梁達，孟鐸

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

在石油化工裝置中，儀表電纜廣泛地應用于儀表信號傳輸、配電、接地、通信系統(tǒng)中，是保證儀表系統(tǒng)正常運行的重要媒介。本文結(jié)合儀表電纜的特點和信號傳輸類型，深度探討了儀表電纜選型中的若干問題。

1 儀表電纜的定義及特點

國內(nèi)的標準和規(guī)范中，對于儀表電纜的界定及實際使用間存在一定的歧義。在GB/T 2900.10—2013《電工術語 電纜》中將儀表電纜定義為“將傳感器輸出信號傳輸?shù)狡湎鄳獪y量儀器的多芯電纜”，將控制電纜定義為“在電氣裝置中傳輸控制、測量和指示信號的多芯電纜”[1]。在GB 50217—2018《電力工程電纜設計標準》中主要使用了控制電纜的概念，在3.7.2條和3.7.7條中對控制電纜的額定電壓等級要求為450/750 V，并且將計算機監(jiān)控系統(tǒng)信號回路用的電纜也歸類在控制電纜中[2]?？梢钥闯觯趪鴺酥袑刂齐娎|的定義，更側(cè)重于從電氣裝置電力系統(tǒng)的使用角度來進行界定；而在電纜制造標準及國內(nèi)電纜樣本中，將控制電纜定義為多芯、無對絞、電壓等級450/750 V，主要用于傳輸開關量信號的電纜，而將用于傳輸弱電信號的對絞電纜定義為計算機電纜。

在國外標準和規(guī)范中，IEC體系中主要針對450/750 V的控制電纜進行定義，未對儀表用信號電纜做出界定；EN 50288-7： 2005中將儀表用信號電纜定義為“Instrumentation and Control Cable”，電壓等級為300 V和500 V[3]。

在石油化工裝置中，在儀表專業(yè)的電纜技術規(guī)格書編制及選型過程中，電纜選型更側(cè)重于使用EN 50288中規(guī)定的儀表模擬信號電纜技術參數(shù)，而對24 V(DC)、100 V(AC)和220 V(AC)的開關量信號電纜則常使用IEC的標準體系，采用“Control Cable”的技術參數(shù)進行電纜選型。

儀表信號傳輸?shù)奶攸c是信號種類多，且高保真、低電壓、弱電流，易受周圍環(huán)境的干擾和影響。石油化工裝置中由于儀表電纜選用不當而引起控制系統(tǒng)信號傳輸故障，甚至危及安全的案例時有發(fā)生。結(jié)合石油化工裝置的特點，筆者認為應依據(jù)信號傳輸?shù)奶攸c詳細和全面地界定儀表電纜，在工程設計中選用適用的電纜。儀表電纜應包含儀表系統(tǒng)正常運行所使用的各種電纜，主要分為儀表模擬信號傳輸電纜、儀表開關信號傳輸電纜、熱電偶延伸電纜、熱電偶補償電纜、供電用電纜、接地用電纜(線)、通信電纜等。

2 電纜絕緣和護套材質(zhì)的選擇

電纜的絕緣、護套材質(zhì)可分為聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、改良聚氯乙烯、無鹵低煙阻燃聚烯烴、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)、硅橡膠和氟塑料等，主要根據(jù)操作溫度的限制進行選擇，不同材質(zhì)對應的電纜長期最高工作溫度不同。由于儀表傳輸信號的特點，除少量大電流供電電纜外，儀表電纜在工作時本身的發(fā)熱可以忽略不計，操作溫度更多的是考慮工作環(huán)境溫度。

在低溫場合敷設時，需要考慮電纜敷設溫度的影響。電纜的敷設溫度主要以電纜護套材質(zhì)的耐低溫等級為主，電纜絕緣的最低敷設溫度做參考。在GB 50093—2013《自動化儀表工程施工及質(zhì)量驗收規(guī)范》中7.5.1條規(guī)定： 敷設儀表電纜時，塑料絕緣電纜的敷設環(huán)境溫度不應低于0，橡皮絕緣電纜不應低于-15 ℃。然而，在北方的工程項目中，依然存在低溫環(huán)境下敷設電纜的可能性，在實際的電纜產(chǎn)品中也相應出現(xiàn)了可以允許低溫敷設的電纜。以-40 ℃耐寒PVC材質(zhì)為例，在產(chǎn)品樣本中會標稱最低敷設溫度可達-40 ℃，該溫度等級是指通過了在實驗室條件下的低溫彎曲、拉伸和沖擊試驗，實際現(xiàn)場敷設環(huán)境建議在-15 ℃以上為宜。在實際應用中，建議和電纜制造商提前溝通和確認，避免在低溫環(huán)境敷設時對電纜絕緣和護套材質(zhì)造成不可逆的損傷。

在本安回路場合或遠距離傳輸時，還需要考慮不同絕緣材質(zhì)對電纜單位長度分布電容的影響。單位長度電纜的分布電容與絕緣層厚度、絕緣材質(zhì)介電常數(shù)等相關，在導線直徑相同的情況下，絕緣層的厚度越大、絕緣材料的相對介電常數(shù)越小，單位長度電纜的分布電容則越小。以工程中最常用PVC絕緣、PE絕緣的電纜為例，相對介電常數(shù)分別為6～8，2.3。在相同的導線直徑、絕緣厚度情況下，PVC絕緣電纜的單位長度分布電容要遠大于PE絕緣和XLPE絕緣電纜。在實際的電纜制造中，在JB/T 13486—2018《計算機與儀表屏蔽電纜》的7.4節(jié)給出了電纜在1 kHz時的工作電容最大值[4]，見表1所列。對于電纜長期最高工作溫度均為70 ℃的普通PVC和PE絕緣材質(zhì)來說，針對本安回路或遠距離傳輸場合選型時，為減少分布電容對回路的影響，建議優(yōu)先選用PE絕緣電纜。

表1 不同絕緣材質(zhì)的工作電容最大值 pF/m

3 電纜雙絞線絞合節(jié)距的選擇

電纜線芯的相互絞合，可以有效地提高對磁場干擾的抑制效果。儀表模擬信號傳輸應優(yōu)先選用對絞電纜。

在SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規(guī)范》中6.2.6條要求： 當信號電纜經(jīng)過高強度交變磁場時，應采用對絞線芯[5]。在文獻[2]中3.7.7條對計算機監(jiān)控系統(tǒng)信號回路的電纜也建議選用對絞線芯。在API和EN等相關國外規(guī)范中，同樣對儀表模擬信號電纜的對絞線芯提出了要求。如果是開關量信號，則可以根據(jù)實際項目情況決定是否采用對絞或非對絞線芯。

在同一回路中采用2根對絞導線，則導線形成的絞扭環(huán)所產(chǎn)生的感應電動勢方向相反、相互抵消。導線絞扭得越緊，則絞扭環(huán)的面積S越小，S中穿過的磁力線越少，若S=0，則穿過的磁力線趨近于0。對于低電平信號的儀表電纜，在周圍有磁場干擾源存在時，采用該類型的導線能夠起到很好的抑制作用。國內(nèi)外常用電纜標準對儀表電纜的雙絞線的節(jié)距要求見表2所列。

在IEEE 1143： 2012的4.1.2條中給出了在磁場頻率為60 Hz，導線長度為1.0 m的特定實驗條件下，不同絞合節(jié)距的磁場屏蔽效果見表3所列[6]。

表2 不同標準對儀表電纜的雙絞線的節(jié)距要求

表3 雙絞線不同絞合節(jié)距的磁場屏蔽效果

在存在強磁場干擾的場合，雙絞線的絞合節(jié)距應適當減小以提高導線的抗干擾能力。絞合節(jié)距越小，對磁場干擾的屏蔽效果越好，但過小的絞合節(jié)距會對電纜的制造工藝提出更高的要求。從表3可以看出，當雙絞線的節(jié)距低于76.2 mm后，隨著絞合節(jié)距的減小，噪聲衰減效果有限。筆者建議，在儀表電纜的絞合節(jié)距選型時，將絞合節(jié)距選擇在76～100 mm內(nèi)，既提高了噪聲衰減效果，同時也滿足EN 50288-7： 2005和JB/T 13486—2018對絞合電纜絞合節(jié)距的要求。

4 電纜屏蔽方式的選擇

儀表屏蔽電纜建議采用鋁/塑復合薄膜屏蔽，在API 552： 2007 Transmission System第7.6節(jié)中也推薦儀表屏蔽電纜選用鋁/塑復合薄膜屏蔽電纜[7]。對于防止低頻干擾為主的場合或?qū)﹄娎|彎曲度和機械保護性能有要求的場合也可采用金屬絲編織結(jié)構的屏蔽。軟電纜建議采用銅絲編織屏蔽。

考慮屏蔽性能，鋁/塑復合薄膜屏蔽適用于高頻干擾的場合，銅絲編織屏蔽更適合低頻干擾的場合。銅絲編織屏蔽電纜彎曲性較好，具有良好的機械保護性能，但由于不可避免地有空隙，屏蔽覆蓋率相對較低，當電磁波頻率高于100 MHz以后，屏蔽效能明顯下降。較高的編織層覆蓋率可帶來更好的屏蔽性能，但同時也會帶來更高的成本。兩種屏蔽方式性能對比見表4所列。

表4 兩種屏蔽方式性能對比

儀表電纜所傳輸?shù)男盘栴愋停饕譃殚_關量，4～20 mA，1～5 V(DC)，熱電偶，熱電阻，脈沖量信號及特殊用的儀表信號，根據(jù)設計規(guī)范，不同電壓等級和頻率特性的信號不允許共用一根電纜或同一接線箱，避免了同一電纜中信號的相互干擾。因此，在SH/T 3019—2016《石油化工儀表管道線路設計規(guī)范》6.2.6條和GB 50217—2018《電力工程電纜設計規(guī)范》3.7.7條中，對于普通的信號傳輸電纜，推薦采用單屏蔽、分屏或者總屏方式。對于熱電偶信號、熱電阻信號和脈沖信號等易受干擾的信號，建議采用分屏加總屏的屏蔽方式。在GB 50217—2018中3.7.7條也有類似的規(guī)定和要求。在用于防雷工程時，當電纜未采用穿鋼管或封閉金屬電纜槽的敷設方式時，應采用雙層屏蔽電纜。雙層屏蔽或復合式屏蔽時，內(nèi)屏蔽用于抗干擾，屏蔽層應在控制室側(cè)單點接地，外屏蔽層用于防雷電電涌的沖擊，屏蔽層應兩點接地，以利于電涌電流的快速釋放。此外，一個良好屏蔽方式的選擇，還與儀表電纜的合理的敷設方式緊密相關。

5 電纜鎧裝層的選擇

在石油化工裝置中，根據(jù)用途和安裝路徑可將儀表電纜劃分為支電纜、主電纜和單拉電纜。支電纜和單拉電纜的外徑一般為9～12 mm，主電纜的外徑一般為28～32 mm。支電纜敷設路徑較復雜，一方面需要機械保護，同時也要防干擾，以往采用金屬保護管進行敷設，現(xiàn)在多數(shù)直接采用鎧裝電纜，方便施工安裝并節(jié)省安裝空間。在海外項目中基本上對儀表支電纜要求采用鎧裝電纜，主電纜的敷設往往有較完整的電纜橋架保護，并具有一定的屏蔽效果，因此推薦采用非鎧裝電纜。

常見的鎧裝方式分為鋼帶鎧裝和鋼絲鎧裝兩種。鋼帶鎧裝電纜的抗縱向擠壓能力優(yōu)于鋼絲鎧裝電纜，而鋼絲鎧裝電纜的抗橫向牽拉能力優(yōu)于鋼帶鎧裝電纜。由于儀表電纜敷設通常采用橋架、托架、支架等進行保護和支撐，對抗拉力的要求不高，推薦選用更加經(jīng)濟適用的鋼帶鎧裝電纜。當儀表電纜直埋敷設時，電纜承受較大壓力或有機械損傷危險時，建議選用鋼帶鎧裝電纜。

6 接地用電纜(線)標識

在SH/T 3081—2019 《石油化工儀表接地設計規(guī)范》中只要求接地系統(tǒng)的標識顏色為黃綠相間或綠色，對工作地和保護地的顏色未進行明確地界定[8]。接地電纜(線)的標識，在HG/T 20513—2014《儀表系統(tǒng)接地設計規(guī)范》的6.3.4條中則要求保護接地的接地連接線顏色為綠色，工作接地連接線顏色為綠色加黃色[9]。而根據(jù)GB 7947—2010/IEC 60446： 2007《人機界面標志標識的基本和安全規(guī)則 導體顏色或字母數(shù)字標識》的5.3.1條和5.3.2條規(guī)定： 保護導體應使用綠-黃雙色組合標識，綠-黃雙色是唯一公認的用于標識保護導體的顏色組合[10]。為了避免混淆，除了綠-黃雙色組合外，綠色和黃色不應與其他顏色組合。需要特別注意的是： 在美國、加拿大、日本等地，會使用綠色替代綠-黃雙色作為保護導體的識別色。在GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44： 2007《低壓電氣裝置 第4-44部分： 安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》的444.5.5 條中，則直接明確了接地導體規(guī)定的黃/綠色組合的顏色標識不應用于功能接地導體[11]。

在石油化工裝置中電氣專業(yè)的保護接地線也是采用綠-黃組合標識，為避免同一工程項目中不同專業(yè)的接地線顏色混淆，建議將儀表系統(tǒng)的保護接地線的顏色標識規(guī)定為綠-黃雙色組合，信號回路接地和屏蔽接地的顏色標識規(guī)定為綠色。同時，筆者發(fā)現(xiàn)在某些項目中成套設備廠家的機柜內(nèi)部以黑-黃雙色組合作為機柜的保護地，該做法與GB 7947—2010的規(guī)范要求不一致，不建議采用。

7 結(jié)束語

工程設計中對儀表電纜的選型,除考慮信號傳輸?shù)陌踩?、可靠、保真外，還應兼顧經(jīng)濟性。本文探討了儀表電纜選型的幾點問題，并結(jié)合工程應用給出了相應的選型意見和建議。在儀表電纜選型的同時，還需要綜合考慮儀表電纜的正確安裝、敷設和接地等問題，確保儀表系統(tǒng)的安全運行。