铁路数字信号电缆屏蔽能力理论分析

张富县，段 拓

(西安西电光电缆有限责任公司，陕西 西安710082)

0 引言

随着铁路事业的快速发展，铁路机车由非电气化发展为电气化，铁路信号电缆由普通塑料信号电缆发展为铁路数字信号电缆。铁路数字信号电缆敷设在电气化区段时，就会受到外界干扰源的电磁干扰，影响信号线路的传输质量。

本文通过铁路数字信号电缆的屏蔽能力理论分析，提出屏蔽系数的计算方法，并对影响屏蔽系数的因素进行分析探讨。

1 铁路数字信号电缆的分类

铁路数字信号电缆适用于铁路信号系统中有关设备和控制装置之间的连接，可实现1MHz(模拟信号)、2Mbit/t(数字信号)、额定电压交流750V或直流1100V及以下系统控制信息与电能的传输。根据其结构、使用场合及敷设条件，铁路数字信号电缆的分类见表1。

从表1可知，铝护套电缆和综合护套电缆虽都用于电气化铁路，但其承受外界电磁干扰的程度不同。从电缆的理论设计角度出发，衡量电缆承受外界电磁干扰屏蔽能力的指标是电缆的理想屏蔽系数。

表1 铁路数字信号电缆的分类

2 铁路数字信号电缆线芯的感应纵电动势与电缆金属护套的关系分析

铁路数字信号电缆敷设在铁路两边时，周围存在27.5 kV接触网线、10 kV电力电缆等电磁干扰源。若干扰源存在的干扰电流为，它在信号电缆的金属护套上感应的纵电动势为，在信号电缆线芯上感应的纵电动势为，两者都落后于90°的相位。在作用下金属护套中产生电流，它落后于一个φ角(φ=tanLm和Rm为金属护套的自电感和交流电阻，ω为角频率)。在线芯上感应出纵电动势，它落后于90°的相位。将与进行向量合成得到，干扰电流和感应纵电动势的相量关系如图1、图2所示。显然的值小于，即信号电缆上的感应电动势值降低，从而金属护套起到屏蔽作用。同时也可以看出，之所以减小是由于金属护套中电流的作用结果。

图1 相对位置

图2 干扰电流与感应纵电动势的相量关系

通过上述分析可知，铝护套电缆与综合护套电缆相比，铝护套的交流电阻较小，因此φ角大，电缆线芯上的感应电动势向量和小，所以其屏蔽能力高于综合护套电缆。

3 理想屏蔽系数的理论计算

金属护套中的电流为

式中，M0m为电力线路与金属护套之间单位长度的互感系数。

无屏蔽时，在电缆线芯上感应的纵电动势为

式中，M0a为电力线路与信号线路之间单位长度的互感系数。

有屏蔽时，在电缆线芯上感应的纵电动势为

式中，Mam为金属护套与信号线路之间单位长度的互感系数。

则屏蔽系数可以表示为

若将式(2)代入式(5)，则屏蔽系数又可表示为

对于图1，M0m≈M0a，则

金属护套接地时，Mam≈Lm，则

由式(8)可知，铁路数字信号电缆的屏蔽系数与电缆金属护套的自感、交流电阻有关。

以上分析是假设金属护套接地电阻为零的情况，这时的屏蔽系数称为理想屏蔽系数。

4 实际屏蔽系数的理论计算

当考虑接地电阻的影响时，这时的屏蔽系数称为实际屏蔽系数K实。其计算公式为:

式中，Rd为接地电阻。

金属护套的自感Lm计算公式为:

式中，Li为金属护套的内电感;Le为金属护套的外电感。

式中，σ为大地电导率(S/m);Dm为铠装层的平均直径(m)。

Le随σ、Dm变化很小，大致为(1.9～2)×10－3H/km，一般取2×10－3H/km。

式中，D1为电缆钢带层的平均直径;μ为钢带导磁率;n为钢带层数;δ为钢带厚度;Δ为钢带间隙;a为钢带宽度。

交流电阻Rm为铝护套电阻R1和钢带电阻R2的并联电阻，其计算公式为:

式中，ρ为铝的电阻率0.0283Ω·mm2/m;D为缆芯直径;Δal为铝层厚度;ρk为钢带的电阻率0.132 Ω·mm2/m。

5 结论

(1)铝护套电缆的屏蔽能力高于综合护套电缆和塑料护套电缆。

(2)理想屏蔽系数与电缆金属护套的自感、交流电阻有关。

(3)实际屏蔽系数与金属护套的自感、交流电阻值及接地电阻有关。