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控制电缆和仪表电缆的发展空间

发布时间: 2008-11-25    点击:   文章来源:中国电线电缆网   
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  • 控制电缆和仪表电缆的发展空间 上海电缆研究所高级顾问张兆焕 一、前言
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    控制电缆和仪表电缆的发展空间

    上海电缆研究所 高级顾问 张兆焕
    一、前言
    市场经济条件下,任何行业,有可能会经历启蒙、发展、高涨、平稳、萎缩和淘汰等阶段。电缆行业总体增长一直较好,但从局部来看,某种或类产品,也会出现这些阶段,当然不同产品的各阶段时期长短不一,各电缆厂均有深刻体会。电缆行业是一门综合性科学,又是为各行各业的配套技术。只要国民经济保持稳步发展,则电线电缆工业的总产值也同步增长,而具体产品类别发展情况,会有周期性的变化,所以应当不断注意和预测与电线电缆相关的上游和下游产业的变化趋势。近期分析,由于信息、物流、交通、能源、金融和服务等产业不断扩大,管理和技术水平不断提高,为控制电缆和仪表电缆提供了发展空间。发展上述电缆,不需大量投资和车间扩建,不需新增大型设备,而且相对利润较高。
    20世纪50年代,是中国工业发展的新起点,当时控制电缆还不是主要角色。曾用过油纸绝缘控制电缆,以后又用过橡胶绝缘控制电缆。至于仪表电缆可以说是空白,安装线是仪表电缆的前身,一般常用聚氯乙烯绝缘安装线穿管敷设。大致在20世纪80年代初期,仪表电缆才有较快的技术发展,产量也日益增加。根据2005年版电线电缆手册(汪志远主编)收编的相关资料,控制电缆、仪表电缆和电子计算机电缆,品种多达几十种。其中后二类电缆,名称虽然不同,但结构和功能有相似之处,参数却相异,电缆设计还常与数字通信对绞或星绞多芯对称电缆相关联。
    二、有关电缆标准问题
        几十年来,我国电线电缆标准,开始等效采用IEC标准,而后等同采用IEC标准,控制电缆和仪表电缆没有IEC标准可直接等同采用,只能参考相关IEC标准或规范自行编制。
    1. 控制电缆
    目前控制电缆的电压级为450/750 V和0.6/1 kV。主要功能是连接继电器、接触器、断路器和小型电机等,工作电压属于强电范围,最大截面为10 mm2
    最初的GB 9330-1988《聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套控制电缆》标准,主要参考IEC 227《450/750V及以下聚氯乙烯电缆》标准,后改为GB/T 9330,最近又进行了修订,增加了交联聚乙烯绝缘品种,典型型号如KVV,符号示范:K-控制电缆,V-聚氯乙烯。核电站用1E级控制电缆,核电规范规定电压级为0.6/1 kV,与电力电缆相对应。
    控制电缆绝缘导体,用通常用层绞成缆,原则上不含对绞或组绞单元,但不是绝对如此,可以含屏蔽或非屏蔽的的单元屏蔽的对称绞合单元,此时也成了信息传世单元。能控制电缆的性能指标考核和试验,与低压电力电缆接近。
    2. 仪表电缆
    仪表电缆是20世纪80年代开始发展的产品。英国标准BS 5308《供内部安全系统用检测仪器电》标准第2部分,聚氯乙烯绝缘电缆,很多电缆厂以此为基础,结合用户要求,编制了企业标准。
        (1) BS 5308标准,是尽量考虑供内部安全系统用检测仪器电缆方面的要求,主要包含用于化学和石油化学工业的聚氯乙烯绝缘电缆。也指出这些电缆不适于提供给矿山使用。内部安全系统应满足BASEEFA的验证标准SFA 3012的要求,而电缆应该满足验证文件的规定的要求。又说明在某些情况下这种电缆可能不合适,同时允许应用该标准以外的电缆,所以英国仪表电缆有较多的选择余地。该标准包含了任意组合的多芯和多对(或组)单元的电缆,有无单元屏蔽按使用条件确定。标准的2种电缆,适宜于芯对地峰值电压在60V及以下和120V及以下使用,显然属于弱点系统。主要电气性能指标如下:
    (a)成品电缆室温下(不浸水)的试验电压。为工频1000 V,1 min不击穿。
    (b)成品绝缘电阻,测试电压为直流500 V,20℃时折算到每公里长电缆,应不小于25 MΩ。
    (c)工作电容,线对或相邻线芯之间的工作电容,在以1 kHz下测量:
    线对或相邻线芯的最大工作电容为200 pF/m。
    任何线芯与屏蔽间的最大电容为400 pF/m。
    (d)电感电阻比(L/R):
    0.5 mm2   最大值为25
    0.75 mm2  最大值为25
    1.5 mm2   最大值为40
    (2) IECl89.2-1981(内包括Amendment No.11989第1次修正文件)《聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套低频电缆和电线》,第2部分:供内部安装用2芯、3芯、4芯及5芯电缆,也是适用的参考标准。该标准适用于供内部安装用电缆,可供下列设备接线用:传输设备;电话与电报设备;数据处理设备。该标准供包括7部分,各部分规格和用途有一定差异,该标准由IEC-SC-46C归口,完全按弱电要求制订,内容略。
    (3) IEC-SC-65C的规定,安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线称为现场总线(Field Bus),以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称为现场总线控制系统(FCS)。IEC对现场总线标准的制定极为重视,早在1984年就筹备成立了IEC-TC65-SC65和G6工作组,开始起草现场总线标准。由于各国意见很不一致,国际上各大公司又为瓜分市场和保卫各自领域寸步不让,工作进展十分缓慢。经过十年的努力,相继推出了IEC-61158.2~IEC-61158.6现场总线物理层规范、链路服务定义和协议规范以及应用层服务定义和协议规范等5个标准。
    1999年出版的IEC-61158 TS技术规范,全面定义的现场总线称作Type 1现场总线。该现场总线的网络协议是按照ISO OSI参考模型建立的,它由物理层、数据链路层、应用层、以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。物理层提供机械、电气、功能性功能,以便在数据链路实体之间建立、维护和拆除物理连接。物理层通过物理连接在数据链路实体之间提供透明的位流传输。现场总线的媒体有:双绞线、同轴电缆、光纤和无线传输。现场总线传输速率和功能又分为H1低速总线和H2高速总线。H1总线主要用于现场级,其速率为31.25kbps,执行两线制向现场总线仪表供电,并支持带总线供电设备的本质安全。
    作为H1型低速总线系统媒体用的双绞型总线电缆,可理解这种总线电缆,承担多信号传输且传输速度较常规电线要快得多,所以原计算机电缆的单元数将大为减少,电线的用量也随之减少,提高了性价比,市场前景看好。不可否认总线电缆与数字通信电缆有密切的相联关系。
    综合上述情况,仪表电缆主要是传输信息,既有模拟传输,也有数字传输,应当属于弱电系统。尽管如此,但直接用于各类工程系统,其额定电压仍要求满足使用场合的电磁互动影响,一般从安全考虑,额定电压规定为500 V及以下,此外有300/500 V、250 V或不作说明,通常可以从产品出厂试验电压规定值及其试验时间,来分析电缆的适用系统。
    三、仪表电缆的计算数据和电性指标
    聚乙烯或交联聚乙烯绝缘电缆,线对单元的波阻抗计算值可参考见表1。
    表1  PE或XLPE绝缘波阻抗计算
    导体截面 (mm2)
    0.5
    0.75
    1.0
    1.5
    2.5
    导体结构 x/d (mm)
    7/0.30
    7/0.37
    7/0.47
    7/0.52
    7/0.68
    导体直径 (mm)
    0.90
    1.11
    1.29
    1.56
    2.04
    绝缘厚度 (mm)
    0.6
    0.6
    0.6
    0.7
    0.7
    导体中心距 (mm)
    2.10
    2.31
    2.49
    2.96
    3.44
    回路电阻 (W/km)
    72.4
    49.0
    36.2
    24.2
    14.4
    回路电容 (mF/km)
    0.055
    0.060
    0.064
    0.070
    0.075
    回路电感 (mH/km)
    0.538
    0.477
    0.436
    0.426
    0.359
    波阻抗 1kHz (W)
    456
    359
    298
    232
    176
    波阻抗 10MHz (W)
    98.6
    88.9
    82.3
    77.7
    68.9
     
    根据有关企业标准资料,聚乙烯绝缘仪表电缆和聚氯乙烯绝缘仪表电缆,其绝缘和护套的机械性能和理化性能,与一般电缆的指标相同,此处从略。在电气性能方面,增加一些与通信电缆相似的指标,但不是所有电缆都必须具备这些指标,有的较高,有点一般,这需要根据用户要求而协商确定,典型指标规定可参考表2和表3。
     
    四、控制电缆和仪表电缆的其他问题
    为使产品适应不同的应用领域,进一步考虑的问题如下:
    l         研究耐温350℃的电缆产品;
    l         提高单元屏蔽的抗电磁干扰;
    l         研发氧化镁绝缘耐火电缆品种;
    l         按不同法规规定,符合环保要求;
    l         发展纵向阻水电缆产品;
    l         电缆适应柔性或挠性要求,满足频繁移动型和半移动型电缆;
    l         发展多功能综合型控制和仪表电缆(包含光纤等)。
    表2  本质安全防爆电路用集散型仪表信号电缆
    项目名称
    单位
    典 型 性 能 指 标(PE或XLPE绝缘)
    导 体 截 面 mm2
    0.5
    0.75
    1.0
    1.25
    1.5
    工作电容
    pF/m
    ≤60
    ≤70
    ≤70
    ≤80
    ≤80
    电容不平衡
    pF/m
    ≤1
    分布电感
    μH/m
    ≤0.6
     
     
     
     
    电感电阻比
    μH/Ω
    ≤15
    ≤25
    ≤25
    ≤35
    ≤35
    电磁干扰感应电压(干扰磁场400A/m)
    mV
    ≤5
    静电感应电压(静电电压20kV)
    V
    ≤1
    辐射透入强度(干扰场强200MHz,120dB)
    dB
    ≤66
    20℃时绝缘电阻
    .km
    ≥5000 (阻燃型≥1000)
    交流试验电压(1min)
    V
    2000
    阻燃特性(按GB 12666.5-1990试验)
     
    A类或B类
     
    表3  本质安全防爆电路用电缆
    项目名称
    单位
    典 型 性 能 指 标(PVC绝缘)
    导 体 截 面 mm2
    0.5
    0.75
    1.0
    1.5
    2.5
    20℃时导体电阻
    Ω/km
    36.6
    24.5
    18.1
    12.1
    7.41
    20℃时绝缘电阻
    .km
    40
    屏蔽间绝缘 (用万用表测量)
     
    各单元屏蔽之间和与总屏蔽之间不应短路
    工作电容 (1000 Hz)
    pF/m
    ≤200
    转移阻抗
    pF/m
    ≤1
    电感电阻比 (1000 Hz)
    μH/Ω
    ≤50
    交流试验电压 (5min)
    V
    2000
     
    五、结语
    最后指出,控制电缆和仪表电缆的可靠性要求应绝对保证,电缆正常使用寿命也必需大于系统使用期限,如核电站1E级电缆,正常使用寿命至少不低于40年,争取60年。我国核电站运行期尚短,据有关报道,某核电站曾经发生主变压器火警,当时1E系统立刻自动启动了紧急停堆,避免了核泄漏事故,这至少证明国产电缆现在是可靠的,当然使用寿命问题,应当进一步深入研究。
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