新型大功率軌道交通用通信信號(hào)光電纜的研制

梁 斌 馮金洲 周佳龍

近10年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路技術(shù)的高速發(fā)展，作為鐵路行車(chē)安全的關(guān)鍵產(chǎn)品，鐵路信號(hào)電纜也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)有的鐵路 （內(nèi)屏蔽）數(shù)字信號(hào)電纜是專(zhuān)門(mén)為滿足我國(guó)自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZPW－2000列車(chē)自動(dòng)閉塞系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用產(chǎn)品，TB／T3100《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜》產(chǎn)品是針對(duì)我國(guó)列車(chē)提速后，信號(hào)傳輸對(duì)其通道的新要求而制定的。它既是對(duì)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB／T 2476《鐵路信號(hào)電纜》的變革，也是對(duì)鐵路通信信號(hào)一體化技術(shù)的極大推進(jìn)。但是鐵路信號(hào)電纜和鐵路 （內(nèi)屏蔽）數(shù)字信號(hào)電纜這2種產(chǎn)品的應(yīng)用方式，都是基于相同的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)而開(kāi)發(fā)的，即信號(hào)電纜的應(yīng)用理念仍沒(méi)有根本變化。

《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》特別規(guī)定了信號(hào)電纜芯線的分配原則，即根據(jù)電纜在信號(hào)系統(tǒng)中的不同功能和電路特點(diǎn)，如被允許的壓降要求，計(jì)算并分配回路中的線芯數(shù)與截面積，進(jìn)而選擇應(yīng)敷設(shè)的各類(lèi)信號(hào)電纜規(guī)格。其中信號(hào)電纜芯線分配是基于其導(dǎo)體直徑為1．0mm而確定的。

1 各類(lèi)信號(hào)電纜的使用現(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，在鐵路各類(lèi)信號(hào)電纜的使用中，當(dāng)需要大電流、長(zhǎng)距離傳輸控制信息或供電時(shí)，是將多根線芯并聯(lián)使用，以滿足其對(duì)電路回路電阻的要求。這種方式存在以下問(wèn)題。

1．當(dāng)其中1根芯線斷線時(shí)，故障不能導(dǎo)向安全。由于是多芯并聯(lián)，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)其中1根或數(shù)根斷線時(shí)，其他導(dǎo)線仍處于接通狀態(tài)，此時(shí)線路處于非正常狀態(tài)。其控制信息的傳遞及供電都已使信號(hào)控制或執(zhí)行設(shè)備處于非正常狀態(tài)；在鐵路沿線敷設(shè)的電纜長(zhǎng)期處于振動(dòng)的環(huán)境下，這種連接方式極易造成個(gè)別導(dǎo)線斷裂，事故隱患常常被掩蓋。

2．多芯線并聯(lián)時(shí)，由于分布電容增加，線路衰耗增大，難以保證長(zhǎng)距離供電 （如長(zhǎng)距離道岔供電）。

3．施工不方便，設(shè)計(jì)無(wú)根據(jù)，只能現(xiàn)場(chǎng)邊試邊改。

以上問(wèn)題對(duì)列車(chē)的行車(chē)安全造成極大的威脅，國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)是敷設(shè)多條不同線徑的電纜分別使用。

對(duì)于鐵路信號(hào)工程來(lái)說(shuō)，電纜接地故障也是個(gè)棘手問(wèn)題。由于電纜并不總是埋在電纜溝里，也敷設(shè)在線路兩旁預(yù)留好的電纜槽中，再加上交叉施工，免不了出現(xiàn)電纜被砸傷而導(dǎo)致電纜芯線接地的情況，如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或修復(fù)，一旦電纜使用在有很強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾的區(qū)段，電纜屏蔽層中的電流就可能被導(dǎo)入到電纜芯線中，形成強(qiáng)干擾信號(hào)，會(huì)引起終端設(shè)備的誤動(dòng)作或損壞設(shè)備，同樣會(huì)對(duì)列車(chē)行車(chē)安全造成極大的威脅。

由于鐵路沿線的地理環(huán)境復(fù)雜，電纜不能保證總是敷設(shè)在干燥的區(qū)段，常常會(huì)放在潮濕或有水的地段，電纜內(nèi)部如侵入潮氣，則其絕緣性能將大幅度下降，為此也要保證電纜有很好的防水、防潮性能。同時(shí)電纜的防火要求也日漸提高。

2 新型光電纜的設(shè)計(jì)

為了提高鐵路信號(hào)系統(tǒng)安全性要求，以及簡(jiǎn)化信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了一款大功率軌道交通用通信信號(hào)光電纜。它可在各種特殊的環(huán)境中，長(zhǎng)期安全使用，具有優(yōu)異電氣性能、物理機(jī)械及傳輸性能。具體結(jié)構(gòu)分析如下。

圖1為一種鋁護(hù)套屏蔽結(jié)構(gòu)新型的大功率專(zhuān)用低衰減、阻水光電纜。傳輸部分由電力傳輸或信號(hào)控制線芯、信號(hào)傳輸對(duì)絞／星絞單元和光單元組成。這樣既滿足了實(shí)際使用中不同信息傳輸容量的需求，又滿足了不同距離的傳輸要求。

在具有很強(qiáng)電磁場(chǎng)的干擾區(qū)段內(nèi)，為防止線芯中的感應(yīng)電流影響信號(hào)傳輸質(zhì)量，導(dǎo)致終端設(shè)備的誤動(dòng)作，采用屏蔽層結(jié)構(gòu)是必需的。除了借鑒鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的屏蔽結(jié)構(gòu)外，特別增加了低電阻、大截面的泄流線，以提高在強(qiáng)感應(yīng)電壓及雷擊環(huán)境下，電纜可安全運(yùn)行。同時(shí)當(dāng)屏蔽層損傷時(shí)，通過(guò)因電磁場(chǎng)變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電流觸發(fā)警報(bào)裝置，及時(shí)提醒工作人員終止終端設(shè)備的誤動(dòng)作，消除安全隱患。因此更適合常規(guī)環(huán)境下敷設(shè)。

為保證電纜在極端潮濕或水淹條件下可靠使用，纜芯采用阻水或水密結(jié)構(gòu)。特別選用了電氣性能良好的非粘性觸變膠及其他阻水保護(hù)層，保證了電纜具有優(yōu)異的防水、防潮及施工便利性。

通過(guò)高導(dǎo)磁鋼帶鎧裝及鋁護(hù)套構(gòu)成綜合屏蔽層，大幅度提高了電纜的抗電磁干擾性能。同時(shí)，電纜的防鼠咬傷，以及抗壓抗沖擊等機(jī)械性能也得到了保證，使電纜在不同復(fù)雜的地理環(huán)境下長(zhǎng)期安全、可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意圖

3 新型光電纜各組成部分及功能

3．1 導(dǎo)體

采用多種方式改善導(dǎo)體的各項(xiàng)性能，如通過(guò)加大導(dǎo)體的截面積，來(lái)實(shí)現(xiàn)大電流的傳輸；采取束線絞合結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)體具有良好的彎曲性能及抗振動(dòng)；對(duì)于一些特殊場(chǎng)合，則采用高強(qiáng)度導(dǎo)電的合金材料。如導(dǎo)體既可采用直徑1．8mm，截面為2．5mm2的鍍錫銅合金絞線，也可以采用相當(dāng)截面的圓銅單線。通過(guò)上述的措施，導(dǎo)體的抗張力比現(xiàn)有信號(hào)電纜提高了至少80%，保證了電纜在長(zhǎng)期振動(dòng)條件下的可靠性。

3．2 絕緣

目前鐵路各類(lèi)信號(hào)電纜絕緣材料都采用熱塑性聚乙烯塑料，但由于其線性分子結(jié)構(gòu)，聚乙烯材料的耐熱性及耐老化性等都不如熱固性材料。為此新型光電纜絕緣采用熱固性交聯(lián)聚乙烯 （XLPE）電纜專(zhuān)用樹(shù)脂，將電纜的長(zhǎng)期允許工作溫度由70℃提高到90℃，5s短路溫度由160℃提高到250℃。耐磨性、耐化學(xué)藥品性、耐應(yīng)力開(kāi)裂等一系列物理、化學(xué)性能都有了很大的改善。在保持原有優(yōu)良電氣性能的前提下，極大地提高了實(shí)際使用性能。

3．3 線組絞合

將2根或4根不同顏色及數(shù)字標(biāo)識(shí)的絕緣線芯，以一定的節(jié)距絞合在一起，形成一個(gè)工作對(duì)組。根據(jù)使用的要求，還可以將2組以上的線對(duì)再絞合成纜芯。注意在纜芯的絞合過(guò)程中，相鄰工作線對(duì)的絞合節(jié)距應(yīng)有差異，通過(guò)計(jì)算，選擇不同配合的節(jié)距組，可以使線組間的電磁耦合最小、組間串音最小。由于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的變化，工作線組的絞合特別要關(guān)注其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3．4 光單元

根據(jù)電纜使用信號(hào)控制系統(tǒng)的不同，在電纜的纜芯中加入光通信單元，其保護(hù)層可以是非金屬材料的，也可以是不銹鋼套管的光纖單元。光單元中的光纖數(shù)可以是2纖、4纖等。光纖作為該信號(hào)系統(tǒng)中附加通信功能的通道，也可作為信號(hào)控制的光傳輸信息的媒介。

3．5 纜芯

纜芯由對(duì)電力傳輸或信號(hào)控制線芯、信號(hào)傳輸對(duì)絞單元、星絞單元和光單元組成。成纜過(guò)程中，節(jié)徑比控制在16～18倍，當(dāng)電纜需要處于良好的防水環(huán)境中，并具有合適的傳輸特性時(shí)，可以填充專(zhuān)用的通信電纜阻水油膏。這種油膏不但要有良好的阻水效果，而且其介電系數(shù)應(yīng)與交聯(lián)聚乙烯材料的介電系數(shù)相當(dāng)，并且具有較好的絕緣性能。為方便施工在電纜的纜芯中不排除采用干式的阻水材料，如阻水紗，在電纜纜芯的外部，可以包繞不吸濕的或阻水的帶材，以提高它的徑向阻水特性。

3．6 屏蔽

為使電纜安全應(yīng)用在強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境，在電纜纜芯的外部，采用抗電磁干擾的金屬保護(hù)套。這種有色金屬帶或復(fù)合帶可以采用縱向焊接或繞包的方式，包覆在電纜纜芯的外部。當(dāng)采用厚度大于0．5mm的有色金屬帶時(shí)，可以軋紋或壓花，以使電纜具有良好的彎曲性能。這種金屬屏蔽層可以是一層或多層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，相鄰的屏蔽層采用不同的金屬時(shí)，其對(duì)外部電磁場(chǎng)的屏蔽效果更好。

當(dāng)電纜在狹窄空間布線時(shí)，可將鋁護(hù)套屏蔽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為銅導(dǎo)體纏繞或編制屏蔽結(jié)構(gòu)。與鋁護(hù)套屏蔽相比，在滿足電纜穩(wěn)定運(yùn)行的安全性和可靠性的前提下，該電纜最小彎曲半徑從15倍電纜外徑縮小到12倍電纜外徑，更好的彎曲性能顯著提高了電纜安裝的方便性。

3．7 鎧裝

在電纜的內(nèi)襯層外繞包2層高導(dǎo)磁率的鍍鋅鋼帶，為提高電纜的彎曲性能，必要時(shí)可以采用軋制的聯(lián)鎖鎧裝方式。這種鋼帶層不但提高了電纜的抗外部電磁場(chǎng)干擾的能力，而且也為保護(hù)提供了極好的抗外部機(jī)械沖擊及破壞的能力。

在狹小空間，采用聯(lián)鎖鎧裝方式可進(jìn)一步將電纜的最小彎曲半徑降低至8倍，極大地提高了電纜敷設(shè)的便捷性。

3．8 護(hù)套

在電纜的金屬帶外包繞或擠包一層絕緣性能良好的保護(hù)套層 （內(nèi)襯層），可以是非吸濕的非金屬帶或其他塑料保護(hù)層。這種絕緣保護(hù)層要有良好的耐電壓沖擊的性能，也作為電纜的防雷保護(hù)層。在電纜的鋼帶層外，擠出一層電纜的低煙無(wú)鹵低毒保護(hù)套，這種保護(hù)套可以是阻燃或非阻燃的材料，并具有良好的抗外部腐蝕及老化的性能。

4 試制與測(cè)試

參考德國(guó)信號(hào)系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范，并結(jié)合TB／T2476《鐵路信號(hào)電纜》及TB／T3100 《鐵路數(shù)字信號(hào)電纜》要求，對(duì)試制電纜按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行測(cè)試。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，該電纜可用于我國(guó)軌道交通信號(hào)傳輸、控制及供電的大部分領(lǐng)域，極大地提高了線路傳輸?shù)陌踩?。由于該產(chǎn)品是基于我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀，因此在系列化的產(chǎn)品中，充分考慮了兼顧現(xiàn)有信號(hào)是電纜產(chǎn)品的可行性，從而使電纜導(dǎo)體的規(guī)格及產(chǎn)品的性能適用于其他通用的場(chǎng)合。

5 結(jié)束語(yǔ)

該電纜同時(shí)具有電力傳輸或信號(hào)控制線芯、信號(hào)傳輸對(duì)絞單元和光單元。一方面集信號(hào)傳輸、電力輸配電和光纖于一身，各單元之間無(wú)電磁場(chǎng)干擾，長(zhǎng)期工作溫度相兼容，實(shí)現(xiàn)了一纜多能；另一方面也徹底解決導(dǎo)線并用易造成的部分芯線斷線故障隱患，特別設(shè)計(jì)的線組結(jié)構(gòu)與組合方式，完全考慮了信號(hào)施工的特點(diǎn)與習(xí)慣，因此，該電纜可應(yīng)用于現(xiàn)有鐵路、地鐵、輕軌的大部分系統(tǒng)，且具有極高的安全可靠性。此外，人性化的報(bào)警系統(tǒng)，能及時(shí)提醒消除安全隱患，保證人身和財(cái)產(chǎn)安全。相信這種新型通信信號(hào)光電纜為完善我國(guó)鐵路信號(hào)電纜應(yīng)用方式，提高傳輸性，將起到積極的作用。

目前這種新型光電纜已經(jīng)研制成功，通過(guò)了國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試，并申請(qǐng)了201410182000．8發(fā)明專(zhuān)利 《一種大功率通信信號(hào)控制光電綜合纜》和實(shí)用新型專(zhuān)利 ZL 2014 2 0221029．8 《一種大功率通信信號(hào)控制光電綜合纜》。

［1］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB／T 3100．1－2004．鐵路數(shù)字信號(hào)電纜第1部分：一般規(guī)定［S］．2004．

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部．TB／T 2476．1－1993［S］．鐵路信號(hào)電纜 一般規(guī)定．1993．

［3］ 中國(guó)鐵路通信信號(hào)總公司研究設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)信號(hào)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007 ．

［4］ 北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院．TB1007－2006，J529－2006鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2006

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