高屏蔽性能綜合護(hù)套鐵路信號電纜的研制

溫雅梅， 陳建勛， 錢 偉， 徐博莉， 馬文慶， 荊 華

(天水鐵路電纜有限責(zé)任公司，甘肅天水741000)

0 引言

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的綜合護(hù)套鐵路信號電纜，當(dāng)感應(yīng)電動勢為35～200 V時(shí)理想屏蔽系數(shù)在0.5～0.8之間，不適用于電磁干擾較強(qiáng)的電氣化區(qū)段，但綜合護(hù)套電纜具有彎曲半徑小的特點(diǎn)(最小彎曲半徑為電纜直徑的15倍)，可用于特殊的敷設(shè)地段。鋁護(hù)套鐵路信號電纜的理想屏蔽系數(shù)在0.3以下，而彎曲半徑必須大于電纜直徑的20倍，在一些電磁干擾較強(qiáng)的特殊電氣化區(qū)段，雖然可滿足屏蔽性能的要求，但不能滿足敷設(shè)環(huán)境的要求。我們?yōu)榱藵M足不斷變化的市場需求，對現(xiàn)有綜合護(hù)套鐵路信號電纜的護(hù)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，力圖提高其屏蔽性能。

1 電纜護(hù)層簡介

護(hù)層是保護(hù)電線電纜的纜芯免受環(huán)境因素侵蝕的結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)電線電纜的品種、用途、使用環(huán)境和絕緣材料的不同，護(hù)層有許多不同形式和結(jié)構(gòu)，它們所起的作用也不盡相同。但護(hù)層的主要作用是提高電線電纜的機(jī)械強(qiáng)度、防化學(xué)腐蝕、防潮、防水侵入及屏蔽外界電磁干擾等。電線電纜的護(hù)層分類如圖1所示。

圖1 電纜的護(hù)層分類圖

由圖1可知，電纜的外護(hù)層主要由內(nèi)襯層、鎧裝層和外護(hù)套三個(gè)部分組成。內(nèi)襯層的作用是在鎧裝過程中防止纜芯被鎧裝層壓傷，同時(shí)在敷設(shè)過程中可以抵御外界腐蝕介質(zhì)的侵入，延長電纜的使用壽命;鎧裝層的主要作用是防止電纜在敷設(shè)和運(yùn)行過程中遭受機(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕;外護(hù)套的主要作用是保護(hù)鎧裝層，防止鎧裝層在運(yùn)行過程中腐蝕。而對電纜起屏蔽作用的主要是內(nèi)襯層和鎧裝層，可通過采用不同的綜合護(hù)層材料、不同的鎧裝鋼帶，以及特殊的加工工藝來保證電纜的屏蔽性能。

2 電纜護(hù)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 電纜的屏蔽

我們知道，電纜的屏蔽可分為靜電屏蔽、靜磁屏蔽及電磁屏蔽三種形式。

靜電屏蔽的作用是使電場終止于屏蔽的金屬表面上，并將電荷送入大地。能產(chǎn)生靜電屏蔽效果的必要條件是接地，其效果與接地質(zhì)量有關(guān)。制造靜電屏蔽時(shí)，采用導(dǎo)電率大的金屬，屏蔽效果要好一些。

靜磁屏蔽的作用是使磁場限制于屏蔽內(nèi)，它是由強(qiáng)磁材料(通常是鋼)構(gòu)成的。在頻率增高后，屏蔽內(nèi)渦流作用增大，靜磁屏蔽就會轉(zhuǎn)入電磁屏蔽的工作狀態(tài)。

電磁屏蔽的作用原理是電磁波在屏蔽層的表面上的反射現(xiàn)象以及屏蔽金屬厚度內(nèi)高頻能量的衰減。

2.2 電纜金屬套的屏蔽系數(shù)

在防強(qiáng)電干擾的低頻下，電纜金屬套的屏蔽系數(shù)也稱為護(hù)套的防護(hù)作用系數(shù)。屏蔽系數(shù)S0表示的是屏蔽作用的大小，其值等于有屏蔽層時(shí)，被屏蔽空間內(nèi)某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度EB或磁場強(qiáng)度HB與沒有屏蔽層時(shí)該點(diǎn)的電場強(qiáng)度E或磁場強(qiáng)度H之比。

通常我們在衡量電纜屏蔽性能時(shí)，使用的指標(biāo)是理想屏蔽系數(shù)S0，它是指電纜在完全均勻接地的情況下的屏蔽系數(shù)。

式中，RP為金屬套的有效電阻，在低頻下就等于護(hù)套的直流電阻(Ω/km);LP為“護(hù)套－大地”回路的電感，為金屬套的內(nèi)電感與外電感之和(H/km);RPA為護(hù)套與線芯互感阻抗的電阻部分;LPA為護(hù)套與線芯互感阻抗的電感部分。

而實(shí)際上，電纜敷設(shè)后可能均勻接地，也可能分布接地，接地電阻不會等于零，因此，必須研究實(shí)際運(yùn)用時(shí)的電纜護(hù)套的屏蔽系數(shù)。

電纜護(hù)套的實(shí)際屏蔽系數(shù)為:

式中，L為接近段平行長度(km);γP為電纜護(hù)套的傳播常數(shù);RP、LP、GP、CP分別為電纜金屬套的有效電阻、電感、電導(dǎo)及電容。

因GpωCp及Gp=1/Rdp，故

式中，Rdp為電纜護(hù)套與大地間的接觸電阻(Ω·km)。

Rdp與電纜的類型及接地狀態(tài)有關(guān)，由式(2)和式(4)可以看出，Rdp愈小，則電纜的實(shí)際屏蔽系數(shù)S愈接近于理想屏蔽系數(shù)S0。由式(1)可見，減小金屬套的直流電阻，采用強(qiáng)磁導(dǎo)率材料增加電感是提高電纜護(hù)套屏蔽性能的主要途徑。

2.3 護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在以上分析的基礎(chǔ)上，我們選擇了高導(dǎo)磁鋼帶作為鎧裝層，其相對磁導(dǎo)率μr為3 000～4 000，是普通低碳鋼帶的10～20倍，可大大提高電纜的屏蔽性能。鋼帶厚度的選擇按GB/T 2952《電纜外護(hù)層》執(zhí)行。在確定了鎧裝層之后，綜合護(hù)層所使用的鋁塑復(fù)合帶以及墊層厚度的設(shè)計(jì)，經(jīng)過論證最終確定了兩種方案。通過現(xiàn)場的反復(fù)試驗(yàn)，取得了一些有意義的數(shù)據(jù)。

(1)方案一。采用0.3 mm厚的鋁塑復(fù)合帶縱包在纜芯上，并用熱風(fēng)焊槍進(jìn)行焊接，同時(shí)擠包厚度為1.5 mm的聚乙烯(PE)墊層，并左向間隙繞包兩層高導(dǎo)磁鋼帶作為鎧裝層，在不同感應(yīng)電壓下的測試數(shù)據(jù)如表1所示。測試方法執(zhí)行 GB/T 5441.9《通信電纜試驗(yàn)方法 工頻條件下理想屏蔽系數(shù)試驗(yàn)》，表1中VS為電纜試樣金屬套上的縱向干擾電壓;VC為線芯上的感應(yīng)電壓;γS為電纜試樣金屬套上干擾電壓為VS時(shí)的理想屏蔽系數(shù)，γS=VC/VS。

表1 方案一理想屏蔽系數(shù)測試值

(2)方案二。采用0.5 mm厚的鋁塑復(fù)合帶縱包在纜芯上，并用熱風(fēng)焊槍進(jìn)行焊接，同時(shí)擠包厚度為1.5 mm的PE墊層，并左向間隙繞包兩層高導(dǎo)磁鋼帶作為鎧裝層，在不同感應(yīng)電壓下的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 方案二理想屏蔽系數(shù)測試值

從表1和表2可以看出，在使用高導(dǎo)磁鋼帶作為鎧裝層的前提下，對鋁塑復(fù)合帶以及墊層厚度的選擇采用方案二有更理想的效果。為此我們確定了整個(gè)電纜的護(hù)層結(jié)構(gòu)，即綜合護(hù)層采用厚度為0.5 mm的鋁塑復(fù)合帶縱包纜芯，并用熱風(fēng)焊槍進(jìn)行焊接，同時(shí)擠包一層厚度為1.5 mm的PE墊層，并左向間隙繞包兩層高導(dǎo)磁鋼帶作為鎧裝層的結(jié)構(gòu)。電纜的外護(hù)套厚度執(zhí)行GB/T 2952標(biāo)準(zhǔn)，材料可根據(jù)不同使用環(huán)境的要求進(jìn)行選擇，如線性低密度聚乙烯護(hù)套料、低煙無鹵阻燃聚烯烴護(hù)套料、防白蟻?zhàn)o(hù)套料等。電纜結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

3 綜合護(hù)套生產(chǎn)工藝

綜合護(hù)套電纜的屏蔽性能與纜芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)(包括芯數(shù)、排列、結(jié)構(gòu)等)無關(guān)，故主要對綜合護(hù)層工序生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究。綜合護(hù)層的生產(chǎn)是集鋁塑復(fù)合帶的包覆與PE墊層擠包為一體的生產(chǎn)工藝，在一臺生產(chǎn)設(shè)備上同時(shí)完成。該設(shè)備主要由放線裝置、縱包裝置、擠塑機(jī)、冷卻水槽、牽引裝置、收線裝置等六部分組成。綜合護(hù)套生產(chǎn)線示意圖見圖3。

圖3 綜合護(hù)層生產(chǎn)線示意圖

3.1 工藝參數(shù)的合理配置

在護(hù)層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了滿足屏蔽性能的要求，我們對鋁塑復(fù)合帶的厚度進(jìn)行了調(diào)整，相應(yīng)的工藝參數(shù)也要進(jìn)行調(diào)整。

(1)鋁塑復(fù)合帶寬度的選擇

式中，W為鋁塑復(fù)合帶寬度;D1為纜芯直徑;t為復(fù)合帶厚度。

(2)綜合護(hù)層后電纜直徑D2的計(jì)算

式中，δ為擠包PE墊層厚度。

(3)縱包模具的選配

承徑區(qū)長度L取12～15 mm;縱包模具與縱包平臺的夾角α≤20°。

(4)定徑模尺寸D3的選配

另外，縱包模具承徑區(qū)距離定徑模的距離不得大于100 mm，同時(shí)定徑模距離擠塑機(jī)機(jī)頭的距離不得大于180 mm。擠塑模具的配置與其他電纜的生產(chǎn)相同，這里不再贅述。

3.2 鋁塑復(fù)合帶的接續(xù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于段長等各方面的影響，對鋁塑復(fù)合帶進(jìn)行接續(xù)在所難免。0.5 mm厚的復(fù)合帶在接續(xù)過程中要注意接續(xù)質(zhì)量，保證接續(xù)處良好導(dǎo)通，厚度變化不能太大，否則很容易在定徑模處拉斷，造成不必要的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

高屏蔽性能綜合護(hù)套鐵路信號電纜具有理想屏蔽系數(shù)小、彎曲半徑小、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，國內(nèi)綜合護(hù)套鐵路信號電纜的理想屏蔽系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為≤0.8，而高屏蔽性能綜合護(hù)套電纜的理想屏蔽系數(shù)≤0.2，且達(dá)到并超過了鋁護(hù)套鐵路信號電纜的標(biāo)準(zhǔn)，可用于電磁干擾較強(qiáng)的電氣化區(qū)段，而生產(chǎn)工序比鋁護(hù)套電纜少了兩道(鋁護(hù)套焊接和再次墊層)，大大縮短了生產(chǎn)周期和生產(chǎn)成本。同等性能下比鋁護(hù)套電纜的材料成本降低了10%～20%。此外，高屏蔽性能綜合護(hù)套鐵路信號電纜的研發(fā)成功，進(jìn)一步擴(kuò)展了綜合護(hù)套電纜的應(yīng)用范圍。

［1］鄭玉東.通信電纜［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

［2］王春江主編.電線電纜手冊 第 一冊(第二版).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.