1、儀表信號電纜選型規范
電纜選型需要根據項目合同，確定需要遵循的標準。國外項目電纜選型遵循的標準規范主要有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。國內行業標準主要有SH/T3019-2016《石油化工儀表管道線路設計規范》和HG/T20512-2014《儀表配管配線設計規范》，一些大型企業還有自己的標準，需要綜合起來進行電纜選型。PIP ELSWC05D Datasheet for 300 volt instrumentation tray cable給出了電纜數據單模板，可以作為電纜采購的設計輸入。
2、儀表信號電纜結構
典型儀表信號電纜結構如圖1所示。金屬導體外面包絕緣層，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，再往外依次是內護套、鎧裝層，外護套。
圖1 儀表信號電纜結構示意
根據項目要求，電纜結構會有所差異。例如：有的項目不要求通信線和撕裂繩，就可以去掉，節省成本。
2.1 導體
導體是電纜最重要的組成部分，導體的材質和結構參數直接影響電纜的信號傳遞性能和成本。國內外標準對導體的要求如下：
①SH/T3019-2016和HG/T20512-2014要求信號電纜是多股銅芯軟電纜。
②UL2250規定儀表信號電纜導體應該是退火軟銅導體，符合ASTM B3 Standard specification for soft or annealed copper wire，導體應該是連續不間斷的。
③SH/T3019-2016規定：信號電纜經過高強度交變磁場時，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對電纜絞合節距有一定要求。絞合節距是指沿著絞線軸向方向旋轉1周所前進的距離，和導體截面積有關系。EN 50288-7規定：當導體截面積小于1.5mm2時，絞合節距不應超過100mm；當導體截面積為2.5mm2時，絞合節距不應超過150mm。UL 2250規定：對于兩芯電纜，絞合節距不應超過30倍線芯直徑；三芯電纜，絞合節距不應超過35倍線芯直徑；四芯電纜，絞合節距不應超過40倍線芯直徑；超過五芯電纜，絞合節距不應超過15倍電纜直徑。絞合節距與導體直徑的比值可定義為節距比，節距比是電纜的重要參數之一，它的大小同電纜質量有重要關系。節距比大，絞合不緊密，制造和使用過程中容易松股；節距比小，絞線比較柔軟，絞合緊密，但此時絞線單位質量增大，材料消耗大，電纜導電率降低。
b)信號電纜的線芯截面積取決于多個因素。截面積過小，信號衰減嚴重，導致現場儀表不能正常工作或者控制系統檢測不到穩定信號；截面積過大，則會增大材料費和施工成本。
SH/T3019-2016規定儀表信號電纜的線芯截面積不應小于0.5mm2；HG/T20512-2014規定儀表信號電纜的線芯截面積不應小于0.75mm2。這兩個標準同時規定在一般場合或者2區防爆場合，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，其線芯截面可適當縮小為0.75-1.50 mm2。EN 50288-7規定線芯截面積為0.5-2.5mm2，當電纜較長導致高電阻時候，可以選用更粗的電纜。UL 2250規定線芯截面積規格為22-12AWG，最終線徑選擇需要考慮電流負荷和壓降需求。
2.2 絕緣層
SH/T3019-2016和HG/T20512-2014規定電纜絕緣層為聚乙烯，聚乙烯在機械強度、電氣參數、防腐能力等方面具有一定的優越性，是一種優選的絕緣材料。
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。EN 50288-7給出了不同導體尺寸下對應的任意點絕緣層最小厚度，見表1所列。
表1 線芯面積對應的絕緣層最小厚度 mm
UL 2250給出了20多種絕緣材料，常見的幾種材料以及對應的溫度等級見表2所列。
表2 絕緣材料對應的溫度等級 ℃(°F)
UL 2250也給出了表2中幾種絕緣材料在不同規格下對應的絕緣層最小厚度，見表3所列。
表3 線芯規格對應的絕緣層最小厚度 mm
電纜絕緣層的最小厚度，是保障電纜可能經受過電壓作用下可靠運行的基礎。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，需要按照規范，選擇合適的絕緣層厚度。
2.3 屏蔽層
當1根導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規定：開關量信號宜用總屏蔽；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，要求最小填充系數為0.6；箔加普通或鍍金屬編織帶，要求最小填充系數為0.3，當用該類型屏蔽時，最好加接引線，接引線應該是實心或者成股，材質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%覆蓋導體，對導體完全隔離，接引線與箔的金屬側始終保持連接。
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，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。
上述規范并沒有指出具體選擇哪種屏蔽層材質和形式，需要按照項目合同，與業主和電纜廠家協商確定。
2.4 鎧裝層
電纜在鋪設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：光滑的金屬護套，材質是銅質量分數不大于0.4%的鋁合金，鋁合金鎧裝層的最小厚度要求見表4所列；焊接波紋金屬護套，材質是銅質量分數不大于0.4%的鋁合金或者銅合金，厚度要求不小于0.56mm；擠壓波紋金屬護套，材質是銅質量分數不大于0.4%的鋁合金，厚度要求不小于0.56mm；鏈接鎧裝，材質為鍍鋅鋼或銅質量分數不大于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關系 mm
表5 鏈接鎧裝層最小厚度與層下線徑的對應關系 mm
電纜是否帶鎧裝層，取決于項目要求，如電纜已經在橋架或者穿管內保護好，可以不用鎧裝電纜。
2.5 護套
由于儀表電纜的應用場合可能是高溫、低溫、高輻射或潮濕等各種環境，所以要求電纜護套應該具有阻燃，抵抗陽光、油、水分、蒸汽滲透等功能。
①SH/T3019-2016和HG/T 20512—2014規定電纜護套為聚氯乙烯。其特點為耐用、柔軟、耐環境污染和高溫。
②EN50288-7要求外護套材料應該適合操作溫度，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。外護套的厚度應該盡量均勻，主要取決于電纜外徑。當沒有鎧裝層時，外護套的厚度SRt=0.028D+1.1(mm)，D是電纜直徑，任意點的最小厚度不應小于(正常厚度×15%+0.1)mm，最小平均厚度不應小于正常厚度。當有鎧裝層時，外護套的厚度SRt=0.04D+0.7(mm)，任意點的最小厚度不應小于(正常厚度×20%+0.2)mm。可以看出，護套的厚度取決于電纜直徑。
③UL 2250給出了20多種護套材料以及對應的溫度等級，常見的幾種見表6所列。
表6 電纜護套材料及對應的溫度等級 ℃(°F)
如果電纜絕緣層溫度等級為60-105℃，護套材料溫度等級不應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℃，護套溫度等級與絕緣層溫度等級關系沒有明確，但是電纜溫度等級應該等于護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中幾種護套材質在不同導體尺寸下對應的護套最小厚度，見表7所列，任意點最小電纜護套厚度不應小于最小護套平均厚度的80%。
表7 電纜護套最小厚度與護套下線徑的對應關系 mm
當電纜有鎧裝層時，鎧裝層外面需要有外護套，其他情況可不含外護套。如果外護套是含氟聚合物，護套厚度同表7；如果是不含氟聚合物護套，護套厚度應該滿足表8所列。
表8 鎧裝電纜外護套最小厚度與護套下線徑的對應關系 mm
本文介紹了在國內外項目中儀表信號電纜選型的參照標準。將有關儀表信號電纜選型的歐標、美標與國內的石化、化工行標進行了對比分析。國外標準與國內標準有很多的相似之處，相比之下，國外規范的要求更詳細一些。設計人員應該熟練掌握相應的設計規范，只有這樣才能保證設計質量，節省項目成本。
作者：劉克
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