儀表電纜的選用主要是依據(jù)EN50288-7-2005 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control-Part7: Sectional specification for instrumentation and control cables，PAS 5308-1-2009 Control and instrumentation cables-Part1: Specification for polyethylene insulated cables，PAS 5308-2-2009 Control and instrumentation cables-Part2: Specification for PVC insulated cables等相關(guān)電纜標(biāo)準(zhǔn)。在電纜導(dǎo)體、絕緣、電纜測(cè)試等方面，國(guó)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(wú)針對(duì)性的要求。在中國(guó)同樣沒(méi)有針對(duì)儀表電纜的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的電纜廠商在制造電纜時(shí)多依據(jù)自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行。為利于產(chǎn)品質(zhì)量的提高和控制，國(guó)家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心于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(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)對(duì)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(jì)原則
在化工裝置中，儀表電纜在選型和設(shè)計(jì)時(shí)，常遵循如下設(shè)計(jì)流程：
①確定所適用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)項(xiàng)目合同和專利商等要求，合理選擇電纜制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收所遵循的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，不得與國(guó)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(jí)和敷設(shè)方法等，對(duì)電纜的線芯材質(zhì)、護(hù)套、屏蔽、鎧裝、敷設(shè)半徑等均會(huì)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(jì)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(yàn)與測(cè)試。明確電纜的制造要求、出廠階段的檢驗(yàn)和測(cè)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(hào)時(shí)，儀表電纜需要抑制外界噪聲和寄生信號(hào)，在苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下保證信號(hào)傳輸?shù)木?。根?jù)電纜的性能和使用場(chǎng)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，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)IEC60228-2004 Conductors of Insulated Cables或GB/T3956-2008《電纜的導(dǎo)體》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(shí)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(dòng)場(chǎng)合采用絞合導(dǎo)體時(shí)，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(hào)是弱電信號(hào)，不考慮溫升和允許壓降的問(wèn)題，主要根據(jù)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度和檢測(cè)及控制回路對(duì)線路阻抗匹配的要求來(lái)決定導(dǎo)體的截面積。根據(jù)不同的使用場(chǎng)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(guó)線規(guī)(AWG)來(lái)區(qū)分導(dǎo)體的外徑，每種AWG的實(shí)際截面積的計(jì)算如公式1所示：
公式1中An為線規(guī)號(hào)n對(duì)應(yīng)的導(dǎo)體截面積，mm2；n為美國(guó)線規(guī)號(hào)，量綱為一的量。
適用于實(shí)心銅導(dǎo)體的AWG常用尺寸數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。
表1 AWG線規(guī)與尺寸對(duì)照
n 導(dǎo)體外徑/mm A/mm2
20 0.812 0.518
19 0.912 0.653
18 1.024 0.823
17 1.150 1.038
16 1.291 1.309
15 1.450 1.650
14 1.628 2.081
13 1.828 2.624
12 2.053 3.309
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(guò)冷加工后，銅導(dǎo)體的電阻率會(huì)上升，硬度和強(qiáng)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，如公式2所示：
公式2中Rt為導(dǎo)體在工作溫度t下的電阻值，Ω/km；R20為導(dǎo)體在溫度20℃下的電阻值，Ω/km；α為20℃時(shí)導(dǎo)體電阻溫度系數(shù)，1/℃；t為工作溫度，℃。
電纜的導(dǎo)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(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，由于錫的導(dǎo)電性約為銅導(dǎo)體的15%，因而導(dǎo)體鍍錫會(huì)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)GB50093-2013《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》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(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(yīng)用。普通PVC絕緣的儀表電纜導(dǎo)體長(zhǎng)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(zhǎng)期允許工作溫度可達(dá)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。
②與PVC相比，PE具有介電損耗低、絕緣強(qiáng)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(jí)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(yīng)力較差。PE絕緣電纜的耐熱等級(jí)主要分為70℃和80℃。
③XLPE是將PE從熱塑性變?yōu)闊峁绦?，從而?duì)應(yīng)力開(kāi)裂、切割的抵抗力更強(qiáng)，同時(shí)對(duì)溶劑變化的適應(yīng)性也強(qiáng)。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(zhǎng)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(jí)、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(shí)別標(biāo)識(shí)，通常采用阿拉伯?dāng)?shù)字、標(biāo)準(zhǔn)顏色來(lái)區(qū)分多芯電纜的不同線芯或標(biāo)明線芯的功能。
2.3 對(duì)絞和屏蔽
由于化工裝置現(xiàn)場(chǎng)的電磁噪聲環(huán)境十分復(fù)雜，電纜既會(huì)作為受擾對(duì)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圍的線路和設(shè)備中。儀表電纜常采用對(duì)絞和屏蔽的方式來(lái)降低電磁干擾的影響。
在儀表信號(hào)傳輸回路中，通過(guò)將不同的2根絕緣導(dǎo)線對(duì)絞來(lái)降低信號(hào)干擾的強(qiáng)度，對(duì)絞的間距越小其抗干擾能力越強(qiáng)。為保證儀表電纜的抗干擾性能，文獻(xiàn)第4.3條中規(guī)定: 當(dāng)導(dǎo)體截面積不大于1.5mm2時(shí)，對(duì)絞間距不得超過(guò)100mm，當(dāng)導(dǎo)體截面積為2.5mm2時(shí)，對(duì)絞間距不得超過(guò)150mm。
在上述2根絕緣導(dǎo)線對(duì)絞的基礎(chǔ)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(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(duì)電纜中線對(duì)的屏蔽，總屏則是指對(duì)整個(gè)電纜的屏蔽。在化工裝置中，多采用分屏和總屏結(jié)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(qiáng)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(jià)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(lái)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(chóng)害等性能的重要指標(biāo)，并作為電纜外觀標(biāo)識(shí)的重要載體。當(dāng)存在鎧裝層時(shí)，內(nèi)護(hù)套用于防止鎧裝層的金屬對(duì)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(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(shí)，主要用壓印(凸印或凹印)和油墨印刷等方式，壓印適用于外徑較大的電纜，且壓印工藝較繁瑣，易對(duì)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(shí)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)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)中，對(duì)護(hù)套的最小厚度、外護(hù)套標(biāo)識(shí)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(qiáng)電纜的抗拉、抗壓強(qiáng)度等機(jī)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(duì)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(shí)，需特別注意電纜制造商對(duì)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(qiáng)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(duì)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(qiáng)度是指在指定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，施加特定的工頻或直流測(cè)試電壓，以確保電纜在1min內(nèi)不會(huì)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(shí)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(chǔ)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(jì)的要求。L/R的取值與A有關(guān)，當(dāng)A≤1mm2時(shí)，L/R＜25μH/Ω；當(dāng)A=1.5mm2時(shí)，L/R＜40μH/Ω；當(dāng)A=2.5mm2時(shí)，L/R＜60μH/Ω。
3、儀表電纜的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
在完成電纜的設(shè)計(jì)后，電纜檢驗(yàn)是判斷電纜符合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。從產(chǎn)品檢驗(yàn)的內(nèi)容上，電纜檢驗(yàn)可分為結(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。從產(chǎn)品的驗(yàn)收形式上，電纜的檢驗(yàn)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(guò)一次后不再重復(fù)試驗(yàn)。例行試驗(yàn)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(yàn)。抽樣試驗(yàn)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(cè)程序所進(jìn)行的試驗(yàn)。
電氣性能是儀表電纜測(cè)試時(shí)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(yàn)等，在文獻(xiàn)中均有詳細(xì)的規(guī)定。結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)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(duì)于阻燃、耐火、耐油、耐紫外線等特殊要求，相關(guān)的國(guó)內(nèi)外測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2所列。
表2 國(guó)內(nèi)外電纜常用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)
測(cè)試內(nèi)容 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)
耐火性能 IEC60331-21 GB/T19216.21
阻燃性能 IEC60332-1
阻燃性能 IEC60332-3-22(A類) GB/T18380.1
阻燃性能 IEC60332-3-23(B類) GB/T18380.3
阻燃性能 IEC60332-3-24(C類)
含氧指數(shù) ISO4589 GB/T2406
發(fā)煙量 IEC/EN61034 GB/T17651
發(fā)煙量 EN50268
燃燒氣體 IEC60754 GB/T17650.2
腐蝕性 EN50267-2
耐紫外線 ISO4582 GB/T18950
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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在編制電纜技術(shù)規(guī)格書(shū)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)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(jì)需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)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(shí)際的項(xiàng)目應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)儀表電纜在化工裝置中的技術(shù)發(fā)展。
作者：孟鐸、陳曼、彭晶
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