仪表信号电缆选型规范介绍

2020-04-13刘克

石油化工自动化 2020年2期

刘克

(中国天辰工程有限公司，天津 300400)

近年来，随着中国“一带一路”倡议的推进实施，国内各大工程公司承包的国外EPC项目逐渐增多，带来更多机遇的同时，也面临更多挑战。仪表电缆作为项目实施中的重要材料，对项目成败起到了至关重要的作用。随着现代工厂对自动化程度和控制精度要求的提高，仪表电缆选型也越来越严格。国外项目对电缆性能要求比较细致，同时国内外相关电缆的规范存在一定的差异，这就要求设计人员在进行国外项目设计的过程中要熟练运用国际规范，做好周全的考虑。本文对照国内外规范，对电缆的结构和选型要求进行了详细介绍。

1 仪表信号电缆选型规范

电缆选型需要根据项目合同，确定需要遵循的标准。国外项目电缆选型遵循的标准规范主要有EN 50288-7Multi-elementmetalliccablesusedinanalogueanddigitalcommunicationandcontrol.part7：Sectionalspecificationforinstrumentationandcontrolcables[1]，UL2250 ULStandardforsafetyinstrumentationtraycable[2]。国内行业标准主要有SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》[3]和HG/T 20512—2014《仪表配管配线设计规范》[4],一些大型企业还有自己的标准，需要综合起来进行电缆选型。PIP ELSWC05DDatasheetfor300voltinstrumentationtraycable[5]给出了电缆数据单模板，可以作为电缆采购的设计输入。

2 仪表信号电缆结构

典型仪表信号电缆结构如图1所示。金属导体外面包绝缘层，绞合之后，包一层屏蔽层，带分屏接引线，成缆之后再绕包一层总屏蔽层，带总屏接引线，再往外依次是内护套、铠装层，外护套。

图1 仪表信号电缆结构示意

根据项目要求，电缆结构会有所差异[6-7]。例如：有的项目不要求通信线和撕裂绳，就可以去掉，节省成本。

2.1 导体

导体是电缆最重要的组成部分，导体的材质和结构参数直接影响电缆的信号传递性能和成本。国内外标准对导体的要求如下：

1)SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014要求信号电缆是多股铜芯软电缆。

2)UL 2250规定仪表信号电缆导体应该是退火软铜导体，符合ASTM B3Standardspecificationforsoftorannealedcopperwire[8]，导体应该是连续不间断的。

3)SH/T 3019—2016规定：信号电缆经过高强度交变磁场时，宜采用对绞线芯；EN 50288-7和UL 2250也推荐采用绞合线芯，此时其分布电容、分布电感非常接近，耦合导致的干扰电势相互抵消，可以有效地抑制电磁干扰，同时也可以在一定程度上抑制静电干扰。

a)EN 50288-7和UL 2250对电缆绞合节距有一定要求。绞合节距是指沿着绞线轴向方向旋转1周所前进的距离，和导体截面积有关系。EN 50288-7规定：当导体截面积小于1.5 mm2时，绞合节距不应超过100 mm；当导体截面积为2.5 mm2时，绞合节距不应超过150 mm。UL 2250规定：对于两芯电缆，绞合节距不应超过30倍线芯直径；三芯电缆，绞合节距不应超过35倍线芯直径；四芯电缆，绞合节距不应超过40倍线芯直径；超过五芯电缆，绞合节距不应超过15倍电缆直径。绞合节距与导体直径的比值可定义为节距比，节距比是电缆的重要参数之一，它的大小同电缆质量有重要关系。节距比大，绞合不紧密，制造和使用过程中容易松股；节距比小，绞线比较柔软，绞合紧密，但此时绞线单位质量增大，材料消耗大，电缆导电率降低。

b)信号电缆的线芯截面积取决于多个因素。截面积过小，信号衰减严重，导致现场仪表不能正常工作或者控制系统检测不到稳定信号；截面积过大，则会增大材料费和施工成本[9-10]。

SH/T 3019—2016规定仪表信号电缆的线芯截面积不应小于0.5 mm2；HG/T 20512—2014规定仪表信号电缆的线芯截面积不应小于0.75 mm2。这两个标准同时规定在一般场合或者2区防爆场合，两芯及三芯仪表电缆的线芯面积可为1.0～1.5 mm2，对于多芯电缆，在线路电阻满足要求的情况下，其线芯截面可适当缩小为0.75～1.50 mm2。EN 50288-7规定线芯截面积为0.5～2.5 mm2，当电缆较长导致高电阻时候，可以选用更粗的电缆。UL 2250规定线芯截面积规格为22-12AWG，最终线径选择需要考虑电流负荷和压降需求。

2.2 绝缘层

SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014规定电缆绝缘层为聚乙烯，聚乙烯在机械强度、电气参数、防腐能力等方面具有一定的优越性，是一种优选的绝缘材料。

EN 50288-7给出了5种绝缘材料：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、无卤阻燃化合物、交联聚乙烯。如果有的场合电缆需要更高的温度等级，就需要考虑合适的替代材料。线芯面积和绝缘层厚度会影响电缆的工作电容和阻抗等特性参数。EN 50288-7给出了不同导体尺寸下对应的任意点绝缘层最小厚度，见表1所列。

表1 线芯面积对应的绝缘层最小厚度 mm

UL 2250给出了20多种绝缘材料，常见的几种材料以及对应的温度等级见表2所列。

表2 绝缘材料对应的温度等级 ℃(°F)

续表2

UL 2250也给出了表2中几种绝缘材料在不同规格下对应的绝缘层最小厚度，见表3所列。

表3 线芯规格对应的绝缘层最小厚度 mm

电缆绝缘层的最小厚度，是保障电缆可能经受过电压作用下可靠运行的基础。但是过于保守的绝缘厚度，也会使电缆成本增加、电缆载流能力降低。因此，需要按照规范，选择合适的绝缘层厚度。

2.3 屏蔽层

当1根导体处在一个变化的磁场中时，信号回路容易受到电磁干扰和静电感应干扰，加上回路信号一般是4～20 mA或1～5 V的微弱信号，属于低电平范围，信号可能会受到干扰而失真。为了保证整个控制回路的精度、灵敏度和可靠性，电缆需要带有屏蔽层，提高其抗干扰能力[11-12]。

1)SH/T 3019—2016规定：开关量信号宜用总屏蔽；4～20 mA或1～5 V(DC)信号宜用总屏蔽；热电偶或脉冲量信号宜选用分屏蔽及总屏蔽。HG/T 20512—2014规定：信号电缆宜选用分屏蔽加总屏蔽。

2)EN 50288-7给出了3种屏蔽方式：普通或镀金属编织带，要求最小填充系数为0.6；箔加普通或镀金属编织带，要求最小填充系数为0.3，当用该类型屏蔽时，最好加接引线，接引线应该是实心或者成股，材质为裸铜或者镀金属铜，例如镀锡铜；要求箔有最小20%面积交叠，100%覆盖导体，对导体完全隔离，接引线与箔的金属侧始终保持连接。

3)UL 2250也给出了3种屏蔽方式：金属-聚酯屏蔽带，接引线要求是裸铜，连接金属侧，如果金属是铝，接引线需要镀其他金属；裸铜线编织或者镀金属铜线编织；裸铜带或者镀金属铜带。

上述规范并没有指出具体选择哪种屏蔽层材质和形式，需要按照项目合同，与业主和电缆厂家协商确定。

2.4 铠装层

电缆在铺设或者使用过程中容易受压或者擦伤，带铠装层之后，可以有效地降低机械损伤。

1)EN 50288-7给出了3种铠装形式：一层圆形或扁形镀锌钢线，要求最小厚度为0.8 mm，镀锌扁钢线可用于铠装层下电缆直径大于15 mm的电缆；一两层钢带或者铜带，钢带最小厚度为0.2 mm，铜带最小厚度为0.075 mm；镀锌钢或镀锡铜编织带，要求最小厚度为0.3 mm。

2)UL 2250也给出了几种铠装形式：光滑的金属护套，材质是铜质量分数不大于0.4%的铝合金，铝合金铠装层的最小厚度要求见表4所列；焊接波纹金属护套，材质是铜质量分数不大于0.4%的铝合金或者铜合金，厚度要求不小于0.56 mm；挤压波纹金属护套，材质是铜质量分数不大于0.4%的铝合金，厚度要求不小于0.56 mm；链接铠装，材质为镀锌钢或铜质量分数不大于0.4%的铝合金，该种铠装形式最小厚度要求见表5所列。

表4 铝合金铠装层最小厚度与层下线径的对应关系 mm

表5 链接铠装层最小厚度与层下线径的对应关系 mm

电缆是否带铠装层，取决于项目要求，如电缆已经在桥架或者穿管内保护好，可以不用铠装电缆。

2.5 护套

由于仪表电缆的应用场合可能是高温、低温、高辐射或潮湿等各种环境，所以要求电缆护套应该具有阻燃，抵抗阳光、油、水分、蒸汽渗透等功能。

1)SH/T 3019—2016和HG/T 20512—2014规定电缆护套为聚氯乙烯。其特点为耐用、柔软、耐环境污染和高温。

2)EN 50288-7要求外护套材料应该适合操作温度，可以是下面几种情况：聚氯乙烯，符合EN 50290-2-22；聚乙烯，符合EN 50290-2-24；无卤素阻燃材料，符合EN 50290-2-27。外护套的厚度应该尽量均匀，主要取决于电缆外径。当没有铠装层时，外护套的厚度SRt=0.028D+1.1(mm)，D是电缆直径，任意点的最小厚度不应小于(正常厚度×15%+0.1)mm，最小平均厚度不应小于正常厚度。当有铠装层时，外护套的厚度SRt=0.04D+0.7(mm)，任意点的最小厚度不应小于(正常厚度×20%+0.2)mm。可以看出，护套的厚度取决于电缆直径。

3)UL 2250给出了20多种护套材料以及对应的温度等级，常见的几种见表6所列。