石油化工裝置中儀表電纜選型的若干問題探討

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到其相應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]。可以看出，在國標中對控制電纜的定義，更側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，電纜選型更側重于使用EN 50288中規(guī)定的儀表模擬信號電纜技術參數，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”的技術參數進行電纜選型。

儀表信號傳輸的特點是信號種類多，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。結合石油化工裝置的特點，筆者認為應依據信號傳輸的特點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的選擇

電纜的絕緣、護套材質可分為聚乙烯(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，主要根據操作溫度的限制進行選擇，不同材質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，在實際的電纜產品中也相應出現了可以允許低溫敷設的電纜。以-40 ℃耐寒PVC材質為例，在產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、絕緣材質介電常數等相關，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，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對電纜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

儀表電纜所傳輸的信號類型，主要分為開關量，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，內屏蔽用于抗干擾，屏蔽層應在控制室側單點接地，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，現在多數直接采用鎧裝電纜，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)現在某些項目中成套設備廠家的機柜內部以黑-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 結束語

工程設計中對儀表電纜的選型,除考慮信號傳輸的安全、可靠、保真外，還應兼顧經濟性。本文探討了儀表電纜選型的幾點問題，并結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。