应答器数据传输电缆传输长度对应答器与LEU双向传输信号的影响

孙芳婷 第五俊峰

西安西电光电缆有限责任公司 陕西 西安 710082

引言

应答器向列控车载设备提供大量固定信息和可变信息，是保证列车安全运行的保证手段之一。应答器系统包括车载设备和地面设备。地面设备主要包括地面应答器和轨旁电子单元（LEU）。地面有源应答器与轨旁电子单元（LEU）通过C接口进行双向通信。他们之间就是通过本文的研究对象应答器数据传输电缆相连接。数据传输结构图如图1。

图1 应答器设备的数据传输结构框图

1 应答器数据传输电缆在LEU和有源应答器之间的作用

从图1可以看出，LEU和有源应答器通过应答器数据传输电缆连接，电缆正常工作时，LEU通过应答器电缆将列车运行信息传输给地面有源应答器，应答器通过车载天线将信息传输到列车车载系统，实时掌握路面运行状况。当电缆出现开路、短路故障时，应答器就接收不到LEU传输来的信息，此时应答器将会发送存储于自身的默认报文信息，列车收到此信息一般就会导致列车停车，影响运输效率。因此应答器数据传输电缆状态的实时监控、电缆异常状态的及时预警就很重要了。目前电缆检测的主要方法是在LEU端的检测盒通过分析电流、电压、阻抗等变化来判断电缆的状态[1]。

增加应答器数据传输电缆长度，测试开路、短路、正常状态下的电流，试验中出现了开路、短路电流几乎相等现象，LEU无法正确识别电缆开、短路状态，就不能正确预警电缆的状态，不能为及时处理电缆故障提供可靠信息，影响正常工作效率。为了探究此现象，我们从电缆本身传输特性进行了试验研究,对不同长度电缆的开、短路阻抗，开、短路电流进行测试。

2 研究方法

2.1 试验测试数据

应答器数据传输电缆接入LEU测试系统中，在传输频率8.82kHz下测试不同长度的开路、短路状态下的电流。测试数据见表1：

表1 应答器三种电流随电缆加长变化情况

从表1可以看出，在1.5km左右，开路、短路电流相等，此时电缆的开路阻抗和短路阻抗相等，线路处于开路状态还是短路状态无法分辨。

备注：PCC为皮尔森相关系数，P-值为ttest单尾检验结果。由表1可以看出，电缆线长度＜1500 m时，应答器开路电流随电缆加长而上升，皮尔森相关系数为0.944，应答器短路电流随电缆加长而降低，皮尔森相关系数为-0.990，ttest显著性检验结果p-值均小于0.005（表2）。而应答器正常闭合电流随电缆加长变化幅度较小，相关性仅为0.529，相关性并不显著。当LEU设备在1500 m左右时，应答器开路电流和短路电流非常接近（0.836和0.874）。由此可以看出，电缆的开路、短路电流几乎接近或者相等，因此很难判定线路处于开路状态还是短路状态。

表2 电缆长度与应答器对应电流相关性分析

由于上述结果的变化量仅仅由电缆长度的影响产生，因此需要从电缆本身进行分析[2]。

2.2 一、二次传输参数的测量——开短路法

2.2.1 传输线的一、二次参数。根据电磁场理论知道，沿传输线长度上，存在有损电阻R、电感L，导体间存在着电容C和漏电导G，当频率高时便会对能量或信号传输产生影响。它们是沿线分布的，其影响分布在沿传输线长度的每一点上，故称之为分布参数， R、L、C、G分别称之为传输线单位长度的分布电阻、分布电感、分布电容和分布电导，这些称为通信电缆各个频率的一次参数。由一次参数计算的波阻抗Zc、衰减常数α、相移常数β称为电缆的二次参数。当我们需要使用传输线的时候，就必须知道它的传输性能，是否满足我们的需求，就必须对这么参数进行检测。测量这些参数的方法有很多，目前我们制造企业使用最常用的方法就是开短路法。

2.2.2 开短路法基本原理。根据传输线的理论，均匀传输线路的电缆回路输入阻抗定义为线路始端电压U0与始端电流I0之比：

输入阻抗在长度为l的传输线的始端的电压和电流决定于下列关系式：

将（2）式、（3）式代入（1）式可得：

式中γ为均匀回路的传播常数，Zc为均匀回路的波阻抗，U0为传输线的始端电压，I0为传输线的始端电流，l为传输电缆的长度，Ul为传输线终端电压，Il为传输线终端电流，Z入为输入阻抗[3]。

式中R为电阻、L为电感、G为电导、C为电容、α为衰减常数，β相位常数。

由此知，输入阻抗的大小和回路参数、长度和传输频率以及线路终端所接负载阻抗有关(Zl=UL/IL)。

2.2.2.1 当线路终端短路（Zl=0）时：

此时Zl=0，Ul=0，此时用Z入0表示线路终端短路情况下的输入阻抗，代入公式（4）得：

2.2.2.2 当线路终端开路（Zl=∞）时：

此时Zl=∞，Il=0,此时用Z入∞表示线路终端开路情况下的输入阻抗，代入公式（4）得：

2.2.2.3 根据（6）及（7）式可得被测电缆的波阻抗

由(6)及(7)式可以看出：电缆线路的长度满足thγl≈1时，Zc≈Z入∞≈Z入0 。

也就是说，当线路长度达到某一数值时，可满足开、短路输入阻抗近似等于波阻抗。基于以上原理，结合本文观点，用开短路法对不同长度应答器数据传输电缆开短路电流和开短路阻抗进行了测试，测试结果如下表：

为了直观显示开短路电流随电缆传输长度增加的变化，我们对表3中的数据进行作图（图2）。从图2可以看出，短路电流随着电缆长度增加而降低，开路电流随着电缆长度增加而增大，在电缆长度增加到2391 m时，开、短路电流近似相等。开、短路阻抗的变化趋势和电流变化趋势相同，再增加电缆长度的参数暂时未做研究。

表3 不同长度电缆的开短路阻抗、电流测试数据表（频率8.82kHz）

图2 电流随电缆长度增加变化情况

2.3 研究结果

基于理论用开短路法对应答器数据传输电缆不同长度开、短路阻抗，开、短路电流进行测试产生图的图2（阻抗变化趋势和电流图相似）可以看出，线路存在开短路阻抗、电流几乎相等现象，这样的试验结果同LEU采集到开、短路电流随电缆长度增加变化的试验现象相吻合，但是电缆开短路相等时电缆的长度约在2391m左右，而LEU采集到的短路、开路电流几乎相等的电缆长度为1500m左右，造成二个长度不一样的原因有可能与电路负载等有关，这个未做更深入的研究，这个结果仅为LEU设备分析开短路电流相等出现，无法判断线路是开、短路故障的原因提供了参考可能[4]。

3 结束语

本论文阐述了电缆传输长度会对信号传输有影响，此研究结果将减少对LEU的工作情况的误判，从而减少高铁通信电缆故障，保障通信电缆的正常运行，为高铁应答器设备的高质量运行提供经验与保障，并为地面有源应答器与轨旁电子单元（LEU）双向传输信号应用系统电缆的使用长度提供参考，并对C接口传输距离理论及仿真和模型的检验，并对电缆传输距离的选择有指导作用。