高屏蔽性能综合护套铁路信号电缆的研制

温雅梅， 陈建勋， 钱 伟， 徐博莉， 马文庆， 荆 华

(天水铁路电缆有限责任公司，甘肃天水741000)

0 引言

目前，国内生产的综合护套铁路信号电缆，当感应电动势为35～200 V时理想屏蔽系数在0.5～0.8之间，不适用于电磁干扰较强的电气化区段，但综合护套电缆具有弯曲半径小的特点(最小弯曲半径为电缆直径的15倍)，可用于特殊的敷设地段。铝护套铁路信号电缆的理想屏蔽系数在0.3以下，而弯曲半径必须大于电缆直径的20倍，在一些电磁干扰较强的特殊电气化区段，虽然可满足屏蔽性能的要求，但不能满足敷设环境的要求。我们为了满足不断变化的市场需求，对现有综合护套铁路信号电缆的护层结构进行了重新设计，力图提高其屏蔽性能。

1 电缆护层简介

护层是保护电线电缆的缆芯免受环境因素侵蚀的结构部分。根据电线电缆的品种、用途、使用环境和绝缘材料的不同，护层有许多不同形式和结构，它们所起的作用也不尽相同。但护层的主要作用是提高电线电缆的机械强度、防化学腐蚀、防潮、防水侵入及屏蔽外界电磁干扰等。电线电缆的护层分类如图1所示。

图1 电缆的护层分类图

由图1可知，电缆的外护层主要由内衬层、铠装层和外护套三个部分组成。内衬层的作用是在铠装过程中防止缆芯被铠装层压伤，同时在敷设过程中可以抵御外界腐蚀介质的侵入，延长电缆的使用寿命;铠装层的主要作用是防止电缆在敷设和运行过程中遭受机械损伤和化学腐蚀;外护套的主要作用是保护铠装层，防止铠装层在运行过程中腐蚀。而对电缆起屏蔽作用的主要是内衬层和铠装层，可通过采用不同的综合护层材料、不同的铠装钢带，以及特殊的加工工艺来保证电缆的屏蔽性能。

2 电缆护层结构的设计

2.1 电缆的屏蔽

我们知道，电缆的屏蔽可分为静电屏蔽、静磁屏蔽及电磁屏蔽三种形式。

静电屏蔽的作用是使电场终止于屏蔽的金属表面上，并将电荷送入大地。能产生静电屏蔽效果的必要条件是接地，其效果与接地质量有关。制造静电屏蔽时，采用导电率大的金属，屏蔽效果要好一些。

静磁屏蔽的作用是使磁场限制于屏蔽内，它是由强磁材料(通常是钢)构成的。在频率增高后，屏蔽内涡流作用增大，静磁屏蔽就会转入电磁屏蔽的工作状态。

电磁屏蔽的作用原理是电磁波在屏蔽层的表面上的反射现象以及屏蔽金属厚度内高频能量的衰减。

2.2 电缆金属套的屏蔽系数

在防强电干扰的低频下，电缆金属套的屏蔽系数也称为护套的防护作用系数。屏蔽系数S0表示的是屏蔽作用的大小，其值等于有屏蔽层时，被屏蔽空间内某一点的电场强度EB或磁场强度HB与没有屏蔽层时该点的电场强度E或磁场强度H之比。

通常我们在衡量电缆屏蔽性能时，使用的指标是理想屏蔽系数S0，它是指电缆在完全均匀接地的情况下的屏蔽系数。

式中，RP为金属套的有效电阻，在低频下就等于护套的直流电阻(Ω/km);LP为“护套－大地”回路的电感，为金属套的内电感与外电感之和(H/km);RPA为护套与线芯互感阻抗的电阻部分;LPA为护套与线芯互感阻抗的电感部分。

而实际上，电缆敷设后可能均匀接地，也可能分布接地，接地电阻不会等于零，因此，必须研究实际运用时的电缆护套的屏蔽系数。

电缆护套的实际屏蔽系数为:

式中，L为接近段平行长度(km);γP为电缆护套的传播常数;RP、LP、GP、CP分别为电缆金属套的有效电阻、电感、电导及电容。

因GpωCp及Gp=1/Rdp，故

式中，Rdp为电缆护套与大地间的接触电阻(Ω·km)。

Rdp与电缆的类型及接地状态有关，由式(2)和式(4)可以看出，Rdp愈小，则电缆的实际屏蔽系数S愈接近于理想屏蔽系数S0。由式(1)可见，减小金属套的直流电阻，采用强磁导率材料增加电感是提高电缆护套屏蔽性能的主要途径。

2.3 护层结构设计

在以上分析的基础上，我们选择了高导磁钢带作为铠装层，其相对磁导率μr为3 000～4 000，是普通低碳钢带的10～20倍，可大大提高电缆的屏蔽性能。钢带厚度的选择按GB/T 2952《电缆外护层》执行。在确定了铠装层之后，综合护层所使用的铝塑复合带以及垫层厚度的设计，经过论证最终确定了两种方案。通过现场的反复试验，取得了一些有意义的数据。

(1)方案一。采用0.3 mm厚的铝塑复合带纵包在缆芯上，并用热风焊枪进行焊接，同时挤包厚度为1.5 mm的聚乙烯(PE)垫层，并左向间隙绕包两层高导磁钢带作为铠装层，在不同感应电压下的测试数据如表1所示。测试方法执行 GB/T 5441.9《通信电缆试验方法 工频条件下理想屏蔽系数试验》，表1中VS为电缆试样金属套上的纵向干扰电压;VC为线芯上的感应电压;γS为电缆试样金属套上干扰电压为VS时的理想屏蔽系数，γS=VC/VS。

表1 方案一理想屏蔽系数测试值

(2)方案二。采用0.5 mm厚的铝塑复合带纵包在缆芯上，并用热风焊枪进行焊接，同时挤包厚度为1.5 mm的PE垫层，并左向间隙绕包两层高导磁钢带作为铠装层，在不同感应电压下的测试数据如表2所示。

表2 方案二理想屏蔽系数测试值

从表1和表2可以看出，在使用高导磁钢带作为铠装层的前提下，对铝塑复合带以及垫层厚度的选择采用方案二有更理想的效果。为此我们确定了整个电缆的护层结构，即综合护层采用厚度为0.5 mm的铝塑复合带纵包缆芯，并用热风焊枪进行焊接，同时挤包一层厚度为1.5 mm的PE垫层，并左向间隙绕包两层高导磁钢带作为铠装层的结构。电缆的外护套厚度执行GB/T 2952标准，材料可根据不同使用环境的要求进行选择，如线性低密度聚乙烯护套料、低烟无卤阻燃聚烯烃护套料、防白蚁护套料等。电缆结构示意图见图2。

图2 电缆结构示意图

3 综合护套生产工艺

综合护套电缆的屏蔽性能与缆芯内部结构(包括芯数、排列、结构等)无关，故主要对综合护层工序生产工艺进行研究。综合护层的生产是集铝塑复合带的包覆与PE垫层挤包为一体的生产工艺，在一台生产设备上同时完成。该设备主要由放线装置、纵包装置、挤塑机、冷却水槽、牵引装置、收线装置等六部分组成。综合护套生产线示意图见图3。

图3 综合护层生产线示意图

3.1 工艺参数的合理配置

在护层结构的设计中，为了满足屏蔽性能的要求，我们对铝塑复合带的厚度进行了调整，相应的工艺参数也要进行调整。

(1)铝塑复合带宽度的选择

式中，W为铝塑复合带宽度;D1为缆芯直径;t为复合带厚度。

(2)综合护层后电缆直径D2的计算

式中，δ为挤包PE垫层厚度。

(3)纵包模具的选配

承径区长度L取12～15 mm;纵包模具与纵包平台的夹角α≤20°。

(4)定径模尺寸D3的选配

另外，纵包模具承径区距离定径模的距离不得大于100 mm，同时定径模距离挤塑机机头的距离不得大于180 mm。挤塑模具的配置与其他电缆的生产相同，这里不再赘述。

3.2 铝塑复合带的接续

在实际生产中，由于段长等各方面的影响，对铝塑复合带进行接续在所难免。0.5 mm厚的复合带在接续过程中要注意接续质量，保证接续处良好导通，厚度变化不能太大，否则很容易在定径模处拉断，造成不必要的浪费。

4 结束语

高屏蔽性能综合护套铁路信号电缆具有理想屏蔽系数小、弯曲半径小、生产周期短、生产成本低等优点。目前，国内综合护套铁路信号电缆的理想屏蔽系数标准规定为≤0.8，而高屏蔽性能综合护套电缆的理想屏蔽系数≤0.2，且达到并超过了铝护套铁路信号电缆的标准，可用于电磁干扰较强的电气化区段，而生产工序比铝护套电缆少了两道(铝护套焊接和再次垫层)，大大缩短了生产周期和生产成本。同等性能下比铝护套电缆的材料成本降低了10%～20%。此外，高屏蔽性能综合护套铁路信号电缆的研发成功，进一步扩展了综合护套电缆的应用范围。

［1］郑玉东.通信电缆［M］.北京:机械工业出版社，1982.

［2］王春江主编.电线电缆手册 第 一册(第二版).北京:机械工业出版社，2001.