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儀表中用于傳輸信號的數據線纜，凡是應用化工儀表的地方都離不開儀表電纜。隨著化工行業的不斷發展，生產自動化程度越來越高，要求儀表電纜具有更高的可靠性與安全性，必須科學合理地選擇儀表電纜。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。很長一段時間內，我國也沒有出臺明確的儀表電纜標準，企業在制造儀表電纜產品時所依照的標準多為行業標準，這不利于統一儀表電纜的質量和標準。為了解決這一問題，國家相關部門于2009 年發布了TICW/06—2009《計算機與儀表電纜》。本文結合儀表電纜的國內外標準，在詳細分析國內外相關標準的基礎上，對常用儀表電纜的結構和性能指標進行梳理。

1 儀表電纜的設計原則

為了有效適應化工生產的要求，設計階段儀表電纜選型應按照下列流程進行。

（1）明確化工生產實用標準。按照項目條款要求，科學確定儀表電纜標準，確定的標準要以國際、國家、行業標準作為優先選擇，可以在這些標準的基礎上，按照項目要求進行適當修改，但不得與上述標準發生沖突。

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

（3）明確電纜的設計需求。在設計要求中對上述環境有明確的說明，要依據這些說明，合理選擇電纜的型號。

（4）明確電纜的合格標準。電纜測試按照合格標準為依據，制造和出廠環節都要以合格標準為準繩。

2 儀表電纜的結構

儀表電纜承受的最高電壓不超過500 V，電纜線徑在7～30 mm。用于弱電信號傳輸的電纜，需要具備良好的抑制干擾的能力，以保障信號傳輸準確。在不同使用環境中，對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部導體、絕緣材料、屏蔽方式、護套類型、鎧裝結構等（圖1）。

2.1 電纜導體

根據國際與我國標準對電纜的規定，將電纜分為4 種類別，能夠用于化工儀表電纜的主要有實心導體和絞合導體。實心導體較硬，絞合導體的柔韌性更高，一般用于接線和振動的場合。

電纜的導電芯材截面積主要與工作電壓絕緣等級有關，大多數儀表電纜中傳輸的為弱電，溫升和電壓的影響較小，這時可根據機械強度和傳輸質量確定導電芯材截面積。大多數芯材截面積為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算。

式中 An——線規號n 對應的芯材截面積，mm2

n——美國電纜標準中電纜的規格型號

表1 為銅芯材的常用尺寸數據。

表1 鋼芯電纜規格

銅作為優良導電體，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上升，硬度和強度增加，塑性降低。為了防止銅線的電阻增加、塑性下降，冷加工后的銅線經常需要退火處理。在實際使用過程中，銅的導電性隨溫度升高而降低，其電阻與溫度呈一定的比例關系，見式（2）。

式中 Rt——銅的電阻值，Ω/km

R20——銅在20 ℃時的電阻值，Ω/km

α——20 ℃時導體電阻溫度系數，℃-1

t——銅線的實際工作溫度，℃

國際與國家標準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生化學反應。銅線表面鍍錫后，可在150 ℃下保持良好的化學穩定性。鍍錫還能提高銅線的焊接性能，但錫的導電性遠遠低于銅，因此鍍錫會增加銅線的電阻。

2.2 絕緣層

絕緣層的主要作用是保障電纜不與周圍環境發生電流聯通，用來制作絕緣層的材料有很多種，一般根據使用溫度、防火要求和環保要求來確定，國際和國家標準中都對絕緣層有明確規定。儀表電纜絕緣層經常使用在化工裝置中，儀表電纜的絕緣材質常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等。

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

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

絕緣層的厚度取決于電壓值和絕緣材料的本身特性，進行絕緣材料厚度設計時要依據相關標準，在絕緣層外標注儀表電纜型號識別標識。

2.3 對絞和屏蔽

化工生產環境復雜，電磁環境差，儀表電纜既受到外界的電磁干擾，也會成為干擾源，需要對儀表電纜進行屏蔽。常見的屏蔽形式是對絞，兩根導線相互纏繞，起到抵抗外界干擾的作用。對絞線的抗干擾能力取決于對絞間距的大小，儀表電纜芯材截面積不大于1.5 mm2時，對絞間距不得超過100 mm；芯材截面積為2.5 mm2時，對絞間距不得超過150 mm。

除對絞以外，儀表電纜還經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傳至地下。屏蔽層又分為分屏和總屏，分屏是對電纜中導線進行屏蔽，總屏是對整個電纜進行屏蔽。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。屏蔽層的結構有金屬箔屏蔽和金屬網屏蔽兩種，根據屏蔽要求和制造成本選擇最合適的屏蔽結構。金屬箔為銅/鋁塑復合帶，以纏繞的方式對導線進行100%的包裹，并在排線側接地，能起到很好的屏蔽效果。金屬網由裸銅線或鍍錫銅線編織而成，屏蔽效果優于金屬箔，但制造成本高昂。

2.4 護套

護套的作用是保護電纜不受外界環境的侵蝕，隔絕外界的高溫高壓、濕度、腐蝕對電纜的破壞作用。護套也是標識電纜主要指標的重要手段。當存在鎧裝層時，護套可以保護電纜免受鎧裝部件損傷。此外，一些特種護套還具有防火、耐油等特殊作用，可以根據電纜的使用環境科學選擇。

護套材料的選擇受溫度、壓力、腐蝕和環保等多方面因素的影響，只有根據使用要求合理選擇，才能起到防護效果。常見的儀表電纜護套有聚氯乙烯和無鹵阻燃材料（HFFR）等。護套外側則印刷著電纜的主要指標和參數，印刷工藝應該選擇油墨印刷，避免機械印刷對電纜護套造成損傷，油墨印刷形成的字體具有很好的耐磨性。護套顏色是電纜類型的重要標識，根據相關技術標準要求，化工本安回路用儀表電纜的顏色必須為淺藍色，護套厚度和標識等詳細規定可查閱相關技術手冊。

2.5 鎧裝

鎧裝可以有效提高電纜的機械性能，大幅提升電纜的抗拉、抗壓強度，達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，國際和國家標準中詳細規定了鎧裝的直徑、厚度和層數，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，要嚴格按照電纜標識中的彎曲半徑進行安裝，保證鎧裝結構完整。

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、絕緣電阻、分布電容、電纜電感電阻比（L/R）等。額定電壓的表達形式為U0/U。一根標識為300/500 V 的電纜是指對地電壓為300 V，電纜間電壓為500 V。絕緣等級是指電纜的抗擊穿能力，通常以1 min 內不被擊穿的最大電壓作為衡量標準。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，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，這一指標與電纜芯材材料的電容和電感有關，設計時應按國際和國家標準要求進行。電感電阻比（L/R）隨電纜芯材截面積的變化而變化，二者成正比關系。

3 儀表電纜的測試標準

儀表電纜設計完成后，還要進行相關指標的檢驗和測試，最終作為電纜合格的標志。檢驗和測試內容主要有結構檢查、機械性能試驗、物理性能試驗和電氣性能試驗等。這些測試內容是為了全面檢查電纜性能，除確定電纜是否符合設計指標外，還要確定電纜是否符合國際和國家標準。根據使用要求的不同，電纜測試又分為型式試驗、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。例行測試是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。抽樣測試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。

儀表電纜測試內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的試驗設備，來逐一檢查各項電氣指標是否符合電纜標注，設備的選用原則可參考設計手冊。電纜的物理結構測試包括電纜的結構尺寸與機械性能。一些具有特殊要求的電纜，還需按照使用要求進行阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等測試。表2 為國內外常用測試標準。

表2 國內外電纜常用測試標準

4 結束語

本文從電纜的標準出發，梳理了電纜的結構與性能參數，并進一步探討了電纜的測試標準。在進行電纜設計時，技術人員應首先明確電纜的使用要求，并嚴格按照國際、國家和行業標準執行，只有熟練掌握電纜的性能指標要求，才能有效推動儀表電纜的技術發展。