有源信标电缆的研发

2015-02-18黑广杰张惠琴

电线电缆 2015年5期

黑广杰，张惠琴，吕淳

(天水铁路电缆有限责任公司，甘肃天水741000)

0 引言

有源信标电缆主要用于城市轨道交通信号系统中，用于将地面信标应答器(铁路专用的一种信号设备，用于将地面信息传输给列车，同时将列车的运行状态信息传输给控制室)和线路侧电子设备单元(LEU)连接起来，组成一个独立的控制系统，可实现车地之间的数据传输，能够准确定位列车的运行位置，判断列车的运行方向，测定列车的运行速度等，并传送各种报文信息。该系统在地铁轻轨系统中起着非常重要的作用。而有源信标电缆作为信息的传输通道，其性能好坏直接影响到信号传输的质量。

1 有源信标电缆的结构设计

1.1 产品的性能要求

有源信标电缆的型号为ET 2PI795，规格为1×2×0.88 mm2。我公司最初是与卡斯柯信号有限公司进行联合研发的。根据该电缆的应用特点和传输要求，该电缆必须具备以下性能要求:

(1)电缆的最大直径13 mm;

(2)导体的直流电阻≤22Ω/km;

(3)电缆的特性阻抗指标为(95±5)Ω;

(4)衰减常数在50 kHz时≤3.5 dB/km，在560 kHz时≤7.5 dB/km，在1 000 kHz时≤10 dB/km;

(5)电缆的最大拉断力不小于1 500 N;

(6)电缆具有低烟无卤阻燃特性，能够通过GB/T 19666规定的C类成束燃烧试验;

(7)电缆具有良好的弯曲性能，能够满足地铁轻轨的敷设要求;

(8)电缆具有良好的屏蔽性能，50 Hz下的屏蔽系数为0.9，能够满足地铁轻轨环境的要求。

1.2 产品结构的设计和参数计算

根据上述要求和我公司多年生产地铁轻轨电缆的经验，我们先对产品的结构做初步设计:

(1)导体采用多股软铜线绞合，满足产品弯曲性能要求，导体的截面为0.88 mm2。

(2)绝缘层采用高密度聚乙烯(HDPE)绝缘料，介质层采用线性低密度聚乙烯(LLDPE)树脂料，由于聚乙烯的介电常数和介质损耗都相对较小，适合于做通信类电缆的绝缘和介质，且聚乙烯具有低烟无卤性能，能够满足地铁轻轨的使用环境要求。

(3)屏蔽层采用双层镀锡铜丝编织，每层的编织密度不小于85%，采用编织屏蔽不但可提高产品的屏蔽性能，还可保证产品具有良好的弯曲性能。

(4)为增加屏蔽效果并提高产品的抗拉强度，增加一层镀锌钢丝编织铠装层，并在铜丝编织和钢丝编织之间设置一层低烟无卤阻燃隔离层。

(5)外护套采用90℃防紫外线低烟无卤阻燃护套，可提高产品的抗开裂性能和阻燃性能，保证产品的使用寿命满足要求。

产品结构的初步模型见图1。

图1 产品结构模型图

由于该产品所使用的频率较高，最高频率为1 MHz，因此，可以参照高频对称通信电缆的计算方法进行结构尺寸设计和电气参数计算。

电缆的各个参数都是相互关联的，为了简化计算，在高频下，我们只根据电缆的特性阻抗Z对产品进行设计，然后再对产品的其它电气参数进行验证。

在1 MHz下:

式中:Z为特性阻抗;L为电感;C为工作对电容;Ds为屏蔽层内径或介质层外径;d为绞合导体外径;a为导体中心距离;k为涡流系数，对于铜，k=21.3×10－Q(x)为与x(x为与导体直径和涡流系数有关的物理量，x=kd/2)有关的系数，可查表求得，当x≥10.0时，Q(x)为屏蔽层的相对磁导率。

根据上述公式我们初步设计出产品的结构尺寸，再进行验证和调整，经过大约2～3次的调整，试制出符合要求的产品结构尺寸。最后确定出的产品结构尺寸如下:导体采用多根铜丝绞合，导体截面为0.88 mm2，绞合后的导体直径1.2 mm，绝缘外径2.3 mm，介质层外径6.6 mm，双层镀锡铜丝编织外径7.8 mm，铠装层采用低碳镀锌钢丝编织，护套采用低烟无卤阻燃护套，护套外径13.2 mm。

2 产品的首件检验

对首件产品的电气性能进行测试，实测结果见表1。

表1 产品性能测试结果

3 产品的性能改进

产品首件测试合格后，进行了批量的验证，性能指标均符合要求。但产品在用户使用过程中出现了两个问题:一是产品剥皮困难，影响施工效率，而且在剥皮过程中容易损伤导体;另一个问题是产品在试用期间出现导体断裂现象。

3.1 原因分析

为了解决这个问题，我们专门到现场进行实地分析。

(1)剥皮困难是因为介质层是一个实芯结构，而线对是一个螺旋绞合结构，介质层紧紧挤包在线对周围及线对缝隙处;同时，由于介质层材料和绝缘材料相同，在挤出过程中很容易发生粘连，这两个原因共同造成了剥皮困难而影响施工。

(2)导体断裂是由于导体受到连续强烈的振动所致，因为信标电缆接在信标应答器上，而信标应答器就放置在两个导轨之间，当列车经过时，由于强烈的振动，使连接在信标应答器上的电缆端头导体发生部分或整体断裂。

3.2 剥皮困难的解决方案

对于绝缘与介质层粘连的现象，我们采取了三种方案:

(1)在挤包介质层时，在绝缘层上涂滑石粉;

(2)改变介质层材料，采用低烟无卤阻燃材料;

(3)采用空管的挤包方式(挤出过程注入一定的气压来保证空管成形)。

对上述三种方案分别进行试制，结果如下:第一种方案在生产过程中容易造成滑石粉在模具口堆积，引起绝缘断胶，不能保证产品的定长;第二种方案试制出产品后，产品的衰减和阻抗变化较大，且剥皮仍然困难，用户还是不满意;第三种方案试制结果比较理想，因为注气时，气体会快速降低介质层内壁的温度，使介质层与绝缘层不发生粘连，同时，由于介质层变成管状结构，减少了剥线时的阻力。

为了保证介质层管状的圆整，必须采用专门的挤出模具，增加注气装置，在生产过程中控制好注气的压力，为此，我们还专门做了一套工装，气压调节表采用量程小、精度高的仪表。工装模具图见图2。

图2 介质层生产工装模具图

由于介质层采用了管状结构，介质层的介电常数发生了变化，因此，对绝缘外径和介质层的外径还要进行适当调整方可满足要求，但这时的调整量已经很小，不用再进行计算，只要经过微调和验证就可达到要求。

3.3 导体断裂的解决方案

(1)对每盘下车的导体都要进行拉伸试验，保证每根导体的伸长率都在22%～26%之间，保证绞合导体的柔软性和均匀性。

(2)对绞合后的裸导体进行规定次数的弯折试验。进行弯折试验的设备是我公司根据电缆的现场使用情况而自制的。该试验方法与其它标准规定的试验方法不同在于，其它标准规定的试验方法中，导体在弯折处都有一个弯曲半径，而我公司的试制方法是导体弯折处成直角，因此，其试验条件更严格，按照我公司规定的试验方法进行试验合格后，导体可充分满足现场的使用要求。

(3)介质层采用管状结构，也可增加导体的抗振断能力。

改进后的产品结构见图3。