新型大功率轨道交通用通信信号光电缆的研制

梁 斌 冯金洲 周佳龙

近10年来，随着我国铁路技术的高速发展，作为铁路行车安全的关键产品，铁路信号电缆也有了长足的进步。现有的铁路 （内屏蔽）数字信号电缆是专门为满足我国自有知识产权的ZPW－2000列车自动闭塞系统而开发的专用产品，TB／T3100《铁路数字信号电缆》产品是针对我国列车提速后，信号传输对其通道的新要求而制定的。它既是对铁道行业标准TB／T 2476《铁路信号电缆》的变革，也是对铁路通信信号一体化技术的极大推进。但是铁路信号电缆和铁路 （内屏蔽）数字信号电缆这2种产品的应用方式，都是基于相同的导体结构而开发的，即信号电缆的应用理念仍没有根本变化。

《铁路工程设计技术手册》特别规定了信号电缆芯线的分配原则，即根据电缆在信号系统中的不同功能和电路特点，如被允许的压降要求，计算并分配回路中的线芯数与截面积，进而选择应敷设的各类信号电缆规格。其中信号电缆芯线分配是基于其导体直径为1．0mm而确定的。

1 各类信号电缆的使用现状

长期以来，在铁路各类信号电缆的使用中，当需要大电流、长距离传输控制信息或供电时，是将多根线芯并联使用，以满足其对电路回路电阻的要求。这种方式存在以下问题。

1．当其中1根芯线断线时，故障不能导向安全。由于是多芯并联，在实际应用中，当其中1根或数根断线时，其他导线仍处于接通状态，此时线路处于非正常状态。其控制信息的传递及供电都已使信号控制或执行设备处于非正常状态；在铁路沿线敷设的电缆长期处于振动的环境下，这种连接方式极易造成个别导线断裂，事故隐患常常被掩盖。

2．多芯线并联时，由于分布电容增加，线路衰耗增大，难以保证长距离供电 （如长距离道岔供电）。

3．施工不方便，设计无根据，只能现场边试边改。

以上问题对列车的行车安全造成极大的威胁，国外的经验是敷设多条不同线径的电缆分别使用。

对于铁路信号工程来说，电缆接地故障也是个棘手问题。由于电缆并不总是埋在电缆沟里，也敷设在线路两旁预留好的电缆槽中，再加上交叉施工，免不了出现电缆被砸伤而导致电缆芯线接地的情况，如未能及时发现或修复，一旦电缆使用在有很强电磁场干扰的区段，电缆屏蔽层中的电流就可能被导入到电缆芯线中，形成强干扰信号，会引起终端设备的误动作或损坏设备，同样会对列车行车安全造成极大的威胁。

由于铁路沿线的地理环境复杂，电缆不能保证总是敷设在干燥的区段，常常会放在潮湿或有水的地段，电缆内部如侵入潮气，则其绝缘性能将大幅度下降，为此也要保证电缆有很好的防水、防潮性能。同时电缆的防火要求也日渐提高。

2 新型光电缆的设计

为了提高铁路信号系统安全性要求，以及简化信号系统设计，开发了一款大功率轨道交通用通信信号光电缆。它可在各种特殊的环境中，长期安全使用，具有优异电气性能、物理机械及传输性能。具体结构分析如下。

图1为一种铝护套屏蔽结构新型的大功率专用低衰减、阻水光电缆。传输部分由电力传输或信号控制线芯、信号传输对绞／星绞单元和光单元组成。这样既满足了实际使用中不同信息传输容量的需求，又满足了不同距离的传输要求。

在具有很强电磁场的干扰区段内，为防止线芯中的感应电流影响信号传输质量，导致终端设备的误动作，采用屏蔽层结构是必需的。除了借鉴铁路数字信号电缆的屏蔽结构外，特别增加了低电阻、大截面的泄流线，以提高在强感应电压及雷击环境下，电缆可安全运行。同时当屏蔽层损伤时，通过因电磁场变化而产生的感应电流触发警报装置，及时提醒工作人员终止终端设备的误动作，消除安全隐患。因此更适合常规环境下敷设。

为保证电缆在极端潮湿或水淹条件下可靠使用，缆芯采用阻水或水密结构。特别选用了电气性能良好的非粘性触变胶及其他阻水保护层，保证了电缆具有优异的防水、防潮及施工便利性。

通过高导磁钢带铠装及铝护套构成综合屏蔽层，大幅度提高了电缆的抗电磁干扰性能。同时，电缆的防鼠咬伤，以及抗压抗冲击等机械性能也得到了保证，使电缆在不同复杂的地理环境下长期安全、可靠稳定运行。

图1 电缆结构示意图

3 新型光电缆各组成部分及功能

3．1 导体

采用多种方式改善导体的各项性能，如通过加大导体的截面积，来实现大电流的传输；采取束线绞合结构，使导体具有良好的弯曲性能及抗振动；对于一些特殊场合，则采用高强度导电的合金材料。如导体既可采用直径1．8mm，截面为2．5mm2的镀锡铜合金绞线，也可以采用相当截面的圆铜单线。通过上述的措施，导体的抗张力比现有信号电缆提高了至少80%，保证了电缆在长期振动条件下的可靠性。

3．2 绝缘

目前铁路各类信号电缆绝缘材料都采用热塑性聚乙烯塑料，但由于其线性分子结构，聚乙烯材料的耐热性及耐老化性等都不如热固性材料。为此新型光电缆绝缘采用热固性交联聚乙烯 （XLPE）电缆专用树脂，将电缆的长期允许工作温度由70℃提高到90℃，5s短路温度由160℃提高到250℃。耐磨性、耐化学药品性、耐应力开裂等一系列物理、化学性能都有了很大的改善。在保持原有优良电气性能的前提下，极大地提高了实际使用性能。

3．3 线组绞合

将2根或4根不同颜色及数字标识的绝缘线芯，以一定的节距绞合在一起，形成一个工作对组。根据使用的要求，还可以将2组以上的线对再绞合成缆芯。注意在缆芯的绞合过程中，相邻工作线对的绞合节距应有差异，通过计算，选择不同配合的节距组，可以使线组间的电磁耦合最小、组间串音最小。由于导体结构的变化，工作线组的绞合特别要关注其结构的稳定性。

3．4 光单元

根据电缆使用信号控制系统的不同，在电缆的缆芯中加入光通信单元，其保护层可以是非金属材料的，也可以是不锈钢套管的光纤单元。光单元中的光纤数可以是2纤、4纤等。光纤作为该信号系统中附加通信功能的通道，也可作为信号控制的光传输信息的媒介。

3．5 缆芯

缆芯由对电力传输或信号控制线芯、信号传输对绞单元、星绞单元和光单元组成。成缆过程中，节径比控制在16～18倍，当电缆需要处于良好的防水环境中，并具有合适的传输特性时，可以填充专用的通信电缆阻水油膏。这种油膏不但要有良好的阻水效果，而且其介电系数应与交联聚乙烯材料的介电系数相当，并且具有较好的绝缘性能。为方便施工在电缆的缆芯中不排除采用干式的阻水材料，如阻水纱，在电缆缆芯的外部，可以包绕不吸湿的或阻水的带材，以提高它的径向阻水特性。

3．6 屏蔽

为使电缆安全应用在强电磁干扰的环境，在电缆缆芯的外部，采用抗电磁干扰的金属保护套。这种有色金属带或复合带可以采用纵向焊接或绕包的方式，包覆在电缆缆芯的外部。当采用厚度大于0．5mm的有色金属带时，可以轧纹或压花，以使电缆具有良好的弯曲性能。这种金属屏蔽层可以是一层或多层的复合结构，相邻的屏蔽层采用不同的金属时，其对外部电磁场的屏蔽效果更好。

当电缆在狭窄空间布线时，可将铝护套屏蔽结构转化为铜导体缠绕或编制屏蔽结构。与铝护套屏蔽相比，在满足电缆稳定运行的安全性和可靠性的前提下，该电缆最小弯曲半径从15倍电缆外径缩小到12倍电缆外径，更好的弯曲性能显著提高了电缆安装的方便性。

3．7 铠装

在电缆的内衬层外绕包2层高导磁率的镀锌钢带，为提高电缆的弯曲性能，必要时可以采用轧制的联锁铠装方式。这种钢带层不但提高了电缆的抗外部电磁场干扰的能力，而且也为保护提供了极好的抗外部机械冲击及破坏的能力。

在狭小空间，采用联锁铠装方式可进一步将电缆的最小弯曲半径降低至8倍，极大地提高了电缆敷设的便捷性。

3．8 护套

在电缆的金属带外包绕或挤包一层绝缘性能良好的保护套层 （内衬层），可以是非吸湿的非金属带或其他塑料保护层。这种绝缘保护层要有良好的耐电压冲击的性能，也作为电缆的防雷保护层。在电缆的钢带层外，挤出一层电缆的低烟无卤低毒保护套，这种保护套可以是阻燃或非阻燃的材料，并具有良好的抗外部腐蚀及老化的性能。

4 试制与测试

参考德国信号系统工程技术规范，并结合TB／T2476《铁路信号电缆》及TB／T3100 《铁路数字信号电缆》要求，对试制电缆按设计要求进行测试。经过检测，该电缆可用于我国轨道交通信号传输、控制及供电的大部分领域，极大地提高了线路传输的安全性。由于该产品是基于我国铁路信号系统的现状，因此在系列化的产品中，充分考虑了兼顾现有信号是电缆产品的可行性，从而使电缆导体的规格及产品的性能适用于其他通用的场合。

5 结束语

该电缆同时具有电力传输或信号控制线芯、信号传输对绞单元和光单元。一方面集信号传输、电力输配电和光纤于一身，各单元之间无电磁场干扰，长期工作温度相兼容，实现了一缆多能；另一方面也彻底解决导线并用易造成的部分芯线断线故障隐患，特别设计的线组结构与组合方式，完全考虑了信号施工的特点与习惯，因此，该电缆可应用于现有铁路、地铁、轻轨的大部分系统，且具有极高的安全可靠性。此外，人性化的报警系统，能及时提醒消除安全隐患，保证人身和财产安全。相信这种新型通信信号光电缆为完善我国铁路信号电缆应用方式，提高传输性，将起到积极的作用。

目前这种新型光电缆已经研制成功，通过了国家权威机构的性能测试，并申请了201410182000．8发明专利 《一种大功率通信信号控制光电综合缆》和实用新型专利 ZL 2014 2 0221029．8 《一种大功率通信信号控制光电综合缆》。

［1］ 中华人民共和国铁道部．TB／T 3100．1－2004．铁路数字信号电缆第1部分：一般规定［S］．2004．

［2］ 中华人民共和国铁道部．TB／T 2476．1－1993［S］．铁路信号电缆 一般规定．1993．

［3］ 中国铁路通信信号总公司研究设计院．铁路工程设计技术手册信号［M］．北京：中国铁道出版社，2007 ．

［4］ 北京全路通信信号研究设计院．TB1007－2006，J529－2006铁路信号设计规范［M］．北京：中国铁道出版社，2006

［5］ 郑玉东．通信电缆［M］．北京：机械工业出版社，1982．