适合工业应用的电缆：如何选择和使用，以确保设计成功

工业物联网 (IIoT) 在很大程度上需要依赖电缆在工业机械之间以及工厂车间、IT 和云之间传输数据、命令和电力。然而，由于存在物理、环境和电气危害，在车间连接电缆时需要特别注意电缆的选型和布线：设计人员必须处理一系列经常相互冲突的性能和成本优先事项。

本文将介绍工业环境和 IIoT 带来的电缆挑战，然后讨论商业成品 (COTS) 和工业电缆解决方案之间的差异；最后介绍选择正确的电缆如何提高性能，降低总拥有成本（TCO，IIoT 规划中的一个关键指标）。

本文将考虑两个应用示例：一个是工业电机用到的变频驱动 (VFD) 电缆，另一个是工业以太网网络连接。之所以选择这两个示例，是因为它们描述了工厂内的不同电缆用途：高功率运行和高速数据网络连接。

工业环境是电缆的天敌

工业设施包括制造设施、油气加工厂、煤矿、废水处理设施，以及包括隧道和地铁在内的运输系统。这些环境都会对电缆产生不利影响。危害因素包括化学品、紫外 (UV) 光、湿气侵入、碰撞、极端温度和振动（图 1）。同时，电缆必须能够确保信号的完整性，并最大限度地减少信号损失和 EMI 影响。

图 1：工业级电缆面临众多工厂危害因素时必须保持信号的完整性。（图片来源：Belden）

如果电缆发生故障，不但会危及操作员的安全，造成质量问题，而且代价非常昂贵：每停产一分钟都可能造成数千美元的损失。

工厂电缆面临的机械危害包括碰撞、磨损、冲击、张力和振动。此外，许多工业应用持续保持运动状态：多轴机床、机器人、风力涡轮机、拾放机、自动搬运系统和传送带系统就是一些例子。这些应用中的电缆必须能够承受数十万次循环的重复挠曲。

侵入危害因素包括湿气、化学品和灰尘。许多行业使用刺激性化学品，并且电缆必须能够长时间暴露在外，同时又不能影响性能。例如，在食品和饮料加工业，必须定期使用高压水和腐蚀性化学品对设备进行清洁，以满足严格的卫生要求。电缆设计不良时，液体会渗入导线。

无论安装在室内还是室外，工业电缆经常都会暴露于这些因素。由此产生的危害因素包括极端高温/低温、紫外线辐射（阳光）、湿气，甚至啮齿动物啃咬或侵入性树根。

工业电气环境包括强电流、高电压、不充分接地以及来自弧焊机、熔炉和 HVAC 设备的电磁干扰。在工厂升级过程中，由于空间限制可能会导致新电缆靠近噪声源，如电机和发电机。

我们将上面讨论的工业危害与典型商业环境中的危害进行比较。包括办公空间、服务器机房和家庭在内的商业设施，通常会采用 HVAC 系统来控制温度，使电缆保持恒定的温度和湿度水平。大量基础设施的电缆都布置在天花板上方的空间（隔层空间）或墙内，这些位置的电缆多年都不会发生变动。标准的商业环境通常不含细小颗粒和液体，不会出现极端温度，因此商用电缆不会暴露于灰尘、湿气、化学品、极端温度或紫外线辐射。

由于 COTS 电缆需要满足其预期使用条件，因此在工业应用中使用商用电缆会导致高故障率、生产损失、成本增加和安全性降低。通过一系列标准测试对这两类电缆进行比较，结果表明，工业级电缆的性能更胜一筹（图 2）。

图 2：当进行相同的测试时，工业级电缆表现出更卓越的性能。（图片来源：Belden）

电缆剖析

电缆由几个关键组件组成，这些组件会影响电缆的整体性能，如图 3 所示；包括：

• 电缆导线
• 电缆绝缘层和电缆护套
• EMI 屏蔽

图 3：一系列 DataTuff 工业 Cat 5e 以太网电缆显现出一些增强可靠性和性能的设计改进。（图片来源：Belden）

电缆导线

有两种电线通常用于通过电缆传输电力或电信号：实芯线和绞合线。每种电线都有不同的特点。

顾名思义，实芯线的传导路径是一根电线（通常是铜线）。一般来说，实芯电缆比绞合电缆便宜，等效电流时的直径更小。这种电缆具有较好的电气性能及较低的电阻，但柔韧性不足，因此不太适合用于诸如机器人等移动机械装置。

绞合电缆中的导线由多根绞合在一起的细丝组成，从而形成一股更大、更粗的电线。绞合电缆的柔韧性使其非常适合存在振动问题的环境，或者用于需要频繁折弯电缆的应用。

导线绝缘层和电缆护套

除了提供绝缘外，用于覆盖导线的塑料还起着电介质的作用。塑料的介电常数和耗散因数会影响信号的传输（图 4）。具体而言，介电常数用于衡量电缆存储电能的能力：它与电能穿过绝缘层的速度相关。耗散因数用于衡量电介质的电能损耗（或吸收）速率。通过减小这两个参数中任何一个的数值，都能实现更好的信号传输。

图 4：常见电缆绝缘材料的性质比较。介电常数和损耗因数越小，信号传输性能越好。（图片来源：Texas Instruments）

许多工业电缆在导线周围包裹屏蔽层，用来减少电气噪声和防止干扰。编织屏蔽和箔屏蔽是两种最常见的类型。箔屏蔽可以完全覆盖住导线，但很难端接，其电阻相对较高，因而接地路径较差。编织铜屏蔽仅覆盖 60% 至 85% 的导线，但其质量更大，具有更好的导电性，并且更容易端接，接地性能良好。

在恶劣的 EMI 环境中，组合屏蔽（箔/编织）可以提供最高级别的保护。例如，Alpha Wire 的电缆包括三层铝/聚酯/铝箔屏蔽和镀锡铜编织屏蔽（图 5）。

图 5：屏蔽层可能包括箔（底部）、铜编织物（中间），或者为了获得更好的性能，组合铝/聚酯/铝箔屏蔽，外加镀锡铜编织屏蔽（顶部）。（图片来源：Alpha Wire）

电缆护套在电缆的安装和使用寿命期间，保护下面的导线免受机械、湿气和化学品的损坏。护套还可以增强阻燃性，防止紫外线辐射，并且便于安装。

带有铠装护套的电缆可保护电线和屏蔽层免受挤压；这种电缆的构造技术包括铝制联锁铠装和镀锌钢丝护套。铠装电缆还可能在金属周围包裹一层 PVC 或类似材料的护套，起到密封电缆和铠装的作用，使其免受腐蚀性蒸汽和湿气的影响。

标准电缆选项包括铝制或钢制联锁铠装电缆，以及针对埋地或室外使用、耐汽油、高挠曲能力或高低温运行而优化的电缆。

许多制造商在高性能电缆中加入了其他专有功能。例如，Belden 公司的 DataTuff Cat 5e 工业以太网电缆采用其获得专利的“粘连对”导线结构，可消除导线对之间的间隙，从而实现始终如一的可靠电气性能。

应用实例：以太网网络

以太网已经在工厂车间使用了很多年，但最近以太网的应用已扩展到高压（> 600 伏）机械控制应用中，此类应用的安全性是主要设计考虑因素。尽管不需要承载高压，但面向这些应用的控制电缆仍需符合美国国家电气规范 (NEC) 要求，因此导致对 600 伏以太网电缆的需求增加。

Molex 的 Flamar 系列电缆便是很好的例子。这些电缆专为工业自动化而设计，能够承载 600 伏电压，可用于一般控制应用、伺服电机控制和网络连接等，并且具有抗焊渣和耐油性能，符合 Ecolab 食品卫生标准以及 Underwriters Laboratories (UL) II 级耐油符合标准。

电信相关电缆拥有自己的涵盖工业厂房在内的环境标准 (ANSI/TIA-1005-A)。此项标准规定了影响电缆耐用性的四个环境分类级别，包括机械、侵入、气候/化学品和电磁 (MICE)。每个类别根据严重程度进行分类评级：1、2 或 3。商业建筑的环境分类通常为 M1I1C1E1，标准中最严格的环境分类是 M3I3C3E3。

当选择标称值能够满足顶级要求的电缆（例如 Cat 5e 以太网）时，设计人员应仔细比较电缆的规格。通常情况下，有多种不同价位的电缆似乎都能满足顶级应用要求，但仔细检查会发现电缆规格存在差异。

例如，Belden 的 7928 和 7939 八芯 DataTuff 电缆均额定用于工业 Cat 5e 操作，但它们的推荐应用存在差异。原因是，结构的微妙不同使得 7928 的性能优于 7939，但也使其生产成本更高（表 1）。

表 1：Belden 的 7939 和 7928 都是 8 芯 Cat 5e DataTuff 电缆，但结构上的微妙差异使得 7928 具有一定的性能优势。（数据来源：Belden）

7928 的 FEP 绝缘材料使其与 7939 的 PVC 相比，能够在更高的温度下运行。与 7939 的绞合导线相比，7928 电缆的实心铜导线每英尺可产生更好的直流电阻 (DCR)，每英尺的最大电容更低。这些电气差异使 7928 具有更低延迟和更高传播速度。

所有这些差异都在高频性能规范中得到了体现。7928 电缆的规定工作频率高达 350 兆赫 (MHz)，而 7939 仅为 100 MHz。7928 在较低频率下也具有更好的性能。

不但性能存在明显差异，成本同样存在差异。两种电缆均可满足特定应用的基本规范，但较高质量的电缆性能裕量更高，并且运行更放心。

应用实例：VFD 电缆

电机可将电能转化为机械运动，几十年来，电机一直是工业作业中的关键部件。电机类型包括有刷直流电机、无刷直流 (BLDC) 电机、交流 (AC) 电机和步进电机，每种电机都有各自的性能特性和驱动特性。

VFD 脉冲串的特性

VFD 通过脉宽调制 (PWM) 对 AC 电机提供精确的速度和扭矩控制。VFD 广泛用于制造工艺，但要获得最佳性能和更长使用寿命，开关驱动信号的特性使得选择合适的电缆变得至关重要。其中一些特性包括：

• 驻波：VFD 电缆的阻抗约为 85 至 120 欧姆 (Ω)。VFD 电机的阻抗更高，通常为几百欧姆。当 PWM 脉冲串满足更高的电机阻抗时，很大一部分能量被反射。这种驻波可使电缆上的电压增加两到三倍，从而导致绝缘性能下降，最终引发故障。
• 电晕放电：导线周围的强电场可使导线之间的空气发生电离，导致能量释放。电晕放电会使电缆的绝缘材料退化并损坏屏蔽层。这种放电还可能损坏驱动电子设备，浪费电力，甚至产生足以使绝缘层熔化的热量。
• 谐波失真：任何信号都含有工作频率下的能量以及该频率倍数（谐波）的能量，从而导致波形失真。较高谐波下的能量会增加电缆中的焦耳损耗，并引起发热。
• 涌流：电机在启动时可消耗极高的电流。大多数 VFD 控制器可通过缓慢提高电机速度来限制最大启动电流，但电缆仍必须设计为能够处理初始浪涌。
• EMI：数字脉冲的快速切换会产生电磁干扰。这种能量可能转移到其他电路，导致信号衰减、错误信号和其他问题。

选择 VFD 电缆时，了解整个驱动系统和所需的电流容量至关重要（可能还需考虑未来的电流扩容）。高性能 VFD 电缆具有优于建筑级电缆的接地和屏蔽能力，可提供更可靠和更稳定的连接。以下是改善 VFD 性能的一些提示和主要建议：

• 接地系统应设计为具有尽可能低的接地路径阻抗。接地路径中的电缆带有额外铜线（称为 300% 接地设计），可确保潜在的有害共模电流 (CMC) 受到牵制，并将这种电流返回到驱动装置，且不会产生不利影响。
• 选择专为高频操作设计的导线（镀锡铜导线）以防止腐蚀，高导线股数可增加表面积。
• 选择具有低电容和高介电强度的电缆。热塑性高耐热尼龙涂层 (THHN) 建筑级 VFD 电缆具有更高的电缆充电损耗，并且可更快地建立反射波电压。此类电缆的绝缘强度约为优质导线绝缘强度的三分之一，而优质导线配备的是热固绝缘材料，如交联聚乙烯 (XLP)：与 THHN 相比，XLP 还具有更好的耐电晕放电性能。
• 屏蔽材料对噪声性能的影响很大。低阻抗屏蔽材料可降低电流反射，提高系统的可靠性。相反，非屏蔽电缆可以充当天线，并成为辐射发射源。屏蔽层应具有最大的表面积，以获得最佳的高频性能。如前所述，双铜带或编织带可提供最佳屏蔽性能。

Alpha Wire 的 V-Flex 电缆专为机器人、传送带和其他需要重复或连续移动的机器上的高性能 VFD 应用而设计。该系列电缆具有七种设计，配有 4 AWG 至 16 AWG 不等的多股镀锡铜导线和 TPE 护套，并且柔韧性得到了增强，可使布线和处理更加轻松。例如，VF16006 BK005 电缆是一种四芯电缆，配备 6 AWG 电线和箔/编织屏蔽层（图 6）。

图 6：Alpha Wire 的 VF16006 BK005 电缆专为 VFD 应用而设计。这种电缆的每根导线可承载高达 52 安培的电流，并且使用箔/编织屏蔽。（图片来源：Alpha Wire）

该电缆具有耐油和抗紫外线功能，工作温度为 -40°C 至 +90°C，可处理高达 50 马力 (HP) 的驱动装置，每根导线的满载电流为 52 安培。

结论

对于给定的应用，设计人员通常可以选择几种不同价位的电缆，这些电缆似乎都能满足顶级规范。然而，商用和工业运行环境却大不相同。本文介绍了商用和工业电缆之间的结构差异，并研究了两种常见工业应用的电缆要求。

如本文所示，工业电缆相比商用电缆而言有着明显及不那么明显的性能改进，在工厂车间使用期内，这种改进带来的效果绝对物超所值。