淺談化工裝置儀表信號電纜

李恒榮

中國成達工程有限公司 成都 610041

化工產(chǎn)業(yè)在我國的國民經(jīng)濟中占有重要地位，是基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。隨著我國社會、經(jīng)濟的快速發(fā)展，化工裝置的安全運行越來越受到重視。在自動化工程設(shè)計工作中，儀表信號電纜作為各種檢測參數(shù)和控制信號的主要傳輸媒介，其重要性不言而喻。本文結(jié)合多個國內(nèi)外化工裝置的電纜選型設(shè)計經(jīng)驗，對儀表信號電纜的設(shè)計要點進行介紹。

1 儀表信號電纜的定義

儀表信號電纜是將現(xiàn)場傳感器的檢測信號送至控制系統(tǒng)，和(或)將控制系統(tǒng)指令信號送至執(zhí)行單元，完成監(jiān)控參數(shù)的指示、報警、控制等功能的連接電纜。在國內(nèi)外有關(guān)標準和規(guī)范中，對儀表信號電纜的定義并不統(tǒng)一，有的稱作計算機電纜(Computer cable)，有的稱作控制電纜(Control cable)，有的稱作儀表電纜(Instrumentation cable)?！峨姽ばg(shù)語 電纜》GB/T 2900.10-2013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”[1]。《電力工程電纜設(shè)計標準》GB 50217-2018中使用“控制電纜”的表述，并將計算機監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸用電纜歸類到控制電纜中[2]。在很多的電纜產(chǎn)品樣本或電纜制造企業(yè)的標準中將儀表信號電纜表述為計算機電纜。BS EN 50288-1：2013 3.7條定義了儀表電纜(instrumentation cable),并在BS EN50288-7：2005的“范圍”中明確了標準所適用的儀表及控制電纜電壓等級為90V，300V和500V[3][4]。而在其他行業(yè)電纜標準中，對儀表信號電纜的定義也有所不同，如IEC 60092船用電纜系列標準，可以供參考查閱。

不同的標準規(guī)范，對于儀表信號電纜的技術(shù)參數(shù)要求不盡相同，給化工裝置儀表電纜選型設(shè)計工作帶來一些困擾，需要結(jié)合實際需求核查適用的標準規(guī)范。

2 儀表信號電纜的特點和類型

儀表信號種類繁多，傳輸電流小(毫安級)，電壓低(24V、8V、5V乃至1.8V)，而且要求保真度高，容易受到電磁干擾，而化工裝置的電磁環(huán)境比較復雜，諸如由于電容性耦合和電感性耦合導致的近場輻射干擾，和(或)輻射耦合導致的遠場輻射干擾等，都會對儀表信號的傳輸和控制系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不同程度的影響，輕則信號失真，嚴重時可能導致系統(tǒng)錯誤或癱瘓，從而引起化工裝置發(fā)生安全事故。在化工裝置中，由于儀表信號電纜的數(shù)量大、長度長，而且是干擾源入侵的主要途徑，正確設(shè)計儀表信號電纜對整個裝置的自控系統(tǒng)至關(guān)重要。

在化工裝置中，常見的儀表信號類型有模擬量信號和離散信號，離散信號又包括開關(guān)量信號和脈沖信號。按照傳輸信號類型的不同，儀表信號電纜主要分為模擬量信號電纜、連續(xù)脈沖量信號電纜、24V直流開關(guān)量信號電纜和220V交流開關(guān)量信號電纜、熱電偶補償電纜。同時，對于傳輸本質(zhì)安全回路信號的電纜，應選擇本安電纜，其分布電容、分布電感參數(shù)應符合本質(zhì)安全回路的要求。

按照不同的分類基準，儀表信號電纜可以細分為很多個種類，如：按照電纜的導體材質(zhì)不同，可以分為銅芯電纜和鋁芯電纜等；按照電纜適用環(huán)境溫度的不同，分為耐寒電纜、高溫電纜等；按照電纜阻燃和耐火特性，可分為阻燃電纜、耐火電纜等；按不同結(jié)構(gòu)，又可分為屏蔽電纜、非屏蔽電纜，以及鎧裝電纜等。

3 儀表信號電纜的結(jié)構(gòu)和規(guī)格

儀表信號電纜的典型結(jié)構(gòu)是在金屬導體外包裹絕緣材料，形成絕緣層，然后兩根或三根包覆絕緣層的導線絞合，形成線對或線組，線對或線組外再包覆屏蔽層或不帶屏蔽層，添加填充織物成纜，成纜后根據(jù)需要包覆總屏蔽層，然后由里向外依次是內(nèi)護套、鎧裝層(非鎧裝電纜無鎧裝層)、外護套。

針對不同應用，儀表信號電纜結(jié)構(gòu)會有所不同。典型結(jié)構(gòu)圖見圖1、圖2。

圖1 多線對結(jié)構(gòu)

圖2 多線組結(jié)構(gòu)

3.1 導體

儀表信號電纜的導體是傳輸儀表信號的載體，是電纜主要組成部分。按照《電纜的導體》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004[5]的定義，導體分為四種：①實心導體；②絞合導體；③軟導體；④比③更軟的導體。

儀表信號電纜通常選用 “軟導體”，軟導體的結(jié)構(gòu)應由不鍍金屬或鍍金屬的退火銅線構(gòu)成。對于常用的1.0mm2、1.5mm2、2.5mm2標稱截面積的儀表信號電纜，其導體內(nèi)最大單線直徑有限制要求。以1.0mm2標稱截面積導體為例，導體內(nèi)最大單線直徑不得大于0.21mm，即對組成導體的銅線(絲)數(shù)量有限制。

《儀表配管配線設(shè)計規(guī)范》HG/T 20512-2014[6]和《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》SH/T 3109-2016[7]中，要求儀表信號電纜采用軟電纜。

3.2 絕緣層

儀表信號電纜絕緣層材質(zhì)應根據(jù)耐壓等級及環(huán)境條件進行選擇。按照BS EN 50288-7：2005第4.2條的規(guī)定，絕緣材料應從表1中選擇。

表1 儀表信號電纜絕緣材料

需要注意的是：不同的絕緣材料，其可以應用的溫度在相應標準中都有限制。比如對于聚氯乙烯絕緣材料，允許的最高額定溫度不超過90℃，短時可到105℃；在低溫環(huán)境下，該材料易脆裂，不宜用做低溫條件下的電纜絕緣和護套材料。

《儀表配管配線設(shè)計規(guī)范》HG/T 20512-2014和《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》SH/T 3109-2016中建議的電纜絕緣材料為聚氯乙烯或聚乙烯，但在一些特殊的應用場合，類似硅橡膠、氟塑料、聚全氟乙丙烯等新型絕緣材料也可供選擇。

3.3 屏蔽層

儀表信號電纜的屏蔽分為分屏蔽和總屏蔽，分屏蔽指單線對或單線組外的屏蔽層，總屏蔽指多線對或線組成纜后外部包裹的屏蔽層。屏蔽層的作用是抑制干擾，常見的屏蔽形式有鋁/塑復合帶繞包屏蔽帶排流銅線、銅/塑復合帶繞包或銅帶繞包屏蔽帶排流銅線、裸銅或鍍錫銅絲編織屏蔽。每種屏蔽形式可單獨使用，也可復合使用[8]。儀表信號電纜的分屏蔽應在控制室或現(xiàn)場機柜室一側(cè)單端進行工作接地，總屏蔽層應在兩端進行保護接地。

對于4～20mA DC或1～5V(DC)模擬量信號電纜，宜選用總屏蔽，當信號電纜經(jīng)過高強度交變磁場時，應采用對絞線芯；對于開關(guān)量信號電纜，宜選用總屏蔽；對于熱電偶、熱電阻或脈沖量信號電纜，宜選用分屏蔽加總屏蔽。

3.4 內(nèi)護套

儀表信號電纜內(nèi)護套通常指位于總屏蔽層與鎧裝層之間的保護層，按照BS EN50288-7：2005第4.12條的規(guī)定，內(nèi)護套的材質(zhì)應是聚氯乙烯、聚乙烯或無鹵阻燃化合物的其中一種，如果電纜線芯使用無鹵化合物絕緣，則內(nèi)護套材質(zhì)也應該是無鹵化合物。

3.5 鎧裝層

電纜鎧裝層的作用是提高電纜抗拉強度和抗壓強度，并能有效保護電纜免受外部機械損傷。儀表電纜常用的鎧裝形式有鋼絲鎧裝和鋼帶鎧裝兩種。鋼帶鎧裝能夠有效增加電纜的抗壓強度，通常應用在電纜直埋地下的情況；鋼絲鎧裝電纜具有較強的抗拉性能，可以應用在多種場合。

按照《石油化工儀表接地設(shè)計規(guī)范》SH/T 3081-2019第4.4條的規(guī)定，金屬鎧裝層應在兩端進行保護接地。

3.6 外護套

外護套位于儀表信號電纜的最外層，是保護電纜免受機械損傷和腐蝕的保護層。外護套的材質(zhì)應滿足應用環(huán)境的要求。BS EN50288-7：2005中同樣對電纜外護套材質(zhì)作了規(guī)定。

應用于本質(zhì)安全回路的本安電纜外護套顏色應為藍色，其他用途的儀表信號電纜外護套顏色可根據(jù)《電線電纜識別標志方法 第2部分標準顏色》GB/T 6995.2-2008[10]進行選擇。

4 線芯截面積選擇

儀表信號電纜的線芯截面積應滿足檢測、控制回路對信號傳輸?shù)裙δ苄砸?。線芯截面積應根據(jù)線路壓降、本安參數(shù)符合性計算后確定；其最小線芯截面積不應小于0.5mm2。

除本質(zhì)安全系統(tǒng)電路外，在爆炸危險區(qū)內(nèi)穿保護鋼管敷設(shè)的儀表信號電纜在1區(qū)時的最小線芯截面積不應小于2.5mm2，在2區(qū)時不應小于1.5mm2；若采用多芯電纜，其線芯截面積應≥1.0mm2。

除本質(zhì)安全系統(tǒng)電路外，在爆炸危險區(qū)內(nèi)電纜明設(shè)或電纜溝內(nèi)敷設(shè)時的最小線芯截面積應≥1.0mm2。

5 主要相關(guān)標準規(guī)范

對于儀表信號電纜，相關(guān)標準規(guī)范較多，本文只列出主要的標準規(guī)范供參閱：

一般看來，任何一個應用系統(tǒng)，接受命令之后停頓的時間在3秒以上，該系統(tǒng)的開發(fā)就被認為是失敗的。因為任何用戶在使用過程中，如果等待命令執(zhí)行的時間過長，其對系統(tǒng)的認可度就大大降低。在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，必須要求程序員使用更簡潔的開發(fā)語言，降低服務器運行及網(wǎng)絡傳輸?shù)牟槐匾摵桑岣呦到y(tǒng)運行效率。

①《電工術(shù)語 電纜》GB/T 2900.10-2013；②《電力工程電纜設(shè)計標準》GB 50217-2018；③《電纜的導體》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004；④《電線電纜識別標志方法》GB/T 6995-2008；⑤《電纜絕緣和護套材料通用實驗方法》GB/T 2951-2008；⑥《電線電纜性能試驗方法》GB/T 3048-2007；⑦《阻燃和耐火電線電纜或光纜通則》GB/T 19666-2019；⑧《電線電纜交貨盤第1部分：一般規(guī)定》JB/T 8137.1-2013；⑨《國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心技術(shù)規(guī)范 計算機及儀表電纜》TICW/06-2009；⑩《儀表配管配線設(shè)計規(guī)范》HG/T 20512-2014；《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》SH/T 3109-2016；BS EN 50288-1：2013 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control-Part1:Generic specification；BS EN 50288-7：2005 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control-Part7:Sectional specification for instrumentation and control cables；BS EN 50290 Communication Cable；IEC 60092-376 Edition 3.0 2017-05 Electrical installations in ships-Part 376: Cables for control and instrumentation circuits 150/250 V(300V)(該標準可供參考)。

6 儀表信號電纜的敷設(shè)要求

要保證化工裝置自控系統(tǒng)儀表信號電纜達到預期性能目標，除了正確設(shè)計儀表信號電纜選型外，還必須正確地敷設(shè)安裝儀表信號電纜。

儀表信號電纜敷設(shè)時應避開熱源、潮濕、振動源及電磁干擾，不應敷設(shè)在影響操作、妨礙設(shè)備維修的位置。

儀表信號電纜不應敷設(shè)在高溫工藝管道、蒸汽管道和設(shè)備的上方，或有腐蝕性液體的工藝管道和設(shè)備的下方。

不同電壓等級及頻率特性的信號，不應共用一根多芯電纜；本安和非本安信號不應共用同一根多芯電纜。

儀表信號電纜與電力電纜交叉敷設(shè)時，宜成直角跨越；與電力電纜平行敷設(shè)時，兩者之間的最小允許距離應符合《儀表配管配線設(shè)計規(guī)范》HG/T 20512-2014的要求。

儀表信號電纜應敷設(shè)在電纜橋架內(nèi)或穿金屬管保護。

儀表信號電纜敷設(shè)時應在電纜允許環(huán)境溫度下敷設(shè)，避免電纜受損。

7 注意事項

(1)在化工裝置工程設(shè)計中，應盡量減少儀表信號電纜的類型和規(guī)格，增加電纜通用性以節(jié)約成本。

(2) 在儀表信號電纜請購文件技術(shù)要求中,應明確電纜檢驗、試驗遵循的技術(shù)標準。

(3)由于當前市場上，鋁/塑復合帶繞包屏蔽、銅/塑復合帶繞包或銅帶繞包屏蔽與裸銅或鍍錫銅絲編織屏蔽的價差較大，需綜合考慮成本等因素合理選擇屏蔽形式。

(4)導體鍍錫是為了提高耐腐蝕性和抗氧化性，增加電纜使用壽命，但成本也會相應上升，在選擇導體鍍錫與否的時候，也應綜合考慮成本問題。

(5)從控制系統(tǒng)送往電氣馬達控制中心控制泵電機啟停的信號電纜，應重點關(guān)注電壓等級和絕緣強度，并與馬達控制中心送出的泵狀態(tài)信號電纜分開設(shè)置。

8 結(jié)語

本文主要介紹了化工裝置中儀表信號電纜的類型、儀表信號電纜的典型結(jié)構(gòu)、相關(guān)標準規(guī)范和電纜敷設(shè)要求，并結(jié)合實際工程應用經(jīng)驗，總結(jié)了儀表信號電纜設(shè)計選型時的一些注意事項，供讀者參考。