)多為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這不利于統(tǒng)一儀表電纜的質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)。為了解決這一問題，國家相關(guān)部門于2009 年發(fā)布了TICW/06—2009《計(jì)算機(jī)與儀表電纜》。本文結(jié)合儀表電纜的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，在詳細(xì)分析國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)常用儀表電纜的結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)進(jìn)行梳理。

1 儀表電纜的設(shè)計(jì)原則

為了有效適應(yīng)化工生產(chǎn)的要求，設(shè)計(jì)階段儀表電纜選型應(yīng)按照下列流程進(jìn)行。

（1）明確化工生產(chǎn)實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)。按照項(xiàng)目條款要求，科學(xué)確定儀表電纜標(biāo)準(zhǔn)，確定的標(biāo)準(zhǔn)要以國際、國家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為優(yōu)先選擇，可以在這些標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，按照項(xiàng)目要求進(jìn)行適當(dāng)修改，但不得與上述標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生沖突。

（2）明確電纜的工作環(huán)境。電纜的工作環(huán)境對(duì)電纜產(chǎn)生決定性的影響，外部環(huán)境的溫度、腐蝕性、電磁環(huán)境、防爆要求、輻射要求等對(duì)電纜的使用至關(guān)重要，在不同環(huán)境中，電纜的電芯材料、絕緣材料、屏蔽、鋪設(shè)方案都會(huì)有所不同。

（3）明確電纜的設(shè)計(jì)需求。在設(shè)計(jì)要求中對(duì)上述環(huán)境有明確的說明，要依據(jù)這些說明，合理選擇電纜的型號(hào)。

（4）明確電纜的合格標(biāo)準(zhǔn)。電纜測試按照合格標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，制造和出廠環(huán)節(jié)都要以合格標(biāo)準(zhǔn)為準(zhǔn)繩。

2 儀表電纜的結(jié)構(gòu)

儀表電纜承受的最高電壓不超過500 V，電纜線徑在7～30 mm。用于弱電信號(hào)傳輸?shù)碾娎|，需要具備良好的抑制干擾的能力，以保障信號(hào)傳輸準(zhǔn)確。在不同使用環(huán)境中，對(duì)電纜的性能提出了不同的要求，決定電纜性能的因素主要有內(nèi)部導(dǎo)體、絕緣材料、屏蔽方式、護(hù)套類型、鎧裝結(jié)構(gòu)等（圖1）。

2.1 電纜導(dǎo)體

根據(jù)國際與我國標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電纜的規(guī)定，將電纜分為4 種類別，能夠用于化工儀表電纜的主要有實(shí)心導(dǎo)體和絞合導(dǎo)體。實(shí)心導(dǎo)體較硬，絞合導(dǎo)體的柔韌性更高，一般用于接線和振動(dòng)的場合。

電纜的導(dǎo)電芯材截面積主要與工作電壓絕緣等級(jí)有關(guān)，大多數(shù)儀表電纜中傳輸?shù)臑槿蹼姡瑴厣碗妷旱挠绊戄^小，這時(shí)可根據(jù)機(jī)械強(qiáng)度和傳輸質(zhì)量確定導(dǎo)電芯材截面積。大多數(shù)芯材截面積為0.75～2.50 mm2。例如美國確定化工儀表電纜芯材截面積采用下列公式計(jì)算。

式中 An——線規(guī)號(hào)n 對(duì)應(yīng)的芯材截面積，mm2

n——美國電纜標(biāo)準(zhǔn)中電纜的規(guī)格型號(hào)

表1 為銅芯材的常用尺寸數(shù)據(jù)。

表1 鋼芯電纜規(guī)格

銅作為優(yōu)良導(dǎo)電體，歷來被用作儀表電纜芯材的首選材料，但冷加工成型的銅線的電阻率會(huì)上升，硬度和強(qiáng)度增加，塑性降低。為了防止銅線的電阻增加、塑性下降，冷加工后的銅線經(jīng)常需要退火處理。在實(shí)際使用過程中，銅的導(dǎo)電性隨溫度升高而降低，其電阻與溫度呈一定的比例關(guān)系，見式（2）。

式中 Rt——銅的電阻值，Ω/km

R20——銅在20 ℃時(shí)的電阻值，Ω/km

α——20 ℃時(shí)導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，℃-1

t——銅線的實(shí)際工作溫度，℃

國際與國家標(biāo)準(zhǔn)都允許電芯表面涂鍍金屬層，一般可選擇錫、銀、鎳作為鍍層材料，作用是阻止電纜新材與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。銅線表面鍍錫后，可在150 ℃下保持良好的化學(xué)穩(wěn)定性。鍍錫還能提高銅線的焊接性能，但錫的導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅，因此鍍錫會(huì)增加銅線的電阻。

2.2 絕緣層

絕緣層的主要作用是保障電纜不與周圍環(huán)境發(fā)生電流聯(lián)通，用來制作絕緣層的材料有很多種，一般根據(jù)使用溫度、防火要求和環(huán)保要求來確定，國際和國家標(biāo)準(zhǔn)中都對(duì)絕緣層有明確規(guī)定。儀表電纜絕緣層經(jīng)常使用在化工裝置中，儀表電纜的絕緣材質(zhì)常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等。

（1）聚氯乙烯價(jià)格低廉，工藝性好，在與其他添加劑混合后能得到耐高溫、阻燃、耐腐蝕性優(yōu)良的絕緣材料，被廣泛用于制作儀表電纜絕緣層。其穩(wěn)定工作溫度為70 ℃，瞬時(shí)耐熱溫度達(dá)到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 ℃。但這種絕緣材料耐低溫性能較差，遇低溫后會(huì)變硬、變脆，工作溫度不得低于-15 ℃。聚氯乙烯燃燒后會(huì)釋放有毒物質(zhì)，要求無煙、無毒的場合不適合使用，這時(shí)應(yīng)選擇無煙、無毒的化合材料。

（2）聚乙烯的絕緣性能要優(yōu)于聚氯乙烯，相同絕緣等級(jí)下可以采用更薄的厚度，并且耐低溫性能也優(yōu)于聚氯乙烯。但聚乙烯的硬度較大，易燃燒和融化，耐熱等級(jí)只有70 ℃和80 ℃兩個(gè)級(jí)別。

絕緣層的厚度取決于電壓值和絕緣材料的本身特性，進(jìn)行絕緣材料厚度設(shè)計(jì)時(shí)要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在絕緣層外標(biāo)注儀表電纜型號(hào)識(shí)別標(biāo)識(shí)。

2.3 對(duì)絞和屏蔽

化工生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，電磁環(huán)境差，儀表電纜既受到外界的電磁干擾，也會(huì)成為干擾源，需要對(duì)儀表電纜進(jìn)行屏蔽。常見的屏蔽形式是對(duì)絞，兩根導(dǎo)線相互纏繞，起到抵抗外界干擾的作用。對(duì)絞線的抗干擾能力取決于對(duì)絞間距的大小，儀表電纜芯材截面積不大于1.5 mm2時(shí)，對(duì)絞間距不得超過100 mm；芯材截面積為2.5 mm2時(shí)，對(duì)絞間距不得超過150 mm。

除對(duì)絞以外，儀表電纜還經(jīng)常使用屏蔽層阻擋外界干擾，并通過屏蔽層接地將干擾信號(hào)傳至地下。屏蔽層又分為分屏和總屏，分屏是對(duì)電纜中導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽，總屏是對(duì)整個(gè)電纜進(jìn)行屏蔽。化工儀表電纜中常采用兩種屏蔽方式混合，以提高電纜的抗干擾能力。屏蔽層的結(jié)構(gòu)有金屬箔屏蔽和金屬網(wǎng)屏蔽兩種，根據(jù)屏蔽要求和制造成本選擇最合適的屏蔽結(jié)構(gòu)。金屬箔為銅/鋁塑復(fù)合帶，以纏繞的方式對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行100%的包裹，并在排線側(cè)接地，能起到很好的屏蔽效果。金屬網(wǎng)由裸銅線或鍍錫銅線編織而成，屏蔽效果優(yōu)于金屬箔，但制造成本高昂。

2.4 護(hù)套

護(hù)套的作用是保護(hù)電纜不受外界環(huán)境的侵蝕，隔絕外界的高溫高壓、濕度、腐蝕對(duì)電纜的破壞作用。護(hù)套也是標(biāo)識(shí)電纜主要指標(biāo)的重要手段。當(dāng)存在鎧裝層時(shí)，護(hù)套可以保護(hù)電纜免受鎧裝部件損傷。此外，一些特種護(hù)套還具有防火、耐油等特殊作用，可以根據(jù)電纜的使用環(huán)境科學(xué)選擇。

護(hù)套材料的選擇受溫度、壓力、腐蝕和環(huán)保等多方面因素的影響，只有根據(jù)使用要求合理選擇，才能起到防護(hù)效果。常見的儀表電纜護(hù)套有聚氯乙烯和無鹵阻燃材料（HFFR）等。護(hù)套外側(cè)則印刷著電纜的主要指標(biāo)和參數(shù)，印刷工藝應(yīng)該選擇油墨印刷，避免機(jī)械印刷對(duì)電纜護(hù)套造成損傷，油墨印刷形成的字體具有很好的耐磨性。護(hù)套顏色是電纜類型的重要標(biāo)識(shí)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，化工本安回路用儀表電纜的顏色必須為淺藍(lán)色，護(hù)套厚度和標(biāo)識(shí)等詳細(xì)規(guī)定可查閱相關(guān)技術(shù)手冊(cè)。

2.5 鎧裝

鎧裝可以有效提高電纜的機(jī)械性能，大幅提升電纜的抗拉、抗壓強(qiáng)度，達(dá)到提高電纜使用壽命的目的。鎧裝還具有一定的抗干擾能力，常見的鎧裝形式主要有鋼絲鎧、編織鎧、鋼帶鎧等，國際和國家標(biāo)準(zhǔn)中詳細(xì)規(guī)定了鎧裝的直徑、厚度和層數(shù)，鎧裝后的電纜直徑變大，彎曲性能下降，為電纜的安裝帶來很多不便。為了有效避免安裝過程中破壞電纜鎧裝，要嚴(yán)格按照電纜標(biāo)識(shí)中的彎曲半徑進(jìn)行安裝，保證鎧裝結(jié)構(gòu)完整。

2.6 電氣特性

儀表電纜的電氣特性是指電纜的額定電壓、絕緣等級(jí)、絕緣電阻、分布電容、電纜電感電阻比（L/R）等。額定電壓的表達(dá)形式為U0/U。一根標(biāo)識(shí)為300/500 V 的電纜是指對(duì)地電壓為300 V，電纜間電壓為500 V。絕緣等級(jí)是指電纜的抗擊穿能力，通常以1 min 內(nèi)不被擊穿的最大電壓作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。絕緣電阻是指電纜絕緣層的電阻值，這與絕緣層的材料相關(guān)，電纜的制造工藝絕緣電阻也有一定的影響。分布電容是指電纜的安全特性，這一指標(biāo)與電纜芯材材料的電容和電感有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按國際和國家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。電感電阻比（L/R）隨電纜芯材截面積的變化而變化，二者成正比關(guān)系。

3 儀表電纜的測試標(biāo)準(zhǔn)

儀表電纜設(shè)計(jì)完成后，還要進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的檢驗(yàn)和測試，最終作為電纜合格的標(biāo)志。檢驗(yàn)和測試內(nèi)容主要有結(jié)構(gòu)檢查、機(jī)械性能試驗(yàn)、物理性能試驗(yàn)和電氣性能試驗(yàn)等。這些測試內(nèi)容是為了全面檢查電纜性能，除確定電纜是否符合設(shè)計(jì)指標(biāo)外，還要確定電纜是否符合國際和國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)使用要求的不同，電纜測試又分為型式試驗(yàn)、例行試驗(yàn)和抽樣試驗(yàn)等。型式試驗(yàn)是制造商研制電纜產(chǎn)品時(shí)所進(jìn)行的試驗(yàn)，一般做過一次后不再重復(fù)試驗(yàn)。例行測試是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(yàn)。抽樣測試是從所生產(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(yàn)。

儀表電纜測試內(nèi)容中的電氣性能測試是最為主要的，主要包括直流電阻、絕緣電阻和沖擊電壓等。電氣性能測試需要使用專業(yè)的試驗(yàn)設(shè)備，來逐一檢查各項(xiàng)電氣指標(biāo)是否符合電纜標(biāo)注，設(shè)備的選用原則可參考設(shè)計(jì)手冊(cè)。電纜的物理結(jié)構(gòu)測試包括電纜的結(jié)構(gòu)尺寸與機(jī)械性能。一些具有特殊要求的電纜，還需按照使用要求進(jìn)行阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等測試。表2 為國內(nèi)外常用測試標(biāo)準(zhǔn)。

表2 國內(nèi)外電纜常用測試標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)束語

本文從電纜的標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，梳理了電纜的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)，并進(jìn)一步探討了電纜的測試標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行電纜設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)首先明確電纜的使用要求，并嚴(yán)格按照國際、國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，只有熟練掌握電纜的性能指標(biāo)要求，才能有效推動(dòng)儀表電纜的技術(shù)發(fā)展。