石油化工装置中仪表电缆选型的若干问题探讨

梁达，孟铎

(中国五环工程有限公司,湖北 武汉 430223)

在石油化工装置中，仪表电缆广泛地应用于仪表信号传输、配电、接地、通信系统中，是保证仪表系统正常运行的重要媒介。本文结合仪表电缆的特点和信号传输类型，深度探讨了仪表电缆选型中的若干问题。

1 仪表电缆的定义及特点

国内的标准和规范中，对于仪表电缆的界定及实际使用间存在一定的歧义。在GB/T 2900.10—2013《电工术语 电缆》中将仪表电缆定义为“将传感器输出信号传输到其相应测量仪器的多芯电缆”，将控制电缆定义为“在电气装置中传输控制、测量和指示信号的多芯电缆”[1]。在GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》中主要使用了控制电缆的概念，在3.7.2条和3.7.7条中对控制电缆的额定电压等级要求为450/750 V，并且将计算机监控系统信号回路用的电缆也归类在控制电缆中[2]。可以看出，在国标中对控制电缆的定义，更侧重于从电气装置电力系统的使用角度来进行界定；而在电缆制造标准及国内电缆样本中，将控制电缆定义为多芯、无对绞、电压等级450/750 V，主要用于传输开关量信号的电缆，而将用于传输弱电信号的对绞电缆定义为计算机电缆。

在国外标准和规范中，IEC体系中主要针对450/750 V的控制电缆进行定义，未对仪表用信号电缆做出界定；EN 50288-7： 2005中将仪表用信号电缆定义为“Instrumentation and Control Cable”，电压等级为300 V和500 V[3]。

在石油化工装置中，在仪表专业的电缆技术规格书编制及选型过程中，电缆选型更侧重于使用EN 50288中规定的仪表模拟信号电缆技术参数，而对24 V(DC)、100 V(AC)和220 V(AC)的开关量信号电缆则常使用IEC的标准体系，采用“Control Cable”的技术参数进行电缆选型。

仪表信号传输的特点是信号种类多，且高保真、低电压、弱电流，易受周围环境的干扰和影响。石油化工装置中由于仪表电缆选用不当而引起控制系统信号传输故障，甚至危及安全的案例时有发生。结合石油化工装置的特点，笔者认为应依据信号传输的特点详细和全面地界定仪表电缆，在工程设计中选用适用的电缆。仪表电缆应包含仪表系统正常运行所使用的各种电缆，主要分为仪表模拟信号传输电缆、仪表开关信号传输电缆、热电偶延伸电缆、热电偶补偿电缆、供电用电缆、接地用电缆(线)、通信电缆等。

2 电缆绝缘和护套材质的选择

电缆的绝缘、护套材质可分为聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、改良聚氯乙烯、无卤低烟阻燃聚烯烃、交联聚乙烯(XLPE)、硅橡胶和氟塑料等，主要根据操作温度的限制进行选择，不同材质对应的电缆长期最高工作温度不同。由于仪表传输信号的特点，除少量大电流供电电缆外，仪表电缆在工作时本身的发热可以忽略不计，操作温度更多的是考虑工作环境温度。

在低温场合敷设时，需要考虑电缆敷设温度的影响。电缆的敷设温度主要以电缆护套材质的耐低温等级为主，电缆绝缘的最低敷设温度做参考。在GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及质量验收规范》中7.5.1条规定： 敷设仪表电缆时，塑料绝缘电缆的敷设环境温度不应低于0，橡皮绝缘电缆不应低于-15 ℃。然而，在北方的工程项目中，依然存在低温环境下敷设电缆的可能性，在实际的电缆产品中也相应出现了可以允许低温敷设的电缆。以-40 ℃耐寒PVC材质为例，在产品样本中会标称最低敷设温度可达-40 ℃，该温度等级是指通过了在实验室条件下的低温弯曲、拉伸和冲击试验，实际现场敷设环境建议在-15 ℃以上为宜。在实际应用中，建议和电缆制造商提前沟通和确认，避免在低温环境敷设时对电缆绝缘和护套材质造成不可逆的损伤。

在本安回路场合或远距离传输时，还需要考虑不同绝缘材质对电缆单位长度分布电容的影响。单位长度电缆的分布电容与绝缘层厚度、绝缘材质介电常数等相关，在导线直径相同的情况下，绝缘层的厚度越大、绝缘材料的相对介电常数越小，单位长度电缆的分布电容则越小。以工程中最常用PVC绝缘、PE绝缘的电缆为例，相对介电常数分别为6～8，2.3。在相同的导线直径、绝缘厚度情况下，PVC绝缘电缆的单位长度分布电容要远大于PE绝缘和XLPE绝缘电缆。在实际的电缆制造中，在JB/T 13486—2018《计算机与仪表屏蔽电缆》的7.4节给出了电缆在1 kHz时的工作电容最大值[4]，见表1所列。对于电缆长期最高工作温度均为70 ℃的普通PVC和PE绝缘材质来说，针对本安回路或远距离传输场合选型时，为减少分布电容对回路的影响，建议优先选用PE绝缘电缆。

表1 不同绝缘材质的工作电容最大值 pF/m

3 电缆双绞线绞合节距的选择

电缆线芯的相互绞合，可以有效地提高对磁场干扰的抑制效果。仪表模拟信号传输应优先选用对绞电缆。

在SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》中6.2.6条要求： 当信号电缆经过高强度交变磁场时，应采用对绞线芯[5]。在文献[2]中3.7.7条对计算机监控系统信号回路的电缆也建议选用对绞线芯。在API和EN等相关国外规范中，同样对仪表模拟信号电缆的对绞线芯提出了要求。如果是开关量信号，则可以根据实际项目情况决定是否采用对绞或非对绞线芯。

在同一回路中采用2根对绞导线，则导线形成的绞扭环所产生的感应电动势方向相反、相互抵消。导线绞扭得越紧，则绞扭环的面积S越小，S中穿过的磁力线越少，若S=0，则穿过的磁力线趋近于0。对于低电平信号的仪表电缆，在周围有磁场干扰源存在时，采用该类型的导线能够起到很好的抑制作用。国内外常用电缆标准对仪表电缆的双绞线的节距要求见表2所列。

在IEEE 1143： 2012的4.1.2条中给出了在磁场频率为60 Hz，导线长度为1.0 m的特定实验条件下，不同绞合节距的磁场屏蔽效果见表3所列[6]。

表2 不同标准对仪表电缆的双绞线的节距要求

表3 双绞线不同绞合节距的磁场屏蔽效果

在存在强磁场干扰的场合，双绞线的绞合节距应适当减小以提高导线的抗干扰能力。绞合节距越小，对磁场干扰的屏蔽效果越好，但过小的绞合节距会对电缆的制造工艺提出更高的要求。从表3可以看出，当双绞线的节距低于76.2 mm后，随着绞合节距的减小，噪声衰减效果有限。笔者建议，在仪表电缆的绞合节距选型时，将绞合节距选择在76～100 mm内，既提高了噪声衰减效果，同时也满足EN 50288-7： 2005和JB/T 13486—2018对绞合电缆绞合节距的要求。

4 电缆屏蔽方式的选择

仪表屏蔽电缆建议采用铝/塑复合薄膜屏蔽，在API 552： 2007 Transmission System第7.6节中也推荐仪表屏蔽电缆选用铝/塑复合薄膜屏蔽电缆[7]。对于防止低频干扰为主的场合或对电缆弯曲度和机械保护性能有要求的场合也可采用金属丝编织结构的屏蔽。软电缆建议采用铜丝编织屏蔽。

考虑屏蔽性能，铝/塑复合薄膜屏蔽适用于高频干扰的场合，铜丝编织屏蔽更适合低频干扰的场合。铜丝编织屏蔽电缆弯曲性较好，具有良好的机械保护性能，但由于不可避免地有空隙，屏蔽覆盖率相对较低，当电磁波频率高于100 MHz以后，屏蔽效能明显下降。较高的编织层覆盖率可带来更好的屏蔽性能，但同时也会带来更高的成本。两种屏蔽方式性能对比见表4所列。

表4 两种屏蔽方式性能对比

仪表电缆所传输的信号类型，主要分为开关量，4～20 mA，1～5 V(DC)，热电偶，热电阻，脉冲量信号及特殊用的仪表信号，根据设计规范，不同电压等级和频率特性的信号不允许共用一根电缆或同一接线箱，避免了同一电缆中信号的相互干扰。因此，在SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》6.2.6条和GB 50217—2018《电力工程电缆设计规范》3.7.7条中，对于普通的信号传输电缆，推荐采用单屏蔽、分屏或者总屏方式。对于热电偶信号、热电阻信号和脉冲信号等易受干扰的信号，建议采用分屏加总屏的屏蔽方式。在GB 50217—2018中3.7.7条也有类似的规定和要求。在用于防雷工程时，当电缆未采用穿钢管或封闭金属电缆槽的敷设方式时，应采用双层屏蔽电缆。双层屏蔽或复合式屏蔽时，内屏蔽用于抗干扰，屏蔽层应在控制室侧单点接地，外屏蔽层用于防雷电电涌的冲击，屏蔽层应两点接地，以利于电涌电流的快速释放。此外，一个良好屏蔽方式的选择，还与仪表电缆的合理的敷设方式紧密相关。

5 电缆铠装层的选择

在石油化工装置中，根据用途和安装路径可将仪表电缆划分为支电缆、主电缆和单拉电缆。支电缆和单拉电缆的外径一般为9～12 mm，主电缆的外径一般为28～32 mm。支电缆敷设路径较复杂，一方面需要机械保护，同时也要防干扰，以往采用金属保护管进行敷设，现在多数直接采用铠装电缆，方便施工安装并节省安装空间。在海外项目中基本上对仪表支电缆要求采用铠装电缆，主电缆的敷设往往有较完整的电缆桥架保护，并具有一定的屏蔽效果，因此推荐采用非铠装电缆。

常见的铠装方式分为钢带铠装和钢丝铠装两种。钢带铠装电缆的抗纵向挤压能力优于钢丝铠装电缆，而钢丝铠装电缆的抗横向牵拉能力优于钢带铠装电缆。由于仪表电缆敷设通常采用桥架、托架、支架等进行保护和支撑，对抗拉力的要求不高，推荐选用更加经济适用的钢带铠装电缆。当仪表电缆直埋敷设时，电缆承受较大压力或有机械损伤危险时，建议选用钢带铠装电缆。

6 接地用电缆(线)标识

在SH/T 3081—2019 《石油化工仪表接地设计规范》中只要求接地系统的标识颜色为黄绿相间或绿色，对工作地和保护地的颜色未进行明确地界定[8]。接地电缆(线)的标识，在HG/T 20513—2014《仪表系统接地设计规范》的6.3.4条中则要求保护接地的接地连接线颜色为绿色，工作接地连接线颜色为绿色加黄色[9]。而根据GB 7947—2010/IEC 60446： 2007《人机界面标志标识的基本和安全规则 导体颜色或字母数字标识》的5.3.1条和5.3.2条规定： 保护导体应使用绿-黄双色组合标识，绿-黄双色是唯一公认的用于标识保护导体的颜色组合[10]。为了避免混淆，除了绿-黄双色组合外，绿色和黄色不应与其他颜色组合。需要特别注意的是： 在美国、加拿大、日本等地，会使用绿色替代绿-黄双色作为保护导体的识别色。在GB/T 16895.10—2010/IEC 60364-4-44： 2007《低压电气装置 第4-44部分： 安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》的444.5.5 条中，则直接明确了接地导体规定的黄/绿色组合的颜色标识不应用于功能接地导体[11]。

在石油化工装置中电气专业的保护接地线也是采用绿-黄组合标识，为避免同一工程项目中不同专业的接地线颜色混淆，建议将仪表系统的保护接地线的颜色标识规定为绿-黄双色组合，信号回路接地和屏蔽接地的颜色标识规定为绿色。同时，笔者发现在某些项目中成套设备厂家的机柜内部以黑-黄双色组合作为机柜的保护地，该做法与GB 7947—2010的规范要求不一致，不建议采用。

7 结束语

工程设计中对仪表电缆的选型,除考虑信号传输的安全、可靠、保真外，还应兼顾经济性。本文探讨了仪表电缆选型的几点问题，并结合工程应用给出了相应的选型意见和建议。在仪表电缆选型的同时，还需要综合考虑仪表电缆的正确安装、敷设和接地等问题，确保仪表系统的安全运行。