張富縣,段 拓
(西安西電光電纜有限責任公司,陜西 西安710082)
隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展,鐵路機車由非電氣化發(fā)展為電氣化,鐵路信號電纜由普通塑料信號電纜發(fā)展為鐵路數(shù)字信號電纜。鐵路數(shù)字信號電纜敷設在電氣化區(qū)段時,就會受到外界干擾源的電磁干擾,影響信號線路的傳輸質(zhì)量。
本文通過鐵路數(shù)字信號電纜的屏蔽能力理論分析,提出屏蔽系數(shù)的計算方法,并對影響屏蔽系數(shù)的因素進行分析探討。
鐵路數(shù)字信號電纜適用于鐵路信號系統(tǒng)中有關(guān)設備和控制裝置之間的連接,可實現(xiàn)1MHz(模擬信號)、2Mbit/t(數(shù)字信號)、額定電壓交流750V或直流1100V及以下系統(tǒng)控制信息與電能的傳輸。根據(jù)其結(jié)構(gòu)、使用場合及敷設條件,鐵路數(shù)字信號電纜的分類見表1。
從表1可知,鋁護套電纜和綜合護套電纜雖都用于電氣化鐵路,但其承受外界電磁干擾的程度不同。從電纜的理論設計角度出發(fā),衡量電纜承受外界電磁干擾屏蔽能力的指標是電纜的理想屏蔽系數(shù)。
表1 鐵路數(shù)字信號電纜的分類
鐵路數(shù)字信號電纜敷設在鐵路兩邊時,周圍存在27.5 kV接觸網(wǎng)線、10 kV電力電纜等電磁干擾源。若干擾源存在的干擾電流為,它在信號電纜的金屬護套上感應的縱電動勢為,在信號電纜線芯上感應的縱電動勢為,兩者都落后于90°的相位。在作用下金屬護套中產(chǎn)生電流,它落后于一個φ角(φ=tanLm和Rm為金屬護套的自電感和交流電阻,ω為角頻率)。在線芯上感應出縱電動勢,它落后于90°的相位。將與進行向量合成得到,干擾電流和感應縱電動勢的相量關(guān)系如圖1、圖2所示。顯然的值小于,即信號電纜上的感應電動勢值降低,從而金屬護套起到屏蔽作用。同時也可以看出,之所以減小是由于金屬護套中電流的作用結(jié)果。
圖1 相對位置
圖2 干擾電流與感應縱電動勢的相量關(guān)系
通過上述分析可知,鋁護套電纜與綜合護套電纜相比,鋁護套的交流電阻較小,因此φ角大,電纜線芯上的感應電動勢向量和小,所以其屏蔽能力高于綜合護套電纜。
金屬護套中的電流為
式中,M0m為電力線路與金屬護套之間單位長度的互感系數(shù)。
無屏蔽時,在電纜線芯上感應的縱電動勢為
式中,M0a為電力線路與信號線路之間單位長度的互感系數(shù)。
有屏蔽時,在電纜線芯上感應的縱電動勢為
式中,Mam為金屬護套與信號線路之間單位長度的互感系數(shù)。
則屏蔽系數(shù)可以表示為
若將式(2)代入式(5),則屏蔽系數(shù)又可表示為
對于圖1,M0m≈M0a,則
金屬護套接地時,Mam≈Lm,則
由式(8)可知,鐵路數(shù)字信號電纜的屏蔽系數(shù)與電纜金屬護套的自感、交流電阻有關(guān)。
以上分析是假設金屬護套接地電阻為零的情況,這時的屏蔽系數(shù)稱為理想屏蔽系數(shù)。
當考慮接地電阻的影響時,這時的屏蔽系數(shù)稱為實際屏蔽系數(shù)K實。其計算公式為:
式中,Rd為接地電阻。
金屬護套的自感Lm計算公式為:
式中,Li為金屬護套的內(nèi)電感;Le為金屬護套的外電感。
式中,σ為大地電導率(S/m);Dm為鎧裝層的平均直徑(m)。
Le隨σ、Dm變化很小,大致為(1.9~2)×10-3H/km,一般取2×10-3H/km。
式中,D1為電纜鋼帶層的平均直徑;μ為鋼帶導磁率;n為鋼帶層數(shù);δ為鋼帶厚度;Δ為鋼帶間隙;a為鋼帶寬度。
交流電阻Rm為鋁護套電阻R1和鋼帶電阻R2的并聯(lián)電阻,其計算公式為:
式中,ρ為鋁的電阻率0.0283Ω·mm2/m;D為纜芯直徑;Δal為鋁層厚度;ρk為鋼帶的電阻率0.132 Ω·mm2/m。
(1)鋁護套電纜的屏蔽能力高于綜合護套電纜和塑料護套電纜。
(2)理想屏蔽系數(shù)與電纜金屬護套的自感、交流電阻有關(guān)。
(3)實際屏蔽系數(shù)與金屬護套的自感、交流電阻值及接地電阻有關(guān)。