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本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜的研制

文檔作者：肖云濤，林磊文檔來源：江蘇亨通電力電纜有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年02月22日
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2010年第1期
No．1 2O10
電線電纜
Electric W ire＆ Cable
2010年2月
Feb．，2010
本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜的研制
肖云濤， 林 磊
(江蘇亨通電力電纜有限公司，江蘇吳江215234)
摘要：在石化、礦山、煤氣工程等有易爆危險的場所，通常要求使用本質(zhì)安全系統(tǒng)電纜。介紹了本質(zhì)安全系統(tǒng)
儀表電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計、屏蔽抑制系數(shù)試驗方法和產(chǎn)品性能。并建議盡快制定此類電纜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市場，指
導(dǎo)市場發(fā)展。
關(guān)鍵詞：本質(zhì)安全系統(tǒng)；儀表電纜；結(jié)構(gòu)；性能
中圖分類號：TM246．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—6901(2010)Ol-0008-03
Design and Development of Instrum entation Cable
f0r Intrinsically Safe System
XIA0 Y1111一tao．et al
(Jiangsu Hengtong Power Cable Co．．Ltd．，Wujiang 215234，China)
Abstract：It is required to use instrumentation cable for intrinsically safety system in the explosive hazardous places，
such as petrochemical，mining and gas projects．This paper presents the design and development of instrumentation
cable for intrinsically safety system ，the test method for shielding inhibition coefficient and the main properties of the
product．It also proposes preparation of the standard as SnOB as possible of this kind of cable SO as to standardize the
market and guide its development．
Key words：intrinsically safe system ；instrumentation cable；construction；property
O 引 言
從20世紀(jì)60年代開始，大型建設(shè)工程的自動
化控制系統(tǒng)通常都采用了控制電纜和儀表信號電纜
作為信號傳輸?shù)木€路。隨著自動控制和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)
技術(shù)的發(fā)展，該類電纜已被廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
在石化、礦山、煤氣工程等含有易爆危險的場
所，通常對電纜提出了“防爆”的要求。由于電火花
和熱效應(yīng)是引發(fā)易爆氣體爆炸的主要根源，而從系
統(tǒng)布線角度考慮，由于電纜是由許多分布電容、電感
等分布元件所組成，使其相應(yīng)地成為儲能元件，因此
在信號傳輸過程中不可避免地存儲一定的能量。一
旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這些儲能就會以電火花或熱效應(yīng)
的形式釋放出來，影響系統(tǒng)的安全性。因此，要求電
纜具有低電容和低電感，電纜本身所帶的電荷要少，
不易產(chǎn)生電火花；其次，要求電纜具有良好的屏蔽性
能，具有優(yōu)良的抗外電磁場干擾及不產(chǎn)生對外的干
擾。這就要求電纜具有“本質(zhì)安全”特性。
本質(zhì)安全技術(shù)是一種低功率設(shè)計技術(shù)。針對電
收稿日期：2009-05．20
作者簡介：肖云濤(1983一)，男，助理l丁程師
作者地址：江蘇吳江市七都工業(yè)區(qū)[215234]
火花和熱效應(yīng)是引發(fā)易爆氣體爆炸的主要根源，本
質(zhì)安全技術(shù)從限制能量人手，通過限制系統(tǒng)產(chǎn)生的
電火花和熱效應(yīng)這兩個可能的引爆源頭來防爆。在
正常工作和故障狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的電火花或熱
效應(yīng)的能量小于一定程度時，系統(tǒng)就不可能點燃易
爆氣體而產(chǎn)生爆炸，因此，本質(zhì)安全技術(shù)是可靠、安
全的防爆技術(shù)。本質(zhì)安全技術(shù)能很好地適用于工業(yè)
自動化儀表控制系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)及可編程控制
器等系統(tǒng)。
在規(guī)定條件(包括正常工作和規(guī)定的故障條
件)下產(chǎn)生的任何電火花或任何熱效應(yīng)均不能點燃
規(guī)定的爆炸性氣體環(huán)境的電路，稱為本質(zhì)安全電路；
應(yīng)用于本質(zhì)安全電路的電纜即為本質(zhì)安全系統(tǒng)電
纜。本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜應(yīng)具有低電容和低電
感，并具有良好的屏蔽性能和抗干擾性能，防爆性能
優(yōu)于一般的普通型控制電纜和計算機(jī)電纜。
目前，國內(nèi)和行業(yè)還沒有本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電
纜的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。參照英國標(biāo)準(zhǔn)BS 5308《儀表電
纜》、YD／T 1019(數(shù)字通信用實心聚烯烴絕緣水平
對絞電纜》、GB 9330《塑料絕緣控制電纜》和GB
5023《額定電壓450／750 V及以下聚氯乙烯絕緣電
線電纜》，并結(jié)合本質(zhì)安全系統(tǒng)的特點，設(shè)計了本質(zhì)
安全系統(tǒng)儀表電纜。
2010年第1期
NO．1 201O
電線電纜
Electric W ire＆ Cable
20lO年2月
Feb．。2010
1 電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計
電纜的結(jié)構(gòu)元件包括導(dǎo)體、絕緣、成纜元件、分／
總屏蔽、內(nèi)襯層、鎧裝和護(hù)套，其中，內(nèi)襯層和鎧裝是
可選結(jié)構(gòu)元件。典型的本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜結(jié)構(gòu)
見圖1，各結(jié)構(gòu)元件的絹成分述如下：
圖1 本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜的結(jié)構(gòu)
1一導(dǎo)體 2一絕緣 3一色帶 4一聚酯帶 5一對絞線對
6一分屏蔽7一包帶8一引流線 9一總屏蔽 lO一護(hù)套
(1)導(dǎo)體。本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜是傳輸弱電
系統(tǒng)控制、模擬的電流信號。由于傳輸較大電流信
號，因此導(dǎo)體截面比通信電纜大，一般與普通型控制
電纜相同，較常用的導(dǎo)體截面為0．75、1．0、1．5、2．5
m m
。
。按照不同的使用條件要求，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可選用
符合標(biāo)準(zhǔn)GB／T 3956規(guī)定的第l、2種或第5種結(jié)
構(gòu)。
(2)絕緣。儀表電纜常用的絕緣材料有聚乙烯
(PE)、交聯(lián)聚乙烯(XLPE)等。聚乙烯和交聯(lián)聚乙
烯的工作溫度分別為70。C和90。C，介質(zhì)損耗和介
電常數(shù)小，并且電氣性能優(yōu)異，機(jī)械性能、耐熱等級
和防腐能力等方面均有優(yōu)越性。交聯(lián)聚乙烯絕緣電
纜綜合性能好，但因規(guī)格較小，行業(yè)內(nèi)一直以來普遍
存在因硅烷交聯(lián)加工后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力而導(dǎo)致熱延伸
指標(biāo)難以通過的問題。經(jīng)過大量驗證，可通過導(dǎo)體
預(yù)熱、分段浸水逐漸冷卻，或采用硅烷自然交聯(lián)料輔
以溫水或蒸汽交聯(lián)，以保證熱延伸指標(biāo)達(dá)到要求。
(3)對絞線對。由于儀表電纜傳輸?shù)男盘柵c通
信電纜相同，均是弱電高頻信號，所以儀表電纜的絕
緣線芯結(jié)構(gòu)都采用與對稱通信電纜相同的對絞(或
對稱)結(jié)構(gòu)，即由一對不同色標(biāo)的絕緣線芯通過對
絞機(jī)絞合而成。由于對絞線對組成的回路具有交叉
換位效應(yīng)，可使回路中干擾電流相互抵消或減小，但
交叉節(jié)距要有一定的配合，當(dāng)交叉節(jié)距小一些，則交
叉效果更好 j。因此，在對絞過程中，要嚴(yán)格控制
對絞節(jié)距，并且要保證相鄰線對的節(jié)距各不相同以
及無偶數(shù)位關(guān)系，以防止回路相互干擾。
對絞線對通常采用數(shù)字或色帶標(biāo)志來識別，然
后在其表面繞包非吸濕性包帶扎緊。
(4)屏蔽。通常該電纜均采用屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽
結(jié)構(gòu)有分屏蔽、總屏蔽和分屏蔽加總屏蔽等三種。
屏蔽采用0．05～0．1 rnln的鋁塑復(fù)合帶重疊繞包或
縱包的方式。鋁塑復(fù)合帶由以塑料薄膜為基材，單
面或雙面涂覆鋁粉而制成，包覆時，鋁面向內(nèi)。為了
保證屏蔽的電氣連續(xù)性，并且方便安裝接地，屏蔽層
內(nèi)放置一根銅絲作引流線，引流線截面不小于0．2
rnm 。鋁塑復(fù)合帶屏蔽的電纜，外徑小、重量輕、較
柔軟、防潮，屏蔽效果好。
(5)成纜元件。成纜元件(纜芯)由各對絞線
對或分屏蔽對絞線對絞合而成。對絞線對數(shù)可以為
1～61，優(yōu)先推薦的線對個數(shù)與普通型控制電纜相
同。纜芯間隙可以采用非吸濕性材料填充，以使外
觀圓整。填充材料應(yīng)與電纜的工作溫度相一致，并
且應(yīng)與接觸物相容。纜芯外繞包一層或多層包帶扎
緊，防止敷設(shè)過程中纜芯松散。有阻燃要求的電纜
應(yīng)采用阻燃材料填充，且阻燃包帶繞包扎緊。
(6)鎧裝。鎧裝可以采用雙鋼帶螺旋狀間隙繞
包方式，也可以采用鋼絲編織方式，鎧裝層下要有內(nèi)
襯層。由于涂漆鋼帶有毒，鎧裝鋼帶應(yīng)采用鍍鋅鋼
帶，經(jīng)鋼帶鎧裝后電纜能承受較大的徑向壓力；而鋼
絲編織鎧裝的電纜能承受較大的縱向拉力，且較柔
軟，但加工效率低，成本高。如果電纜有鎧裝結(jié)構(gòu)，
則因鋼鋁(屏蔽層)組合結(jié)構(gòu)，電纜抗干擾的屏蔽效
果更好。
(7)護(hù)套。護(hù)套應(yīng)采用聚氯乙烯或聚烯烴。無
鹵阻燃本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜應(yīng)采用無鹵低煙阻燃
聚烯烴。按照本質(zhì)安全系統(tǒng)的要求，護(hù)套的顏色為
藍(lán)色，以便與非本質(zhì)安全系統(tǒng)用電纜區(qū)別。
2 屏蔽抑制系數(shù)試驗
在成品電纜性能指標(biāo)中，除屏蔽性能試驗外，相
關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均有明確的試驗方法，這里不再贅述。
屏蔽性能是屏蔽體在產(chǎn)品工作時保護(hù)其不受外
界電磁場的干擾、同時限制產(chǎn)品中的電磁場不對外
界的電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾的能力。在評定電纜的屏蔽
性能時常用屏蔽抑制系數(shù)R來表示。上海電纜研
究所通過模擬試驗來測定屏蔽抑制系數(shù)R，試驗和
原理方法如下。
2．1 試驗依據(jù)
模擬開關(guān)設(shè)備操作過程所產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓，
對本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜(本試驗中簡稱電纜)的
屏蔽性能進(jìn)行評定試驗。
2010年第1期
No．1 2010
電線電纜
Electric W ire＆ Cable
2010年2月
Feb．，2010
2．2 試驗原理和測量儀器
試驗原理線路如圖2所示，測量儀器有脈沖峰
值電壓表、記憶示波器。
圖2 屏蔽抑制系數(shù)試驗原理／下意圖
R 一移動調(diào)壓器H 一高壓變壓器D一高壓整流器R 一充電電阻
c一高壓脈沖電容器Sc一導(dǎo)火球隙R。一放電電阻
S一支柱瓷套H 一高壓導(dǎo)線T。一被試電纜
2．3 試驗方法
試驗應(yīng)包括兩根電纜樣品：一根為有屏蔽被試
電纜樣品，另一根為相同結(jié)構(gòu)的無屏蔽對比電纜樣
品。
將高壓導(dǎo)線水平放置在絕緣支柱上，模擬高壓
變電站的高壓母線(暫態(tài)高壓源)，在高壓導(dǎo)線的正
下方，沿地坪水平放置電纜樣品，與高壓母線耦合長
度約20 m。樣品一端浮空，另一端直線引至控制室
內(nèi)。電纜樣品的任一線芯在控制室內(nèi)接至測量儀器
的輸入端。對有屏蔽層的電纜樣品，利用短引接線
將屏蔽層接至測量儀器的接地端并接地，對無屏蔽
層的對比電纜樣品，僅測量任一線芯對地的電壓。
當(dāng)暫態(tài)高壓源通過導(dǎo)火球隙放電而施加至高壓導(dǎo)線
時，儀器自動記錄電纜樣品線芯上所耦合的暫態(tài)電
壓值。
在暫態(tài)高壓源為同一電壓值下，分別記錄測試
電纜樣品線芯所耦合的暫態(tài)電壓值Up(取30個數(shù)
值的平均值)，和無屏蔽對比電纜樣品線芯所耦合
的暫態(tài)電壓值 (取30個數(shù)值的平均值)。
在試驗過程中，應(yīng)保證導(dǎo)火球隙放電電壓不超
過待測電纜最高試驗電壓。
2．4 試驗結(jié)果評估
以無屏蔽對比電纜樣品電纜線芯所耦合的暫態(tài)
電壓值為基準(zhǔn)，按下式計算電纜的屏蔽抑制系數(shù)R：
R = ／U。
式中， 。為被測試電纜樣品，電纜線芯所耦合的暫
態(tài)電壓值(V)；U。為無屏蔽對比電纜樣品，電纜線
芯所耦合的暫態(tài)電壓值(V)。
3 產(chǎn)品性能
我公司試制了銅芯聚乙烯絕緣鋁塑復(fù)合帶分屏
· 10 ·
蔽及總屏蔽本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜300／500V 7×2
×1．5 mm ，并委托國家電線電纜質(zhì)量監(jiān)督檢測中
心進(jìn)行檢驗，產(chǎn)品的性能指標(biāo)符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主
要的電性能見表l。
表1 銅芯聚乙烯絕緣鋁塑復(fù)合帶分屏蔽及總屏蔽本質(zhì)
安全系統(tǒng)儀表電纜的主要電性能
檢測結(jié)果
檢驗項目 技術(shù)要求
紅 白
導(dǎo)體直流電阻(20。C)／(n／km) ≤l2．1 11．4 l1．3
成品交流耐壓試驗
2500 V／5 min 芯一芯 不擊穿 未擊穿
芯-屏 不擊穿 未擊穿 未擊穿
絕緣電阻(20。c)／(Mn ·km) ≥5 000 2l7 00o l96 300
線對1 線對2
工作電容(1 kHz)／(nF／km) ≤80 68 67
電容不平衡(1 kHz)／(pF／250 m) ≤250 O 0
分布電感(1 kHz)／( H／m) ≤O．5 0．5 0．5
電感電阻比／( H／Q) ≤40 28 28
屏蔽抑制系數(shù) ≤O．1 O．Ol
4 結(jié)束語
在石化、電力、冶金、礦山等部門各類工程的工
業(yè)自動化儀表控制系統(tǒng)(ICS)、集散控制系統(tǒng)
(DCS)及可編程控制器(PLC)等系統(tǒng)的本質(zhì)安全防
爆系統(tǒng)中，本質(zhì)安全系統(tǒng)儀表電纜作電子計算機(jī)、工
業(yè)自動化儀表、傳感器及執(zhí)行結(jié)構(gòu)之間的連接線，傳
輸檢測、控制、報警、聯(lián)鎖等模擬和數(shù)字信號，有著巨
大的需求量。但是目前還沒有這類產(chǎn)品的產(chǎn)品標(biāo)
準(zhǔn)，各企業(yè)開發(fā)的產(chǎn)品，型號、名稱、技術(shù)指標(biāo)、性能
差異較大，急需制定國家或行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市
場，指導(dǎo)市場發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
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