浅谈化工装置仪表信号电缆

李恒荣

中国成达工程有限公司 成都 610041

化工产业在我国的国民经济中占有重要地位，是基础产业和支柱产业。随着我国社会、经济的快速发展，化工装置的安全运行越来越受到重视。在自动化工程设计工作中，仪表信号电缆作为各种检测参数和控制信号的主要传输媒介，其重要性不言而喻。本文结合多个国内外化工装置的电缆选型设计经验，对仪表信号电缆的设计要点进行介绍。

1 仪表信号电缆的定义

仪表信号电缆是将现场传感器的检测信号送至控制系统，和(或)将控制系统指令信号送至执行单元，完成监控参数的指示、报警、控制等功能的连接电缆。在国内外有关标准和规范中，对仪表信号电缆的定义并不统一，有的称作计算机电缆(Computer cable)，有的称作控制电缆(Control cable)，有的称作仪表电缆(Instrumentation cable)。《电工术语 电缆》GB/T 2900.10-2013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”[1]。《电力工程电缆设计标准》GB 50217-2018中使用“控制电缆”的表述，并将计算机监控系统信号传输用电缆归类到控制电缆中[2]。在很多的电缆产品样本或电缆制造企业的标准中将仪表信号电缆表述为计算机电缆。BS EN 50288-1：2013 3.7条定义了仪表电缆(instrumentation cable),并在BS EN50288-7：2005的“范围”中明确了标准所适用的仪表及控制电缆电压等级为90V，300V和500V[3][4]。而在其他行业电缆标准中，对仪表信号电缆的定义也有所不同，如IEC 60092船用电缆系列标准，可以供参考查阅。

不同的标准规范，对于仪表信号电缆的技术参数要求不尽相同，给化工装置仪表电缆选型设计工作带来一些困扰，需要结合实际需求核查适用的标准规范。

2 仪表信号电缆的特点和类型

仪表信号种类繁多，传输电流小(毫安级)，电压低(24V、8V、5V乃至1.8V)，而且要求保真度高，容易受到电磁干扰，而化工装置的电磁环境比较复杂，诸如由于电容性耦合和电感性耦合导致的近场辐射干扰，和(或)辐射耦合导致的远场辐射干扰等，都会对仪表信号的传输和控制系统的正常工作产生不同程度的影响，轻则信号失真，严重时可能导致系统错误或瘫痪，从而引起化工装置发生安全事故。在化工装置中，由于仪表信号电缆的数量大、长度长，而且是干扰源入侵的主要途径，正确设计仪表信号电缆对整个装置的自控系统至关重要。

在化工装置中，常见的仪表信号类型有模拟量信号和离散信号，离散信号又包括开关量信号和脉冲信号。按照传输信号类型的不同，仪表信号电缆主要分为模拟量信号电缆、连续脉冲量信号电缆、24V直流开关量信号电缆和220V交流开关量信号电缆、热电偶补偿电缆。同时，对于传输本质安全回路信号的电缆，应选择本安电缆，其分布电容、分布电感参数应符合本质安全回路的要求。

按照不同的分类基准，仪表信号电缆可以细分为很多个种类，如：按照电缆的导体材质不同，可以分为铜芯电缆和铝芯电缆等；按照电缆适用环境温度的不同，分为耐寒电缆、高温电缆等；按照电缆阻燃和耐火特性，可分为阻燃电缆、耐火电缆等；按不同结构，又可分为屏蔽电缆、非屏蔽电缆，以及铠装电缆等。

3 仪表信号电缆的结构和规格

仪表信号电缆的典型结构是在金属导体外包裹绝缘材料，形成绝缘层，然后两根或三根包覆绝缘层的导线绞合，形成线对或线组，线对或线组外再包覆屏蔽层或不带屏蔽层，添加填充织物成缆，成缆后根据需要包覆总屏蔽层，然后由里向外依次是内护套、铠装层(非铠装电缆无铠装层)、外护套。

针对不同应用，仪表信号电缆结构会有所不同。典型结构图见图1、图2。

图1 多线对结构

图2 多线组结构

3.1 导体

仪表信号电缆的导体是传输仪表信号的载体，是电缆主要组成部分。按照《电缆的导体》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004[5]的定义，导体分为四种：①实心导体；②绞合导体；③软导体；④比③更软的导体。

仪表信号电缆通常选用 “软导体”，软导体的结构应由不镀金属或镀金属的退火铜线构成。对于常用的1.0mm2、1.5mm2、2.5mm2标称截面积的仪表信号电缆，其导体内最大单线直径有限制要求。以1.0mm2标称截面积导体为例，导体内最大单线直径不得大于0.21mm，即对组成导体的铜线(丝)数量有限制。

《仪表配管配线设计规范》HG/T 20512-2014[6]和《石油化工仪表管道线路设计规范》SH/T 3109-2016[7]中，要求仪表信号电缆采用软电缆。

3.2 绝缘层

仪表信号电缆绝缘层材质应根据耐压等级及环境条件进行选择。按照BS EN 50288-7：2005第4.2条的规定，绝缘材料应从表1中选择。

表1 仪表信号电缆绝缘材料

需要注意的是：不同的绝缘材料，其可以应用的温度在相应标准中都有限制。比如对于聚氯乙烯绝缘材料，允许的最高额定温度不超过90℃，短时可到105℃；在低温环境下，该材料易脆裂，不宜用做低温条件下的电缆绝缘和护套材料。

《仪表配管配线设计规范》HG/T 20512-2014和《石油化工仪表管道线路设计规范》SH/T 3109-2016中建议的电缆绝缘材料为聚氯乙烯或聚乙烯，但在一些特殊的应用场合，类似硅橡胶、氟塑料、聚全氟乙丙烯等新型绝缘材料也可供选择。

3.3 屏蔽层

仪表信号电缆的屏蔽分为分屏蔽和总屏蔽，分屏蔽指单线对或单线组外的屏蔽层，总屏蔽指多线对或线组成缆后外部包裹的屏蔽层。屏蔽层的作用是抑制干扰，常见的屏蔽形式有铝/塑复合带绕包屏蔽带排流铜线、铜/塑复合带绕包或铜带绕包屏蔽带排流铜线、裸铜或镀锡铜丝编织屏蔽。每种屏蔽形式可单独使用，也可复合使用[8]。仪表信号电缆的分屏蔽应在控制室或现场机柜室一侧单端进行工作接地，总屏蔽层应在两端进行保护接地。

对于4～20mA DC或1～5V(DC)模拟量信号电缆，宜选用总屏蔽，当信号电缆经过高强度交变磁场时，应采用对绞线芯；对于开关量信号电缆，宜选用总屏蔽；对于热电偶、热电阻或脉冲量信号电缆，宜选用分屏蔽加总屏蔽。

3.4 内护套

仪表信号电缆内护套通常指位于总屏蔽层与铠装层之间的保护层，按照BS EN50288-7：2005第4.12条的规定，内护套的材质应是聚氯乙烯、聚乙烯或无卤阻燃化合物的其中一种，如果电缆线芯使用无卤化合物绝缘，则内护套材质也应该是无卤化合物。

3.5 铠装层

电缆铠装层的作用是提高电缆抗拉强度和抗压强度，并能有效保护电缆免受外部机械损伤。仪表电缆常用的铠装形式有钢丝铠装和钢带铠装两种。钢带铠装能够有效增加电缆的抗压强度，通常应用在电缆直埋地下的情况；钢丝铠装电缆具有较强的抗拉性能，可以应用在多种场合。

按照《石油化工仪表接地设计规范》SH/T 3081-2019第4.4条的规定，金属铠装层应在两端进行保护接地。

3.6 外护套

外护套位于仪表信号电缆的最外层，是保护电缆免受机械损伤和腐蚀的保护层。外护套的材质应满足应用环境的要求。BS EN50288-7：2005中同样对电缆外护套材质作了规定。

应用于本质安全回路的本安电缆外护套颜色应为蓝色，其他用途的仪表信号电缆外护套颜色可根据《电线电缆识别标志方法 第2部分标准颜色》GB/T 6995.2-2008[10]进行选择。

4 线芯截面积选择

仪表信号电缆的线芯截面积应满足检测、控制回路对信号传输等功能性要求。线芯截面积应根据线路压降、本安参数符合性计算后确定；其最小线芯截面积不应小于0.5mm2。

除本质安全系统电路外，在爆炸危险区内穿保护钢管敷设的仪表信号电缆在1区时的最小线芯截面积不应小于2.5mm2，在2区时不应小于1.5mm2；若采用多芯电缆，其线芯截面积应≥1.0mm2。

除本质安全系统电路外，在爆炸危险区内电缆明设或电缆沟内敷设时的最小线芯截面积应≥1.0mm2。

5 主要相关标准规范

对于仪表信号电缆，相关标准规范较多，本文只列出主要的标准规范供参阅：

一般看来，任何一个应用系统，接受命令之后停顿的时间在3秒以上，该系统的开发就被认为是失败的。因为任何用户在使用过程中，如果等待命令执行的时间过长，其对系统的认可度就大大降低。在系统的开发过程中，必须要求程序员使用更简洁的开发语言，降低服务器运行及网络传输的不必要负荷，提高系统运行效率。

①《电工术语 电缆》GB/T 2900.10-2013；②《电力工程电缆设计标准》GB 50217-2018；③《电缆的导体》GB/T 3956-2008/IEC 60228:2004；④《电线电缆识别标志方法》GB/T 6995-2008；⑤《电缆绝缘和护套材料通用实验方法》GB/T 2951-2008；⑥《电线电缆性能试验方法》GB/T 3048-2007；⑦《阻燃和耐火电线电缆或光缆通则》GB/T 19666-2019；⑧《电线电缆交货盘第1部分：一般规定》JB/T 8137.1-2013；⑨《国家电线电缆质量监督检验中心技术规范 计算机及仪表电缆》TICW/06-2009；⑩《仪表配管配线设计规范》HG/T 20512-2014；《石油化工仪表管道线路设计规范》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)(该标准可供参考)。

6 仪表信号电缆的敷设要求

要保证化工装置自控系统仪表信号电缆达到预期性能目标，除了正确设计仪表信号电缆选型外，还必须正确地敷设安装仪表信号电缆。

仪表信号电缆敷设时应避开热源、潮湿、振动源及电磁干扰，不应敷设在影响操作、妨碍设备维修的位置。

仪表信号电缆不应敷设在高温工艺管道、蒸汽管道和设备的上方，或有腐蚀性液体的工艺管道和设备的下方。

不同电压等级及频率特性的信号，不应共用一根多芯电缆；本安和非本安信号不应共用同一根多芯电缆。

仪表信号电缆与电力电缆交叉敷设时，宜成直角跨越；与电力电缆平行敷设时，两者之间的最小允许距离应符合《仪表配管配线设计规范》HG/T 20512-2014的要求。

仪表信号电缆应敷设在电缆桥架内或穿金属管保护。

仪表信号电缆敷设时应在电缆允许环境温度下敷设，避免电缆受损。

7 注意事项

(1)在化工装置工程设计中，应尽量减少仪表信号电缆的类型和规格，增加电缆通用性以节约成本。

(2) 在仪表信号电缆请购文件技术要求中,应明确电缆检验、试验遵循的技术标准。

(3)由于当前市场上，铝/塑复合带绕包屏蔽、铜/塑复合带绕包或铜带绕包屏蔽与裸铜或镀锡铜丝编织屏蔽的价差较大，需综合考虑成本等因素合理选择屏蔽形式。

(4)导体镀锡是为了提高耐腐蚀性和抗氧化性，增加电缆使用寿命，但成本也会相应上升，在选择导体镀锡与否的时候，也应综合考虑成本问题。

(5)从控制系统送往电气马达控制中心控制泵电机启停的信号电缆，应重点关注电压等级和绝缘强度，并与马达控制中心送出的泵状态信号电缆分开设置。

8 结语

本文主要介绍了化工装置中仪表信号电缆的类型、仪表信号电缆的典型结构、相关标准规范和电缆敷设要求，并结合实际工程应用经验，总结了仪表信号电缆设计选型时的一些注意事项，供读者参考。