梁達(dá)，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(yīng)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(yùn)行的重要媒介。本文結(jié)合儀表電纜的特點(diǎn)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(diǎn)

國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，對于儀表電纜的界定及實(shí)際使用間存在一定的歧義。在GB/T 2900.10—2013《電工術(shù)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?yīng)測量儀器的多芯電纜”，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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)信號回路用的電纜也歸類在控制電纜中[2]。可以看出，在國標(biāo)中對控制電纜的定義，更側(cè)重于從電氣裝置電力系統(tǒng)的使用角度來進(jìn)行界定；而在電纜制造標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(jì)算機(jī)電纜。

在國外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中，IEC體系中主要針對450/750 V的控制電纜進(jìn)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(shù)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(shù)參數(shù)，而對24 V(DC)、100 V(AC)和220 V(AC)的開關(guān)量信號電纜則常使用IEC的標(biāo)準(zhǔn)體系，采用“Control Cable”的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行電纜選型。

儀表信號傳輸?shù)奶攸c(diǎn)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(dāng)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(diǎn)，筆者認(rèn)為應(yīng)依據(jù)信號傳輸?shù)奶攸c(diǎn)詳細(xì)和全面地界定儀表電纜，在工程設(shè)計(jì)中選用適用的電纜。儀表電纜應(yīng)包含儀表系統(tǒng)正常運(yùn)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(guān)信號傳輸電纜、熱電偶延伸電纜、熱電偶補(bǔ)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(hù)套材質(zhì)的選擇

電纜的絕緣、護(hù)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(jìn)行選擇，不同材質(zhì)對應(yīng)的電纜長期最高工作溫度不同。由于儀表傳輸信號的特點(diǎn)，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(jì)，操作溫度更多的是考慮工作環(huán)境溫度。

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

在本安回路場合或遠(yuǎn)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(guān)，在導(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)大于PE絕緣和XLPE絕緣電纜。在實(shí)際的電纜制造中，在JB/T 13486—2018《計(jì)算機(jī)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(yuǎn)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(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》中6.2.6條要求： 當(dāng)信號電纜經(jīng)過高強(qiáng)度交變磁場時，應(yīng)采用對絞線芯[5]。在文獻(xiàn)[2]中3.7.7條對計(jì)算機(jī)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(guān)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(guān)量信號，則可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)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(dǎo)線，則導(dǎo)線形成的絞扭環(huán)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相反、相互抵消。導(dǎo)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(dǎo)線能夠起到很好的抑制作用。國內(nèi)外常用電纜標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線長度為1.0 m的特定實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)磁場干擾的場合，雙絞線的絞合節(jié)距應(yīng)適當(dāng)減小以提高導(dǎo)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(dāng)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(fù)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(fù)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(jī)械保護(hù)性能有要求的場合也可采用金屬絲編織結(jié)構(gòu)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(fù)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(jī)械保護(hù)性能，但由于不可避免地有空隙，屏蔽覆蓋率相對較低，當(dāng)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(guān)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范》6.2.6條和GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)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(dāng)電纜未采用穿鋼管或封閉金屬電纜槽的敷設(shè)方式時，應(yīng)采用雙層屏蔽電纜。雙層屏蔽或復(fù)合式屏蔽時，內(nèi)屏蔽用于抗干擾，屏蔽層應(yīng)在控制室側(cè)單點(diǎn)接地，外屏蔽層用于防雷電電涌的沖擊，屏蔽層應(yīng)兩點(diǎn)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(shè)方式緊密相關(guān)。

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(shè)路徑較復(fù)雜，一方面需要機(jī)械保護(hù)，同時也要防干擾，以往采用金屬保護(hù)管進(jìn)行敷設(shè)，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(xiàng)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(shè)往往有較完整的電纜橋架保護(hù)，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(shè)通常采用橋架、托架、支架等進(jìn)行保護(hù)和支撐，對抗拉力的要求不高，推薦選用更加經(jīng)濟(jì)適用的鋼帶鎧裝電纜。當(dāng)儀表電纜直埋敷設(shè)時，電纜承受較大壓力或有機(jī)械損傷危險時，建議選用鋼帶鎧裝電纜。

6 接地用電纜(線)標(biāo)識

在SH/T 3081—2019 《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中只要求接地系統(tǒng)的標(biāo)識顏色為黃綠相間或綠色，對工作地和保護(hù)地的顏色未進(jìn)行明確地界定[8]。接地電纜(線)的標(biāo)識，在HG/T 20513—2014《儀表系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的6.3.4條中則要求保護(hù)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(jī)界面標(biāo)志標(biāo)識的基本和安全規(guī)則 導(dǎo)體顏色或字母數(shù)字標(biāo)識》的5.3.1條和5.3.2條規(guī)定： 保護(hù)導(dǎo)體應(yīng)使用綠-黃雙色組合標(biāo)識，綠-黃雙色是唯一公認(rèn)的用于標(biāo)識保護(hù)導(dǎo)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(yīng)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(hù)導(dǎo)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(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》的444.5.5 條中，則直接明確了接地導(dǎo)體規(guī)定的黃/綠色組合的顏色標(biāo)識不應(yīng)用于功能接地導(dǎo)體[11]。

在石油化工裝置中電氣專業(yè)的保護(hù)接地線也是采用綠-黃組合標(biāo)識，為避免同一工程項(xiàng)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(hù)接地線的顏色標(biāo)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(biāo)識規(guī)定為綠色。同時，筆者發(fā)現(xiàn)在某些項(xiàng)目中成套設(shè)備廠家的機(jī)柜內(nèi)部以黑-黃雙色組合作為機(jī)柜的保護(hù)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(shè)計(jì)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(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性。本文探討了儀表電纜選型的幾點(diǎn)問題，并結(jié)合工程應(yīng)用給出了相應(yīng)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(shè)和接地等問題，確保儀表系統(tǒng)的安全運(yùn)行。