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2017-08-25 14:18:06  字体:   打印 收藏 

摘 要:车载网络通信电缆结构设计研究 [摘要] 车载网络通信电缆是机车(城市地铁、轻轨和铁路列车)网络通信的主要传输通道,其质量直接影响着机车的控制和信息传输精度。介绍了车载网络通信电缆结构设计的一种方案。详细介绍了车载网络通信电缆的导体、绝缘、包

关键词:网络通信技术论文


车载网络通信电缆结构设计研究

[摘要]车载网络通信电缆是机车(城市地铁、轻轨和铁路列车)网络通信的主要传输通道,其质量直接影响着机车的控制和信息传输精度。介绍了车载网络通信电缆结构设计的一种方案。详细介绍了车载网络通信电缆的导体、绝缘、包带、屏蔽层以及外护套的结构设计过程。通过理论分析、样品试制和试验验证相结合的方法,最终达到预期的设计目标。

[关键词]通信论文

引言

车载网络通信电缆是机车(城市地铁、轻轨和铁路列车)网络通信的主要传输通道,其质量直接影响着机车的控制和信息传输精度。为了满足机车特殊环境对车载网络通信电缆提出的较高使用要求,本公司对车载网络通信电缆进行了自主开发和研制。

1车载网络通信电缆的性能要求

为了确保机车的安全控制和信息传输精度,车载网络通信电缆必须具有如下性能:a.具有一般网络电缆的传输性能;b.耐温等级达到100℃;c.低烟无卤阻燃;d.严格的外径限制;e.良好的柔软性;f.优秀的耐环境和耐臭氧、耐油性能。以上性能要求使得车载网络通信电缆的结构设计和生产工艺难度都大大增加。

2车载网络通信电缆的结构设计

2.1初步结构设计

2.1.1导体设计为了适应机车的特殊使用环境,车载网络通信电缆必须柔软性好,因此其导体采用了软绞合导体。根据GB/T3956《电缆的导体》规定,其中5类和6类导体均能满足车载网络通信电缆柔软性的要求。但如果采用该两类导体,则导体的圆整度和外表光滑度都无法满足通信电缆传输性能要求。这是因为网络用通信电缆的传输频率较高,最高可达20MHz,信号主要沿导体表面传输,为防止信号在传输过程发生波动和反射,导体必须圆整光滑。因此,车载网络通信电缆导体采用了正规绞合方式,这也是目前国内外网络通信电缆生产厂商基本采用的导体绞合方式,虽不符合GB/T3956标准对导体的要求,但导体性能却能够满足网络通信要求。另外,为了满足车载网络通信电缆使用的恶劣环境要求,导体采用了镀锡绞合导体。综上所述,车载网络通信电缆导体采用正规绞合的镀锡绞合导体,导体的结构尽量接近GB/T3956标准规定的5类导体要求。2.1.2绝缘设计目前,一般网络用通信电缆绝缘大多采用皮-泡-皮聚乙烯(PE)绝缘结构,这种绝缘结构的电缆具有优良的电气传输性能,可以很好地满足网络通信电缆的需求。但对于机车上使用的车载网络通信电缆,由于车体上特殊的环境温度,电缆绝缘层的耐温等级必须达到规定的要求。根据目前铁路电缆相关规定,电缆耐温等级低于100℃时是不允许上车的,这就要求车载网络通信电缆绝缘必须比一般通信电缆绝缘达到更高的耐温等级。通过对国内现有绝缘材料分析、筛选,制定并验证了以下几种设计方案:a.使用氟塑料发泡绝缘。虽然这种绝缘的耐温等级可达到200℃,且氟塑料的介电常数小,可很好地满足车载网络通信电缆的传输要求,但经过试验后发现,氟塑料发泡绝缘工艺控制难度较大,生产工艺不稳定,生产过程中浪费较大,且氟塑料的价格昂贵,这给生产和销售带来了一定的困难。b.使用交联PE(XLPE)绝缘。虽然这种绝缘方式可使电缆耐温等级提高到105℃,但由于XLPE绝缘料的介电常数相对较大,如果要保证产品电气性能达到要求,则绝缘外径尺寸必须加大,使得整个电缆的外径增大,满足不了机车电缆对外径的严格要求。c.采用辐照交联皮-泡-皮PE绝缘。通过咨询材料厂家并研究了相关资料后,认为理论上可通过交联的方式来提高皮-泡-皮PE绝缘层的耐温等级,但这种方式目前国内外还从未曾使用过,缺乏相关经验参考。为了了解发泡结构PE绝缘层辐照时的辐照剂量以及辐照后性能能否达到理想效果,选取了大量皮-泡-皮PE绝缘单线样品进行辐照交联试验。在辐照交联试验时,先对采用不同辐照剂量辐照后的皮-泡-皮PE绝缘单线样品的辐照交联效果进行验证,然后选择辐照交联效果理想的皮-泡-皮PE绝缘单线样品进行老化试验,同时选取未经辐照的皮-泡-皮PE绝缘单线进行对比试验。老化试验是在同一个恒温炉中进行的,试验温度为158℃,试验时间为168h。老化试验结束后发现,未经辐照的皮-泡-皮PE绝缘单线的绝缘层已经熔化,绝缘发泡层严重收缩,绝缘材料粘在挂钩上,并有明显的滴流痕迹;而经过辐照交联的皮-泡-皮PE绝缘单线的绝缘形状和外观基本保持完好,挂钩上未粘有绝缘材料。这初步证明了经过辐照交联后皮-泡-皮PE绝缘结构的耐温等级有了大幅提高。为了进一步验证辐照交联后皮-泡-皮PE绝缘的耐热性,采用电铬铁对辐照交联皮-泡-皮PE绝缘单线和未经辐照的皮-泡-皮PE绝缘单线进行了直观的耐热对比。当温度约为300℃的电铬铁轻放在绝缘表面3s后,未经辐照的皮-泡-皮PE绝缘层很快熔化,而辐照交联皮-泡-皮PE绝缘层则只有轻微的烫伤痕迹。通过该耐热试验进一步证明了辐照交联皮-泡-皮PE绝缘的耐热承受能力大大优于普通皮-泡-皮PE绝缘。因此,车载网络通信电缆的绝缘最终采用了辐照交联皮-泡-皮PE绝缘结构。2.1.3线对及缆芯设计车载网络通信电缆的线对和缆芯的绞合与计算机数据网络通信电缆基本相同,只是在选取包带时应充分考虑其使用环境的特殊性。目前缆芯包带有很多种,如玻璃纸(PT)包带、聚丙烯(PP)包带、PE包带、玻璃丝包带、无纺布包带、云母带等。其中PT包带和无纺布包带燃烧时发烟量大,不满足低烟要求;PE包带虽然发烟量低,但耐温等级只有70℃,达不到机车电缆的耐温等级要求;玻璃丝包带和云母带的耐温等级较高,且燃烧时的发烟量低,能够满足使用要求,但这两种包带的厚度太厚,会增加电缆外径;而PP包带的熔化温度为270℃,在150℃时仍然保持较好的状态,可满足机车电缆耐温等级要求,同时PP包带的相对介电常数小(约为2.0,小于PE包带的介电常数),燃烧时基本不发烟,这些性能都能很好满足机车电缆的要求。因此,车载网络通信电缆最终选取PP包带作为缆芯包带。另外,车载网络通信电缆的线对和缆芯的绞合节距在确保电缆性能的前提下应尽可能设计小些,以保证电缆的柔软性和串音、阻抗等电气参数的稳定性。2.1.4屏蔽层设计车载网络通信电缆必须具有良好的屏蔽性能,防止电磁干扰,同时还必须满足柔软性要求,以适应于机车内部安装敷设。由此,借鉴了同轴电缆的屏蔽方式,即屏蔽层采用0.04mm单面铝箔纵包(防电磁辐射)+0.15mm镀锡铜线编织屏蔽(防磁场辐射)结构,铝箔搭盖宽度不小于3mm,编织密度不小于85%。该屏蔽结构可使外界电磁辐射及磁场辐射直接入地而对内层导体不干扰,既保证电缆有良好的屏蔽性能,又满足了电缆的柔软性。2.1.5护套料的选取由于车载网络通信电缆的特殊使用环境,因此其外护套应具有低烟无卤阻燃性能、优良的耐高低温性能(耐高温等级最低为105℃,耐低温等级为-25℃或-40℃)、优良的耐环境性能和耐臭氧性能,有的场所还需要其具有耐燃料油和矿物油等性能。目前,应用较多的低烟无卤阻燃护套材料有低烟无卤阻燃辐照交联聚烯烃护套料、阻燃低卤的改性氯磺化PE护套料等。通过对国内现有低烟无卤阻燃护套材料分析、筛选后,车载网络通信电缆选用125℃低烟无卤阻燃辐照交联耐油聚烯烃护套料,该材料耐温等级为125℃,具有优秀的耐环境和耐油性能,且工艺比较成熟,价格相对便宜,性能稳定。

2.2结构设计验证

2.2.1样品试制根据车载网络通信电缆的初步结构设计方案,在2015年试制了一根1000m长规格为2×2×0.5mm2的车载网络通信电缆(结构如图1所示),要求电缆的外径不大于9.5mm,1MHz时的特性阻抗为(120±10)Ω,电缆的耐温等级为-40~100℃。该车载网络通信电缆的试制方案如下:导体采用19×0.18mm的正规绞合导体,导体为镀锡导体,为满足高频线路传输要求,导体绞合过程进行了轻微的紧压,以保证导体外表的光滑度和圆整度;绝缘采用物理发泡皮-泡-皮PE绝缘结构,绝缘单线经过辐照交联(辐照剂量的控制为工艺关键);线对绞合和缆芯绞合与数据电缆相同,包带为PP包带;屏蔽层采用铝箔+镀锡铜线编织,编织密度不小于85%;护套采用125℃低烟无卤阻燃辐照交联耐油聚烯烃护套料(护套具有耐燃料油和矿物油性能)。2.2.2性能检测对试制的1000m长2×2×0.5mm2车载网络通信电缆样品进行了电气性能测试,测试结果如表1所示。首先进行了第一次电气性能测试,各项性能测试结果均满足了设计要求;随后选取一圈100m的电缆整体放入恒温老化箱中进行老化试验,试验温度为158℃,试验时间为168h,老化试验完成后将电缆从老化箱中取出,放置24h后进行第二次电气性能测试,各项性能测试结果与老化试验前的第一次性能测试结果基本一致,也均满足了设计要求;再将该圈100m的电缆样品放入老化箱中做耐温试验,试验温度为105℃,试验时间为24h,耐温试验后立即进行第三次电气性能测试,各项性能指标测试结果与老化试验前的第一次性能测试结果基本一致,只有衰减下降较多,但将105℃衰减值换算到20℃时(衰减的温度系数为0.002dB•(100m)-1•℃-1),该衰减值也能满足要求。经检测,该2×2×0.5mm2车载网络通信电缆样品的护套厚度为0.6mm,外径为9.3mm,电缆的弯曲性能及物理机械性能也都满足了设计要求。之后,对该电缆取样依据GB/T19666进行成束燃烧试验,试验结果满足标准中B类指标,同时其无卤、低烟指标均符合标准规定。这表明车载网络通信电缆初步结构设计方案完全可行且合理。

3车载网络通信电缆的现场检验

在车载网络通信电缆产品首件测试合格后,对车载网络通信电缆进行了批量的验证,各项指标均符合要求,且性能稳定。本公司将自行设计和生产的首批车载网络通信电缆委托交大思诺科技有限公司使用,进行现场验证。经过近两年使用后,该批车载网络通信电缆运行效果良好,并取得了用户使用报告。随后该公司和其它一些设备、车辆厂家陆续订购了本公司的该类电缆,使用后非常满意。

4结束语

本文车载网络通信电缆的设计方案是在实践基础上总结出来的,该电缆结构设计的难点是绝缘层结构设计,它既要满足通信电缆的传输性能要求,又要具有较高的耐温等级要求。另外,该电缆产品为系列规格,今后会对整个系列进行研发和完善。

作者:吕淳 李俊霞 方宇 单位:天水铁路电缆有限责任公司

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