仪表电缆的相关问题探讨

王渤

(中科合成油工程股份有限公司，北京 101407)

随着企业自动化水平的提高，信息传输量越来越大，仪表专业的电缆用量也随之增大，电缆着火酿成的重大火灾事故呈蔓延趋势。

电缆的结构包括： 导线、绝缘层、屏蔽层、护套层4个主要部分，另外还有填充和承拉部件等。电缆基本结构如图1所示。

图1 电缆基本结构示意

电缆发生火灾时具有起火迅速、极易蔓延的特点，由于烟火有毒，扑救困难，容易产生次生灾害且生产恢复时间长，因此预防和减少因电缆引发的火灾危害，保护人身和财产的安全成为保障社会公共安全的一个重大问题。

1 阻燃电缆

SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》6.2节规定：“有火灾危险场所现场仪表电缆应选用阻燃型电缆”。

阻燃性指试样在规定的试验条件下燃烧，在撤去火源后，火焰在试样上的蔓延仅在限定范围内并且可自行熄灭的特性，即具有阻止或延缓火焰发生或蔓延的能力。

阻燃电缆构造与普通电缆基本相同，区别仅在于它的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料(如包带和填充物)部分或全部采用阻燃材料。

1.1 阻燃电缆的绝缘层

绝缘层包覆在电缆外围四周，确保电流只沿着电缆传输，并能隔绝电缆与周围物体形成的电位差。

1.1.1 绝缘材料分类

阻燃电缆常用的绝缘层材料有以下几种：

1)聚氯乙烯。极性高聚物，电缆制造工艺简单、价格低廉、化学稳定性好，具有较好的电气绝缘性能。

2)聚乙烯。非极性材料，具有较强的防潮性能，绝缘性能优良、无毒性，不具有阻燃性，适用于潮湿和易受水浸泡的环境中。

3)交联聚乙烯。含有机过氧化物的聚乙烯，该过氧化物在高温、高压及惰性气体环境下，与聚乙烯发生化学反应，使热塑性聚乙烯变成热固性的聚乙烯。

1.1.2 绝缘材料的工作温度

1)采用聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯做绝缘层的电缆，其最高允许工作温度分别为70 ℃，80 ℃，90 ℃。

2)交联聚乙烯在130 ℃下可保持弹性状态，相对同等截面的聚氯乙烯绝缘层的电缆，截流量可提高约25%。由于仪表电缆以信号传输为主，该特性不明显。

3)短路时，聚氯乙烯电缆的最高温度不超过160 ℃，交联聚乙烯电缆的最高温度不超过250 ℃。

1.1.3 绝缘材料的选用

下列规范中对于电缆绝缘材料的选用有如下规定：

1)GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》3.3.6中规定：“年最低温度在-15 ℃以下，应按低温条件和绝缘类型要求选用交联聚乙烯、聚乙烯、耐寒橡皮绝缘电缆，低温环境不宜选用聚氯乙烯绝缘电缆”。

2)SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》中规定：“一般情况下，电缆宜选用多股铜芯聚乙烯绝缘+聚氯乙烯护套阻燃电缆”。

硅橡胶、氟塑料绝缘材料一般用于耐高温电缆，硅橡胶绝缘材料可用于低温-40 ℃的环境。氟塑料与硅橡胶这两种绝缘材料比较特殊，价格较贵，普及使用有一定难度，在此不过多讨论。

1.2 阻燃电缆的护套层

1.2.1 护套层的作用与材质选择

电缆护套层的作用是使绝缘层与水、空气或其他物体隔离，防止绝缘层受潮，避免绝缘层受到机械伤害。

使用聚氯乙烯作为护套的阻燃电缆中，聚氯乙烯单链由于氯原子存在使得分子链成锯齿弯曲型，且单链较粗，燃烧过程会与部分H+生成HCl，而HCl极易与水组合形成盐酸气，从而起到一定的阻燃效果。

GB 50217—2018《电力工程电缆设计标准》3.4.1.5中规定：“除年最低温度在-15 ℃以下低温环境或药用化学液体浸泡场所，以及有低毒性要求的电缆挤塑外护层宜选用聚乙烯等低烟、无卤材料外，其他可选用聚氯乙烯外护层”。该标准中年最低温度是指1 a中所测得的最低温度的多年平均值。

北方地区，年最低温度均低于-15 ℃，如新疆、内蒙古的部分地区甚至低于-40 ℃，石化项目所用的电缆护套材料应选择耐温在-30～-40 ℃的聚氯乙烯或硅橡胶，考虑到经济性问题硅橡胶选择得较少。

仪表电缆的选择通常考虑经济实用性以及标准规范的要求，选用聚氯乙烯护套，虽然满足项目所在地的环境温度，但这种选择是否为最佳，还需进一步讨论。

1.2.2 护套层的阻燃性

电缆护套的阻燃性能通常是用氧指数来衡量，氧指数是指让试样燃烧所需要的最低的氧体积分数。氧指数越大，阻燃性越高，在GB/T 32129—2015《电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料》中规定： 氧指数在28%以上的材料就具有一定的阻燃性；GA306.1—2001《阻燃耐火电缆分级标准》中，阻燃特性按GB/T 18380—2008《电缆和光缆在火焰条件下的燃烧试验》验收；在YD/T 1173—2016《通信电源用阻燃耐火软电缆》中，要求阻燃电缆的氧指数不小于30%；在GB/T 8815—2008《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》阻燃性能用氧指数指标考核，指标值由供需双方协商确定。

材料的氧指数随着温度升高会出现下降现象，当气温升高而物料的氧指数降低，如果氧指数降至21%时，物料便会自动燃烧，该温度被称为温度指数；一般阻燃电缆的温度指数均大于250 ℃。

1.2.3 低烟低卤及无卤低烟材料

20世纪80年代，国际上开始研制无卤低烟阻燃材料，该材料的优点是低烟、无毒，被明火燃烧时，产生金属氧化物和水蒸气。由于无卤阻燃电缆的价格较贵，因此在提高电缆阻燃性和降低卤酸气体发生量之间采取折衷的方式开发出了低烟低卤阻燃电缆，它的含卤量约为含卤阻燃电缆的33%。

笔者认为电缆护套材料可以选用无卤阻燃化合物，特别是进入中心控制室或有人值守机柜间的电缆，从保证人员的健康并有利于消防灭火的角度考虑，在人员密集场所不宜选用含有卤素的电缆护套。

在GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)中仅规定了消防配电线路的阻燃或耐火电缆具有不产生烟雾的要求；现行HAD 102/11—1996年修订《核电厂防火》中规定：“在大量存在的电缆绝缘层和护套应当使用阻燃、低烟雾、低腐蚀性的材料”；在现行的石化标准中没有针对电缆毒性的限定。

聚氯乙烯在燃烧过程中会释放出氯化氢和其他有毒气体，例如二?欪?英。聚氯乙烯是二?欪?英的主要来源，是二氧(杂)芑家族中最致命的物质，是一种众所周知的致癌物质，对人身和环境有着很大的危害。

随着防火安全标准的提高和科技的进步，人们环保意识的增强，相关标准也会有所提升。

2 耐火电缆

耐火电缆是指在规定的火源和时间条件下燃烧时电缆能持续地在指定状态下运行的能力，即保持线路完整性的能力。在SH/T 3019—2016《石油化工仪表管道线路设计规范》中规定：“用于紧急隔离阀门、SIS励磁动作、与可燃有毒气体信号联动的电缆宜选用耐火电缆”。

2.1 耐火等级

关于耐火等级，GB/T 19666—2005《阻燃和耐火电线电缆通则》有明确规定及划分；GA 306.2—2007《阻燃剂耐火电缆 塑料绝缘阻燃及耐火电缆分级和要求 第2部分： 耐火电缆》中规定： 耐火分一、二、三、四级，耐火标记NH，线路完整性试验按GB/T 19216.21—2003《在火焰条件下电缆或光缆的线路完整性试验》规定，将耐火试验分A和B两种级别。

耐火电缆在现行的标准中分为阻燃和非阻燃，以满足不同的应用场所和用途，所用的验收标准也不同。煤化工及石化装置设计中选用耐火电缆时，一般都会选用耐火阻燃型电缆。

2.2 护套材料的选择

1)TICW/06—2009《计算机与仪表电缆》第5.8.1条中规定护套应为挤包固体介质的一种，耐火电缆护套材料见表1所列。

表1 耐火电缆护套材料

2)GB/T 12706.1—2008《额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到35 kV(Um=40.5 kV)挤包绝缘电力电缆及附件 第1部分： 额定电压1 kV(Um=1.2 kV)到3 kV(Um=3.6 kV)电缆》13.2节中规定外护套为热塑性材料(聚氯乙烯、聚乙烯或无卤材料)或弹性材料(聚氯丁烯、氯磺化聚乙烯或类似聚合物)。如果要求在火灾时电缆能阻止火焰的燃烧、发烟少以及没有卤素气体释放，应采用无卤型护套材料。

聚氯乙烯树脂本身的氧指数为45%，然而聚氯乙烯电缆料中加入了大量的增塑剂及其他助剂，使其阻燃性能降低，氧指数降到24%，由此可以看出耐火电缆的护套层材料与阻燃电缆没有直接关系。

3 不同标准对阻燃等级的要求

电缆的阻燃性、烟雾的密度等涉及火灾人身安全，在这些方面国内外标准有着较大区别，美国防火标准较关注电缆的阻燃性、烟雾的密度，但是国标及欧标对此有不同的定义。

3.1 中国标准

在石化装置中仪表电缆往往是电缆集束敷设，在GB/T 19666—2005《阻燃和耐火电线电缆通则》中5.1.2规定电缆的成束阻燃性能必须符合表2的要求。

表2 电缆的成束阻燃性能要求

注： 1) ZD适用于试样外径不大于12 mm的电线电缆。

3.2 美国标准和IEC标准

3.2.1 美国标准

美国标准根据燃烧物的易燃程度，从低到高定义了家居级、通用级、商用级、干线级、增压级5个级别，其中增压级阻燃为目前美国标准系列要求最苛刻、火灾时安全耐燃程度最高的级别。

3.2.2 IEC标准

IEC 60332-1、2分别用来评定单根线缆按垂直和倾斜布放时的阻燃能力；IEC 60332-3用来评定成束线缆垂直燃烧时的阻燃测试。IEC 60332-1、2单根电缆燃烧测试防火等级较低，较容易燃烧，而且容易回火；而IEC 60332-3采用成束电缆的垂直燃烧测试，阻燃等级比IEC 60332-1、2的高。

3.2.3 对火灾人身安全的观点

美国标准和IEC标准对火灾人身安全有着不同的观点。

1)美国标准。火灾的根源在于CO的产生，以及其后的燃烧过程中CO转化为CO2的热释放，控制燃烧过程中的热释放量可减少火灾的危害。

2)IEC标准。在燃烧中产生的卤酸释放量、气体腐蚀性、烟雾浓度及气体毒性，是决定人能否安全脱离火灾现场的主要因素。

3)为此，在控制室等有人值守场所可用IEC标准要求的电缆，在无人值守的机柜间可用美国标准要求的电缆。美国标准要求的电缆不易燃烧，但释放有毒气体；IEC标准要求的电缆着火点低，不释放有毒烟气。

3.3 仪表电缆阻燃等级

近几年的煤化工及石化项目中，仪表电缆的阻燃选择A，B，C的都有，据笔者了解阻燃A比阻燃C造价高10%左右。

煤化工及石化装置中的中心控制室多采用抗爆建筑，既不属于可燃物较多的生产厂房，又不属于人员较多的公共建筑。根据SH/T 3006—2012 《石油化工控制室设计规范》4.4.4条规定： 控制室建筑物耐火等级应为一级。SH/T 3017—2013《石油化工生产建筑设计规范》附录A主要生产建筑及辅助生产建筑特征表中对控制室及机柜间的定义见表3所列。

在GB 50229—2006《火力发电厂与变电站设计防火规范》中规定：“主控通信楼当未采取防止电缆着火后延燃的措施时，火灾危险性应为丙类”。从建筑物的角度划分进入控制室仪表电缆，使用阻燃级别C的电缆即能满足现行设计要求。

表3 辅助生产建筑特征表

SH/T 3019—2016中规定： 有火灾危险场所现场仪表电缆应选用阻燃电缆，但是没有规定阻燃等级，应按照装置特性进行评定。还有就是按照用途划分，可按照在SH/T 3019—2016中规定：“用于紧急隔离阀门、SIS励磁动作、与可燃有毒气体信号联动的电缆宜选用耐火电缆”。这些电缆除耐火外还需提高阻燃等级，特别是与消防相关的电缆。

综上所述仪表电缆阻燃级别最低为C级，随着科技进步，信息和控制系统的安全性、完整性得到大家的格外重视，防火阻燃电缆的标准也会进一步提升和完善。

4 变 形

在煤化工及石化行业的生产、储存、输送等环节中，存有大量易燃、易爆物质，这些物质存在于生产装置设备、容器、管道中，如果扩散到大气环境中将形成爆炸危险场所，为此在设计时需要参考相关的防爆标准。

4.1 冷变形

在GB/T 3836.15—2017《爆炸性环境 第15部分： 电气装置的设计、选型和安装》9.3.11中规定： 选择的电缆应能减少电缆“冷变形”的影响，注释中说明电缆使用的材料可能有“冷变形”特性，其中特别指出了低烟和耐火的电缆。电缆的“冷变形”可描述为： 在密封施加压缩力的地方，电缆引入装置中的密封件位移产生的压缩力大于阻止电缆护套变形的力。现在通常用格兰作为防止冷变形的措施，但是冷变形与电缆护套材料选择也是有关系的。

4.2 热变形

GB/T 8815—2008《电线电缆用软聚氯乙烯塑料》H护套级各种型式的热变形通常不大于50%，断裂拉伸应变多不小于180%。

1)GB/T 32129—2015《电线电缆用无卤低烟阻燃电缆料》中规定：

a)无卤低烟阻燃热塑性聚烯烃绝缘料和护套料性能的热变形的试验结果不大于50%。

b)无卤低烟阻燃热塑性弹性体绝缘料和护套性能的热变形及100%定伸变形(仅对弹性体)的试验结果不大于50%。

c)无卤低烟阻燃交联型聚烯烃绝缘料性能及无卤低烟阻燃交联型聚烯烃护套料性能的热变形的试验结果没有数据要求。

2)耐温性能除了热老化的指标，热变形和高温压力也是耐温等级的指标。对于热塑性低烟无卤阻燃料，热变形和高温压力性能差代表：

a)护套熔点降低且容易变形，相当于在低于电缆最高使用温度时，能使电缆护套变软，同时在外力及自重的作用下，可使电缆变形甚至破坏绝缘层，从而丧失对电缆的保护。

b)护套易开裂，当电缆局部受热、受力时，容易在较软的区域开裂。

c)制造出来的护套阻燃性差，所用材料氧指数并不低，但电缆在进行燃烧试验时很难通过并达到合格。

由于阻燃电缆材料中有较多的填充物，导致在熔融状态下熔体强度、拉伸比、熔体黏度与非阻燃电缆材料的性能存在较大的差异，从而使模具的选取也有所不同。阻燃绝缘材料采用挤压式，护套采用挤管式或半挤管式生产；使用挤管式或半挤管式生产时必须考虑拉伸比，有卤阻燃料拉伸比为6～7，低烟无卤阻燃电缆料拉伸比为2.5～3.2。理论上，拉伸比越小，表面越光洁。

4.3 存在的问题

在煤化工及石化装置中采用大量的阻燃电缆，关于如何减少或避免电缆的“冷变形”，笔者咨询过国内电缆和防爆标准的相关单位及生产厂家，暂时未有明确结论。防爆标准中的“冷变形”与电缆标准中的“热变形”及拉伸比存在着关联，理论及性能也有相近之处，但是在现行的标准中没有界定，而且也没有数据支持。

5 结束语

在煤化工及石化仪表设计中，电缆是比较成熟的产品，但是在选型问题上需要关注相关的细节。另外，希望国内针对仪表电缆的相关标准能够健全、完善，更新及时，让设计人员依据标准有据可查。