鐵路數(shù)字信號(hào)電纜屏蔽能力理論分析

張富縣，段 拓

(西安西電光電纜有限責(zé)任公司，陜西 西安710082)

0 引言

隨著鐵路事業(yè)的快速發(fā)展，鐵路機(jī)車由非電氣化發(fā)展為電氣化，鐵路信號(hào)電纜由普通塑料信號(hào)電纜發(fā)展為鐵路數(shù)字信號(hào)電纜。鐵路數(shù)字信號(hào)電纜敷設(shè)在電氣化區(qū)段時(shí)，就會(huì)受到外界干擾源的電磁干擾，影響信號(hào)線路的傳輸質(zhì)量。

本文通過鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的屏蔽能力理論分析，提出屏蔽系數(shù)的計(jì)算方法，并對(duì)影響屏蔽系數(shù)的因素進(jìn)行分析探討。

1 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的分類

鐵路數(shù)字信號(hào)電纜適用于鐵路信號(hào)系統(tǒng)中有關(guān)設(shè)備和控制裝置之間的連接，可實(shí)現(xiàn)1MHz(模擬信號(hào))、2Mbit/t(數(shù)字信號(hào))、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(chǎng)合及敷設(shè)條件，鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的分類見表1。

從表1可知，鋁護(hù)套電纜和綜合護(hù)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(shè)計(jì)角度出發(fā)，衡量電纜承受外界電磁干擾屏蔽能力的指標(biāo)是電纜的理想屏蔽系數(shù)。

表1 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的分類

2 鐵路數(shù)字信號(hào)電纜線芯的感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)與電纜金屬護(hù)套的關(guān)系分析

鐵路數(shù)字信號(hào)電纜敷設(shè)在鐵路兩邊時(shí)，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(hào)電纜的金屬護(hù)套上感應(yīng)的縱電動(dòng)勢(shì)為，在信號(hào)電纜線芯上感應(yīng)的縱電動(dòng)勢(shì)為，兩者都落后于90°的相位。在作用下金屬護(hù)套中產(chǎn)生電流，它落后于一個(gè)φ角(φ=tanLm和Rm為金屬護(hù)套的自電感和交流電阻，ω為角頻率)。在線芯上感應(yīng)出縱電動(dòng)勢(shì)，它落后于90°的相位。將與進(jìn)行向量合成得到，干擾電流和感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的相量關(guān)系如圖1、圖2所示。顯然的值小于，即信號(hào)電纜上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)值降低，從而金屬護(hù)套起到屏蔽作用。同時(shí)也可以看出，之所以減小是由于金屬護(hù)套中電流的作用結(jié)果。

圖1 相對(duì)位置

圖2 干擾電流與感應(yīng)縱電動(dòng)勢(shì)的相量關(guān)系

通過上述分析可知，鋁護(hù)套電纜與綜合護(hù)套電纜相比，鋁護(hù)套的交流電阻較小，因此φ角大，電纜線芯上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量和小，所以其屏蔽能力高于綜合護(hù)套電纜。

3 理想屏蔽系數(shù)的理論計(jì)算

金屬護(hù)套中的電流為

式中，M0m為電力線路與金屬護(hù)套之間單位長(zhǎng)度的互感系數(shù)。

無(wú)屏蔽時(shí)，在電纜線芯上感應(yīng)的縱電動(dòng)勢(shì)為

式中，M0a為電力線路與信號(hào)線路之間單位長(zhǎng)度的互感系數(shù)。

有屏蔽時(shí)，在電纜線芯上感應(yīng)的縱電動(dòng)勢(shì)為

式中，Mam為金屬護(hù)套與信號(hào)線路之間單位長(zhǎng)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(duì)于圖1，M0m≈M0a，則

金屬護(hù)套接地時(shí)，Mam≈Lm，則

由式(8)可知，鐵路數(shù)字信號(hào)電纜的屏蔽系數(shù)與電纜金屬護(hù)套的自感、交流電阻有關(guān)。

以上分析是假設(shè)金屬護(hù)套接地電阻為零的情況，這時(shí)的屏蔽系數(shù)稱為理想屏蔽系數(shù)。

4 實(shí)際屏蔽系數(shù)的理論計(jì)算

當(dāng)考慮接地電阻的影響時(shí)，這時(shí)的屏蔽系數(shù)稱為實(shí)際屏蔽系數(shù)K實(shí)。其計(jì)算公式為:

式中，Rd為接地電阻。

金屬護(hù)套的自感Lm計(jì)算公式為:

式中，Li為金屬護(hù)套的內(nèi)電感;Le為金屬護(hù)套的外電感。

式中，σ為大地電導(dǎo)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(dǎo)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(hù)套電阻R1和鋼帶電阻R2的并聯(lián)電阻，其計(jì)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。

5 結(jié)論

(1)鋁護(hù)套電纜的屏蔽能力高于綜合護(hù)套電纜和塑料護(hù)套電纜。

(2)理想屏蔽系數(shù)與電纜金屬護(hù)套的自感、交流電阻有關(guān)。

(3)實(shí)際屏蔽系數(shù)與金屬護(hù)套的自感、交流電阻值及接地電阻有關(guān)。