陈罗静
（大庆石化工程有限公司，黑龙江大庆 163714）
仪表电缆是化工自动仪表中用于传输信号的数据线缆，凡是应用化工仪表的地方都离不开仪表电缆。随着化工行业的不断发展，生产自动化程度越来越高，要求仪表电缆具有更高的可靠性与安全性，必须科学合理地选择仪表电缆。在电缆导体、绝缘、电缆测试等方面，国际电工委员会（IEC）颁布的标准均有相关的规定，但是在IEC 标准体系中，对仪表电缆却无针对性的要求。很长一段时间内，我国也没有出台明确的仪表电缆标准，企业在制造仪表电缆产品时所依照的标准多为行业标准，这不利于统一仪表电缆的质量和标准。为了解决这一问题，国家相关部门于2009 年发布了TICW/06—2009《计算机与仪表电缆》。本文结合仪表电缆的国内外标准，在详细分析国内外相关标准的基础上，对常用仪表电缆的结构和性能指标进行梳理。
为了有效适应化工生产的要求，设计阶段仪表电缆选型应按照下列流程进行。
（1）明确化工生产实用标准。按照项目条款要求，科学确定仪表电缆标准，确定的标准要以国际、国家、行业标准作为优先选择，可以在这些标准的基础上，按照项目要求进行适当修改，但不得与上述标准发生冲突。
（2）明确电缆的工作环境。电缆的工作环境对电缆产生决定性的影响，外部环境的温度、腐蚀性、电磁环境、防爆要求、辐射要求等对电缆的使用至关重要，在不同环境中，电缆的电芯材料、绝缘材料、屏蔽、铺设方案都会有所不同。
（3）明确电缆的设计需求。在设计要求中对上述环境有明确的说明，要依据这些说明，合理选择电缆的型号。
（4）明确电缆的合格标准。电缆测试按照合格标准为依据，制造和出厂环节都要以合格标准为准绳。
仪表电缆承受的最高电压不超过500 V，电缆线径在7～30 mm。用于弱电信号传输的电缆，需要具备良好的抑制干扰的能力，以保障信号传输准确。在不同使用环境中，对电缆的性能提出了不同的要求，决定电缆性能的因素主要有内部导体、绝缘材料、屏蔽方式、护套类型、铠装结构等（图1）。
2.1 电缆导体
根据国际与我国标准对电缆的规定，将电缆分为4 种类别，能够用于化工仪表电缆的主要有实心导体和绞合导体。实心导体较硬，绞合导体的柔韧性更高，一般用于接线和振动的场合。
电缆的导电芯材截面积主要与工作电压绝缘等级有关，大多数仪表电缆中传输的为弱电，温升和电压的影响较小，这时可根据机械强度和传输质量确定导电芯材截面积。大多数芯材截面积为0.75～2.50 mm2。例如美国确定化工仪表电缆芯材截面积采用下列公式计算。
式中 An——线规号n 对应的芯材截面积，mm2
n——美国电缆标准中电缆的规格型号
表1 为铜芯材的常用尺寸数据。
表1 钢芯电缆规格
铜作为优良导电体，历来被用作仪表电缆芯材的首选材料，但冷加工成型的铜线的电阻率会上升，硬度和强度增加，塑性降低。为了防止铜线的电阻增加、塑性下降，冷加工后的铜线经常需要退火处理。在实际使用过程中，铜的导电性随温度升高而降低，其电阻与温度呈一定的比例关系，见式（2）。
式中 Rt——铜的电阻值，Ω/km
R20——铜在20 ℃时的电阻值，Ω/km
α——20 ℃时导体电阻温度系数，℃-1
t——铜线的实际工作温度，℃
国际与国家标准都允许电芯表面涂镀金属层，一般可选择锡、银、镍作为镀层材料，作用是阻止电缆新材与空气中的氧发生化学反应。铜线表面镀锡后，可在150 ℃下保持良好的化学稳定性。镀锡还能提高铜线的焊接性能，但锡的导电性远远低于铜，因此镀锡会增加铜线的电阻。
2.2 绝缘层
绝缘层的主要作用是保障电缆不与周围环境发生电流联通，用来制作绝缘层的材料有很多种，一般根据使用温度、防火要求和环保要求来确定，国际和国家标准中都对绝缘层有明确规定。仪表电缆绝缘层经常使用在化工装置中，仪表电缆的绝缘材质常用聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）等。
（1）聚氯乙烯价格低廉，工艺性好，在与其他添加剂混合后能得到耐高温、阻燃、耐腐蚀性优良的绝缘材料，被广泛用于制作仪表电缆绝缘层。其稳定工作温度为70 ℃，瞬时耐热温度达到160 ℃。在添加了相应的耐热性增塑剂后，导体长期允许工作温度可达90 ℃。但这种绝缘材料耐低温性能较差，遇低温后会变硬、变脆，工作温度不得低于-15 ℃。聚氯乙烯燃烧后会释放有毒物质，要求无烟、无毒的场合不适合使用，这时应选择无烟、无毒的化合材料。
（2）聚乙烯的绝缘性能要优于聚氯乙烯，相同绝缘等级下可以采用更薄的厚度，并且耐低温性能也优于聚氯乙烯。但聚乙烯的硬度较大，易燃烧和融化，耐热等级只有70 ℃和80 ℃两个级别。
绝缘层的厚度取决于电压值和绝缘材料的本身特性，进行绝缘材料厚度设计时要依据相关标准，在绝缘层外标注仪表电缆型号识别标识。
2.3 对绞和屏蔽
化工生产环境复杂，电磁环境差，仪表电缆既受到外界的电磁干扰，也会成为干扰源，需要对仪表电缆进行屏蔽。常见的屏蔽形式是对绞，两根导线相互缠绕，起到抵抗外界干扰的作用。对绞线的抗干扰能力取决于对绞间距的大小，仪表电缆芯材截面积不大于1.5 mm2时，对绞间距不得超过100 mm；
芯材截面积为2.5 mm2时，对绞间距不得超过150 mm。
除对绞以外，仪表电缆还经常使用屏蔽层阻挡外界干扰，并通过屏蔽层接地将干扰信号传至地下。屏蔽层又分为分屏和总屏，分屏是对电缆中导线进行屏蔽，总屏是对整个电缆进行屏蔽。化工仪表电缆中常采用两种屏蔽方式混合，以提高电缆的抗干扰能力。屏蔽层的结构有金属箔屏蔽和金属网屏蔽两种，根据屏蔽要求和制造成本选择最合适的屏蔽结构。金属箔为铜/铝塑复合带，以缠绕的方式对导线进行100%的包裹，并在排线侧接地，能起到很好的屏蔽效果。金属网由裸铜线或镀锡铜线编织而成，屏蔽效果优于金属箔，但制造成本高昂。
2.4 护套
护套的作用是保护电缆不受外界环境的侵蚀，隔绝外界的高温高压、湿度、腐蚀对电缆的破坏作用。护套也是标识电缆主要指标的重要手段。当存在铠装层时，护套可以保护电缆免受铠装部件损伤。此外，一些特种护套还具有防火、耐油等特殊作用，可以根据电缆的使用环境科学选择。
护套材料的选择受温度、压力、腐蚀和环保等多方面因素的影响，只有根据使用要求合理选择，才能起到防护效果。常见的仪表电缆护套有聚氯乙烯和无卤阻燃材料（HFFR）等。护套外侧则印刷着电缆的主要指标和参数，印刷工艺应该选择油墨印刷，避免机械印刷对电缆护套造成损伤，油墨印刷形成的字体具有很好的耐磨性。护套颜色是电缆类型的重要标识，根据相关技术标准要求，化工本安回路用仪表电缆的颜色必须为浅蓝色，护套厚度和标识等详细规定可查阅相关技术手册。
2.5 铠装
铠装可以有效提高电缆的机械性能，大幅提升电缆的抗拉、抗压强度，达到提高电缆使用寿命的目的。铠装还具有一定的抗干扰能力，常见的铠装形式主要有钢丝铠、编织铠、钢带铠等，国际和国家标准中详细规定了铠装的直径、厚度和层数，铠装后的电缆直径变大，弯曲性能下降，为电缆的安装带来很多不便。为了有效避免安装过程中破坏电缆铠装，要严格按照电缆标识中的弯曲半径进行安装，保证铠装结构完整。
2.6 电气特性
仪表电缆的电气特性是指电缆的额定电压、绝缘等级、绝缘电阻、分布电容、电缆电感电阻比（L/R）等。额定电压的表达形式为U0/U。一根标识为300/500 V 的电缆是指对地电压为300 V，电缆间电压为500 V。绝缘等级是指电缆的抗击穿能力，通常以1 min 内不被击穿的最大电压作为衡量标准。绝缘电阻是指电缆绝缘层的电阻值，这与绝缘层的材料相关，电缆的制造工艺绝缘电阻也有一定的影响。分布电容是指电缆的安全特性，这一指标与电缆芯材材料的电容和电感有关，设计时应按国际和国家标准要求进行。电感电阻比（L/R）随电缆芯材截面积的变化而变化，二者成正比关系。
仪表电缆设计完成后，还要进行相关指标的检验和测试，最终作为电缆合格的标志。检验和测试内容主要有结构检查、机械性能试验、物理性能试验和电气性能试验等。这些测试内容是为了全面检查电缆性能，除确定电缆是否符合设计指标外，还要确定电缆是否符合国际和国家标准。根据使用要求的不同，电缆测试又分为型式试验、例行试验和抽样试验等。型式试验是制造商研制电缆产品时所进行的试验，一般做过一次后不再重复试验。例行测试是在不破坏电缆本体条件下，直接在所生产出的电缆上进行的试验。抽样测试是从所生产的电缆中抽样、切取试样，按照标准要求的检测程序所进行的试验。
仪表电缆测试内容中的电气性能测试是最为主要的，主要包括直流电阻、绝缘电阻和冲击电压等。电气性能测试需要使用专业的试验设备，来逐一检查各项电气指标是否符合电缆标注，设备的选用原则可参考设计手册。电缆的物理结构测试包括电缆的结构尺寸与机械性能。一些具有特殊要求的电缆，还需按照使用要求进行阻燃、耐火、耐油、耐紫外线等测试。表2 为国内外常用测试标准。
表2 国内外电缆常用测试标准
本文从电缆的标准出发，梳理了电缆的结构与性能参数，并进一步探讨了电缆的测试标准。在进行电缆设计时，技术人员应首先明确电缆的使用要求，并严格按照国际、国家和行业标准执行，只有熟练掌握电缆的性能指标要求，才能有效推动仪表电缆的技术发展。
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