1、儀表信號電纜選型規(guī)范
電纜選型需要根據(jù)項(xiàng)目合同，確定需要遵循的標(biāo)準(zhǔn)。國外項(xiàng)目電纜選型遵循的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要有EN 50288-7 Multi-element metallic cables used in analogue and digital communication and control. part 7： Sectional specification for instrumentation and control cables[1]，UL2250 UL Standard for safety instrumentation tray cable。國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要有SH/T3019-2016《石油化工儀表管道線路設(shè)計規(guī)范》和HG/T20512-2014《儀表配管配線設(shè)計規(guī)范》，一些大型企業(yè)還有自己的標(biāo)準(zhǔn)，需要綜合起來進(jìn)行電纜選型。PIP ELSWC05D Datasheet for 300 volt instrumentation tray cable給出了電纜數(shù)據(jù)單模板，可以作為電纜采購的設(shè)計輸入。
2、儀表信號電纜結(jié)構(gòu)
典型儀表信號電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。金屬導(dǎo)體外面包絕緣層，絞合之后，包一層屏蔽層，帶分屏接引線，成纜之后再繞包一層總屏蔽層，帶總屏接引線，再往外依次是內(nèi)護(hù)套、鎧裝層，外護(hù)套。
圖1 儀表信號電纜結(jié)構(gòu)示意
根據(jù)項(xiàng)目要求，電纜結(jié)構(gòu)會有所差異。例如：有的項(xiàng)目不要求通信線和撕裂繩，就可以去掉，節(jié)省成本。
2.1 導(dǎo)體
導(dǎo)體是電纜最重要的組成部分，導(dǎo)體的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響電纜的信號傳遞性能和成本。國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)體的要求如下：
①SH/T3019-2016和HG/T20512-2014要求信號電纜是多股銅芯軟電纜。
②UL2250規(guī)定儀表信號電纜導(dǎo)體應(yīng)該是退火軟銅導(dǎo)體，符合ASTM B3 Standard specification for soft or annealed copper wire，導(dǎo)體應(yīng)該是連續(xù)不間斷的。
③SH/T3019-2016規(guī)定：信號電纜經(jīng)過高強(qiáng)度交變磁場時，宜采用對絞線芯；EN 50288-7和UL 2250也推薦采用絞合線芯，此時其分布電容、分布電感非常接近，耦合導(dǎo)致的干擾電勢相互抵消，可以有效地抑制電磁干擾，同時也可以在一定程度上抑制靜電干擾。
a)EN 50288-7和UL 2250對電纜絞合節(jié)距有一定要求。絞合節(jié)距是指沿著絞線軸向方向旋轉(zhuǎn)1周所前進(jìn)的距離，和導(dǎo)體截面積有關(guān)系。EN 50288-7規(guī)定：當(dāng)導(dǎo)體截面積小于1.5mm2時，絞合節(jié)距不應(yīng)超過100mm；當(dāng)導(dǎo)體截面積為2.5mm2時，絞合節(jié)距不應(yīng)超過150mm。UL 2250規(guī)定：對于兩芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過30倍線芯直徑；三芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過35倍線芯直徑；四芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過40倍線芯直徑；超過五芯電纜，絞合節(jié)距不應(yīng)超過15倍電纜直徑。絞合節(jié)距與導(dǎo)體直徑的比值可定義為節(jié)距比，節(jié)距比是電纜的重要參數(shù)之一，它的大小同電纜質(zhì)量有重要關(guān)系。節(jié)距比大，絞合不緊密，制造和使用過程中容易松股；節(jié)距比小，絞線比較柔軟，絞合緊密，但此時絞線單位質(zhì)量增大，材料消耗大，電纜導(dǎo)電率降低。
b)信號電纜的線芯截面積取決于多個因素。截面積過小，信號衰減嚴(yán)重，導(dǎo)致現(xiàn)場儀表不能正常工作或者控制系統(tǒng)檢測不到穩(wěn)定信號；截面積過大，則會增大材料費(fèi)和施工成本。
SH/T3019-2016規(guī)定儀表信號電纜的線芯截面積不應(yīng)小于0.5mm2；HG/T20512-2014規(guī)定儀表信號電纜的線芯截面積不應(yīng)小于0.75mm2。這兩個標(biāo)準(zhǔn)同時規(guī)定在一般場合或者2區(qū)防爆場合，兩芯及三芯儀表電纜的線芯面積可為1.0-1.5mm2，對于多芯電纜，在線路電阻滿足要求的情況下，其線芯截面可適當(dāng)縮小為0.75-1.50 mm2。EN 50288-7規(guī)定線芯截面積為0.5-2.5mm2，當(dāng)電纜較長導(dǎo)致高電阻時候，可以選用更粗的電纜。UL 2250規(guī)定線芯截面積規(guī)格為22-12AWG，最終線徑選擇需要考慮電流負(fù)荷和壓降需求。
2.2 絕緣層
SH/T3019-2016和HG/T20512-2014規(guī)定電纜絕緣層為聚乙烯，聚乙烯在機(jī)械強(qiáng)度、電氣參數(shù)、防腐能力等方面具有一定的優(yōu)越性，是一種優(yōu)選的絕緣材料。
EN 50288-7給出了5種絕緣材料：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、無鹵阻燃化合物、交聯(lián)聚乙烯。如果有的場合電纜需要更高的溫度等級，就需要考慮合適的替代材料。線芯面積和絕緣層厚度會影響電纜的工作電容和阻抗等特性參數(shù)。EN 50288-7給出了不同導(dǎo)體尺寸下對應(yīng)的任意點(diǎn)絕緣層最小厚度，見表1所列。
表1 線芯面積對應(yīng)的絕緣層最小厚度 mm
UL 2250給出了20多種絕緣材料，常見的幾種材料以及對應(yīng)的溫度等級見表2所列。
表2 絕緣材料對應(yīng)的溫度等級 ℃(°F)
UL 2250也給出了表2中幾種絕緣材料在不同規(guī)格下對應(yīng)的絕緣層最小厚度，見表3所列。
表3 線芯規(guī)格對應(yīng)的絕緣層最小厚度 mm
電纜絕緣層的最小厚度，是保障電纜可能經(jīng)受過電壓作用下可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。但是過于保守的絕緣厚度，也會使電纜成本增加、電纜載流能力降低。因此，需要按照規(guī)范，選擇合適的絕緣層厚度。
2.3 屏蔽層
當(dāng)1根導(dǎo)體處在一個變化的磁場中時，信號回路容易受到電磁干擾和靜電感應(yīng)干擾，加上回路信號一般是4-20mA或1-5 V的微弱信號，屬于低電平范圍，信號可能會受到干擾而失真。為了保證整個控制回路的精度、靈敏度和可靠性，電纜需要帶有屏蔽層，提高其抗干擾能力。
①SH/T3019-2016規(guī)定：開關(guān)量信號宜用總屏蔽；4-20mA或1-5V信號宜用總屏蔽；熱電偶或脈沖量信號宜選用分屏蔽及總屏蔽。HG/T 20512-2014規(guī)定：信號電纜宜選用分屏蔽加總屏蔽。
②EN50288-7給出了3種屏蔽方式：普通或鍍金屬編織帶，要求最小填充系數(shù)為0.6；箔加普通或鍍金屬編織帶，要求最小填充系數(shù)為0.3，當(dāng)用該類型屏蔽時，最好加接引線，接引線應(yīng)該是實(shí)心或者成股，材質(zhì)為裸銅或者鍍金屬銅，例如鍍錫銅；要求箔有最小20%面積交疊，100%覆蓋導(dǎo)體，對導(dǎo)體完全隔離，接引線與箔的金屬側(cè)始終保持連接。
③UL2250也給出了3種屏蔽方式：金屬-聚酯屏蔽帶，接引線要求是裸銅，連接金屬側(cè)，如果金屬是鋁，接引線需要鍍其他金屬；裸銅線編織或者鍍金屬銅線編織；裸銅帶或者鍍金屬銅帶。
上述規(guī)范并沒有指出具體選擇哪種屏蔽層材質(zhì)和形式，需要按照項(xiàng)目合同，與業(yè)主和電纜廠家協(xié)商確定。
2.4 鎧裝層
電纜在鋪設(shè)或者使用過程中容易受壓或者擦傷，帶鎧裝層之后，可以有效地降低機(jī)械損傷。
①EN50288-7給出了3種鎧裝形式：一層圓形或扁形鍍鋅鋼線，要求最小厚度為0.8mm，鍍鋅扁鋼線可用于鎧裝層下電纜直徑大于15mm的電纜；一兩層鋼帶或者銅帶，鋼帶最小厚度為0.2mm，銅帶最小厚度為0.075mm；鍍鋅鋼或鍍錫銅編織帶，要求最小厚度為0.3mm。
②UL2250也給出了幾種鎧裝形式：光滑的金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，鋁合金鎧裝層的最小厚度要求見表4所列；焊接波紋金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金或者銅合金，厚度要求不小于0.56mm；擠壓波紋金屬護(hù)套，材質(zhì)是銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，厚度要求不小于0.56mm；鏈接鎧裝，材質(zhì)為鍍鋅鋼或銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.4%的鋁合金，該種鎧裝形式最小厚度要求見表5所列。
表4 鋁合金鎧裝層最小厚度與層下線徑的對應(yīng)關(guān)系 mm
表5 鏈接鎧裝層最小厚度與層下線徑的對應(yīng)關(guān)系 mm
電纜是否帶鎧裝層，取決于項(xiàng)目要求，如電纜已經(jīng)在橋架或者穿管內(nèi)保護(hù)好，可以不用鎧裝電纜。
2.5 護(hù)套
由于儀表電纜的應(yīng)用場合可能是高溫、低溫、高輻射或潮濕等各種環(huán)境，所以要求電纜護(hù)套應(yīng)該具有阻燃，抵抗陽光、油、水分、蒸汽滲透等功能。
①SH/T3019-2016和HG/T 20512—2014規(guī)定電纜護(hù)套為聚氯乙烯。其特點(diǎn)為耐用、柔軟、耐環(huán)境污染和高溫。
②EN50288-7要求外護(hù)套材料應(yīng)該適合操作溫度，可以是下面幾種情況：聚氯乙烯，符合EN50290-2-22；聚乙烯，符合EN50290-2-24；無鹵素阻燃材料，符合EN50290-2-27。外護(hù)套的厚度應(yīng)該盡量均勻，主要取決于電纜外徑。當(dāng)沒有鎧裝層時，外護(hù)套的厚度SRt=0.028D+1.1(mm)，D是電纜直徑，任意點(diǎn)的最小厚度不應(yīng)小于(正常厚度×15%+0.1)mm，最小平均厚度不應(yīng)小于正常厚度。當(dāng)有鎧裝層時，外護(hù)套的厚度SRt=0.04D+0.7(mm)，任意點(diǎn)的最小厚度不應(yīng)小于(正常厚度×20%+0.2)mm。可以看出，護(hù)套的厚度取決于電纜直徑。
③UL 2250給出了20多種護(hù)套材料以及對應(yīng)的溫度等級，常見的幾種見表6所列。
表6 電纜護(hù)套材料及對應(yīng)的溫度等級 ℃(°F)
如果電纜絕緣層溫度等級為60-105℃，護(hù)套材料溫度等級不應(yīng)比絕緣層溫度等級低15℃以上。電纜溫度等級等于絕緣層溫度等級，如果電纜絕緣層溫度等級為125-250℃，護(hù)套溫度等級與絕緣層溫度等級關(guān)系沒有明確，但是電纜溫度等級應(yīng)該等于護(hù)套溫度等級與絕緣層溫度等級中的最小值。
UL 2250也給出了表6中幾種護(hù)套材質(zhì)在不同導(dǎo)體尺寸下對應(yīng)的護(hù)套最小厚度，見表7所列，任意點(diǎn)最小電纜護(hù)套厚度不應(yīng)小于最小護(hù)套平均厚度的80%。
表7 電纜護(hù)套最小厚度與護(hù)套下線徑的對應(yīng)關(guān)系 mm
當(dāng)電纜有鎧裝層時，鎧裝層外面需要有外護(hù)套，其他情況可不含外護(hù)套。如果外護(hù)套是含氟聚合物，護(hù)套厚度同表7；如果是不含氟聚合物護(hù)套，護(hù)套厚度應(yīng)該滿足表8所列。
表8 鎧裝電纜外護(hù)套最小厚度與護(hù)套下線徑的對應(yīng)關(guān)系 mm
本文介紹了在國內(nèi)外項(xiàng)目中儀表信號電纜選型的參照標(biāo)準(zhǔn)。將有關(guān)儀表信號電纜選型的歐標(biāo)、美標(biāo)與國內(nèi)的石化、化工行標(biāo)進(jìn)行了對比分析。國外標(biāo)準(zhǔn)與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有很多的相似之處，相比之下，國外規(guī)范的要求更詳細(xì)一些。設(shè)計人員應(yīng)該熟練掌握相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，只有這樣才能保證設(shè)計質(zhì)量，節(jié)省項(xiàng)目成本。
作者：劉克
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