高屏蔽性能綜合護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任公司，甘肅天水741000)

0 引言

目前，國內生產的綜合護套鐵路信號電纜，當感應電動勢為35～200 V時理想屏蔽系數在0.5～0.8之間，不適用于電磁干擾較強的電氣化區段，但綜合護套電纜具有彎曲半徑小的特點(最小彎曲半徑為電纜直徑的15倍)，可用于特殊的敷設地段。鋁護套鐵路信號電纜的理想屏蔽系數在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的特殊電氣化區段，雖然可滿足屏蔽性能的要求，但不能滿足敷設環境的要求。我們為了滿足不斷變化的市場需求，對現有綜合護套鐵路信號電纜的護層結構進行了重新設計，力圖提高其屏蔽性能。

1 電纜護層簡介

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

圖1 電纜的護層分類圖

由圖1可知，電纜的外護層主要由內襯層、鎧裝層和外護套三個部分組成。內襯層的作用是在鎧裝過程中防止纜芯被鎧裝層壓傷，同時在敷設過程中可以抵御外界腐蝕介質的侵入，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和運行過程中遭受機械損傷和化學腐蝕;外護套的主要作用是保護鎧裝層，防止鎧裝層在運行過程中腐蝕。而對電纜起屏蔽作用的主要是內襯層和鎧裝層，可通過采用不同的綜合護層材料、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 電纜護層結構的設計

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。能產生靜電屏蔽效果的必要條件是接地，其效果與接地質量有關。制造靜電屏蔽時，采用導電率大的金屬，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，它是由強磁材料(通常是鋼)構成的。在頻率增高后，屏蔽內渦流作用增大，靜磁屏蔽就會轉入電磁屏蔽的工作狀態。

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象以及屏蔽金屬厚度內高頻能量的衰減。

2.2 電纜金屬套的屏蔽系數

在防強電干擾的低頻下，電纜金屬套的屏蔽系數也稱為護套的防護作用系數。屏蔽系數S0表示的是屏蔽作用的大小，其值等于有屏蔽層時，被屏蔽空間內某一點的電場強度EB或磁場強度HB與沒有屏蔽層時該點的電場強度E或磁場強度H之比。

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

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

而實際上，電纜敷設后可能均勻接地，也可能分布接地，接地電阻不會等于零，因此，必須研究實際運用時的電纜護套的屏蔽系數。

電纜護套的實際屏蔽系數為:

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

因GpωCp及Gp=1/Rdp，故

式中，Rdp為電纜護套與大地間的接觸電阻(Ω·km)。

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

2.3 護層結構設計

在以上分析的基礎上，我們選擇了高導磁鋼帶作為鎧裝層，其相對磁導率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《電纜外護層》執行。在確定了鎧裝層之后，綜合護層所使用的鋁塑復合帶以及墊層厚度的設計，經過論證最終確定了兩種方案。通過現場的反復試驗，取得了一些有意義的數據。

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

表1 方案一理想屏蔽系數測試值

(2)方案二。采用0.5 mm厚的鋁塑復合帶縱包在纜芯上，并用熱風焊槍進行焊接，同時擠包厚度為1.5 mm的PE墊層，并左向間隙繞包兩層高導磁鋼帶作為鎧裝層，在不同感應電壓下的測試數據如表2所示。

表2 方案二理想屏蔽系數測試值

從表1和表2可以看出，在使用高導磁鋼帶作為鎧裝層的前提下，對鋁塑復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電纜的護層結構，即綜合護層采用厚度為0.5 mm的鋁塑復合帶縱包纜芯，并用熱風焊槍進行焊接，同時擠包一層厚度為1.5 mm的PE墊層，并左向間隙繞包兩層高導磁鋼帶作為鎧裝層的結構。電纜的外護套厚度執行GB/T 2952標準，材料可根據不同使用環境的要求進行選擇，如線性低密度聚乙烯護套料、低煙無鹵阻燃聚烯烴護套料、防白蟻護套料等。電纜結構示意圖見圖2。

圖2 電纜結構示意圖

3 綜合護套生產工藝

綜合護套電纜的屏蔽性能與纜芯內部結構(包括芯數、排列、結構等)無關，故主要對綜合護層工序生產工藝進行研究。綜合護層的生產是集鋁塑復合帶的包覆與PE墊層擠包為一體的生產工藝，在一臺生產設備上同時完成。該設備主要由放線裝置、縱包裝置、擠塑機、冷卻水槽、牽引裝置、收線裝置等六部分組成。綜合護套生產線示意圖見圖3。

圖3 綜合護層生產線示意圖

3.1 工藝參數的合理配置

在護層結構的設計中，為了滿足屏蔽性能的要求，我們對鋁塑復合帶的厚度進行了調整，相應的工藝參數也要進行調整。

(1)鋁塑復合帶寬度的選擇

式中，W為鋁塑復合帶寬度;D1為纜芯直徑;t為復合帶厚度。

(2)綜合護層后電纜直徑D2的計算

式中，δ為擠包PE墊層厚度。

(3)縱包模具的選配

承徑區長度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，縱包模具承徑區距離定徑模的距離不得大于100 mm，同時定徑模距離擠塑機機頭的距離不得大于180 mm。擠塑模具的配置與其他電纜的生產相同，這里不再贅述。

3.2 鋁塑復合帶的接續

在實際生產中，由于段長等各方面的影響，對鋁塑復合帶進行接續在所難免。0.5 mm厚的復合帶在接續過程中要注意接續質量，保證接續處良好導通，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。

4 結束語

高屏蔽性能綜合護套鐵路信號電纜具有理想屏蔽系數小、彎曲半徑小、生產周期短、生產成本低等優點。目前，國內綜合護套鐵路信號電纜的理想屏蔽系數標準規定為≤0.8，而高屏蔽性能綜合護套電纜的理想屏蔽系數≤0.2，且達到并超過了鋁護套鐵路信號電纜的標準，可用于電磁干擾較強的電氣化區段，而生產工序比鋁護套電纜少了兩道(鋁護套焊接和再次墊層)，大大縮短了生產周期和生產成本。同等性能下比鋁護套電纜的材料成本降低了10%～20%。此外，高屏蔽性能綜合護套鐵路信號電纜的研發成功，進一步擴展了綜合護套電纜的應用范圍。

［1］鄭玉東.通信電纜［M］.北京:機械工業出版社，1982.

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