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铁路数字信号电缆对地电容不平衡的控制

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[摘要]阐述了内屏蔽铁路数字信号电缆对地电容不平衡E的定义,分析了在生产过程中各道工序对E值的影响,并给出了预防措施及控制要点,特别指出了星绞工序的设备状况对E值的影响不容忽视。只有保证内屏蔽铁路数字信号电缆的生产过程达到精确控制,才能生产出E值合格的产品,提高电缆的传输质量,确保铁路行车的安全性。

[关键词]内屏蔽铁路数字信号电缆;对地电容不平衡;生产控制

1内屏蔽铁路数字信号电缆简介

内屏蔽铁路数字信号电缆是通过对铁路数字信号电缆中的四线组进行单独屏蔽,以提高电缆的近端串音衰减,有效降低同根电缆内传输相同频率铁路信号时各线组之间的干扰。内屏蔽铁路数字信号电缆主要用于传输铁路信号、系统控制信号及电能,是铁路信号系统非常重要的组成部分。通常内屏蔽铁路数字信号电缆可分为A型和B型两种结构。A型内屏蔽铁路数字信号电缆的缆芯由铜带屏蔽四线组与无屏蔽四线组绞合而成(如图1所示);B型内屏蔽铁路数字信号电缆的缆芯全部由铜带屏蔽四线组绞合而成。这两种结构内屏蔽铁路数字信号电缆导体均采用标称直径为1.0mm的铜导线,绝缘均为皮—泡—皮物理发泡三层共挤(所不同的仅是绝缘外径),护套形式有塑料护套、综合护套、铝护套三种[1]。

2对地电容不平衡E的要求

对地电容不平衡E是指电缆任意一个工作线对与地之间的电容不平衡。由于电缆对地电容不平衡E较大时,将直接影响电缆的传输质量,对行车安全有很大的影响,因此为了保障铁路信号系统的安全性,相对于实心绝缘铁路信号电缆,TB/T3100—2004铁道行业标准对内屏蔽铁路数字信号电缆的对地电容不平衡E提出了更为严格的要求(平均值≤330pF/km,最大值<800pF/km)。同时,原铁道部质量监督检测中心发布的铁路数字信号电缆检测细则中也规定“对外来地电容不平衡属A类项目指标,单项不合格即判定不合格”。以星绞四线组内屏蔽铁路数字信号电缆(如图2所示)为例,电缆任一四线组内红白工作线对的对地电容不平衡Ea1和蓝绿工作线对的对地电容不平衡Ea2的计算公式为:Ea1=C10-C20(1)Ea2=C30-C40(2)式中:C10,C20,C30,C40分别为红、白、蓝、绿四根绝缘单线的对地电容[2]。根据上式可知,当C10和C20,C30和C40分别相等的情况下,Ea1和Ea2为零,但这种理论上的理想状态在实际生产中很难达到。

3生产过程中对E值的控制

现以铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆为例,介绍在生产过程中如何对E值进行控制。该铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的工艺流程为:拉丝→绝缘→星绞→铜带屏蔽→成缆→内护(套)→铝护(套)→内垫→铠装→外护(套)。数字信号电缆因无内屏蔽,E值只能在铝护工序完成后才能测试,一旦E值出现不合格就要报废,而铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆因增加了铜带屏蔽,使得E值可在屏蔽工序完成后就能进行测试,只有在每一个屏蔽四线组E值合格后才能进行之后的生产工序,避免了较大的浪费。由于屏蔽四线组E值与最终电缆E值较为接近,虽会有变化,通常变化范围为-50~50pF/km,但只要进行合理配组,仍在后面工序的可控范围之内,因此确保屏蔽四线组E值较小十分关键,屏蔽工序的前面工序———绝缘工序和星绞工序成为对电缆E值控制的重要工序。下面就结合我们多年的生产实践,针对各工序中影响E值的因素给出相应的控制措施。

3.1绝缘工序

绝缘工序是影响电缆E值的关键工序之一,只有两根绝缘单线均匀一致才能保证E值较小,因此在实际生产中必须加强绝缘单线一致性的控制。绝缘单线一致性主要包括绝缘外径、发泡度、偏心度、同轴电容等的均匀一致。目前通常采用皮—泡—皮三层共挤物理发泡绝缘生产线进行绝缘单线的生产,生产过程包括放线→拉丝→退火→预热→挤出→冷却→在线检测→收线等。在生产中应通过在线监测系统实时监控绝缘单线的导体直径、绝缘外径、同轴电容等指标的一致性。在整个绝缘单线生产中应对预热温度、挤塑温度、氮气压力、模具配比、冷却水槽温度等关键工艺参数进行严格控制。大多生产厂家因任务紧而实施三班作业,四种颜色的绝缘单线往往需要分班组生产,交接班时下一班组必须密切关注上一班组生产的绝缘单线的指标参数,尤其是同轴电容的一致性。在多年生产实践中发现,当四线组中工作对的两根绝缘单线同轴电容差达到3pF/m,电缆E值会达到500~1000pF/km,将面临不合格。

3.2星绞工序

3.2.1设备状况对

E值的影响及其控制目前通常采用高速星绞机星绞四线组。该设备由四盘无轴式主动放线架、预扭发生器、弓绞收线装置、电控装置等组成。星绞工序中节距的选择与控制对E值的影响较大。由于星绞工艺已相当成熟,因此在生产中星绞节距的选择已无需重点关注,多年的生产实践告诉我们,高速星绞机的设备状况(导轮、放线装置、分离器、扎纱张力装置等)对E值的影响不可忽略,下面将对此进行详细阐述。生产四线组时,如果绝缘单线经过的导轮、预扭轮、排线导轮转动不灵活、有死点、摇晃,将给绝缘单线施加额外的摩擦力或张力,从而造成批量电缆E值不合格。因此,在生产前必须仔细检查绝缘单线经过的所有导轮、预扭轮、排线导轮,一旦发现上述问题应及时排除,最好是生产厂家定人定期进行整体检修。高速星绞机采用四盘无轴式主动放线架主动放线,可在最大程度上改善单线的受力状况,同时利用配重对单线施加均衡一致的张力,以防止单线弯曲。为防止放线轴承及配重过度磨损造成绝缘单线放线张力的不均衡,造成电缆E值不合格,生产过程中应定期对放线轴承及配重导轮进行检查。分离器的作用主要是将已经绞合的四根绝缘单线打开后重新对称绞合,以确保四根绝缘单线的位置对称与稳定,避免E值变大。生产过程中应通过视窗关注分离器的打开情况,如果发现分离器打开状况不良,应及时停车重新安装,否则会使本盘四线组报废或存在质量隐患。由于绝缘单线在高速运行下,其绝缘表面的粉末易粘附在分离器的内孔中,导致四根单线因受内应力而运行不畅,难以保证其结构的对称性,导致E值变大,因此每生产几盘后就应拆下分离器检查,并及时用酒精棉擦拭内孔。扎纱张力主要是通过张力环来施加。张力过小,聚酯纱起不到扎紧四线组的作用,四线组在成缆过程中易受挤压,导致四根绝缘单线相对位置变化而不再对称(即四根绝缘单线偏心程度加大),从而E值变大;张力过大,聚酯纱在绝缘单线上留下勒痕,损伤绝缘单线的绝缘机械性能。因此,在生产过程中应定期对张力环进行检查。综上所述,为了确保屏蔽四线组E值较小,必须保证高速星绞设备的稳定性,生产厂家在生产前应对所有设备关键点进行仔细检查,发现问题应及时更换备件,尤其是为保证所有轴承及导轮的磨损一致,可采用定期整体更换的方法。

3.2.2电容耦合值

K2、K3的控制星绞四线组电容耦合值K2、K3分别为实路Ⅰ(红白工作对)和实路Ⅱ(蓝绿工作对)对幻路的电容不平衡(如图2所示),其计算公式为:K2=(C13+C14)-(C23+C24)(3)K3=(C13+C23)-(C14+C24)(4)式中:C13,C14,C23,C24分别为红、白、蓝、绿四根绝缘单线的相对电容[3]。虽然K2、K3不属于TB/T3100.1—2004标准中规定的必测电气指标,且与铝护套中绝缘单线的Ea1或Ea2也无线性关系,但因K2和Ea1都与红白工作对的一致性有关,K3和Ea2都与蓝绿工作对的一致性有关,因此在生产过程中同样应进行严格控制。通过多年生产实践发现,当K2、K3实测值(绝对值)大于300pF/km,则Ea1、Ea2可达到500~1000pF/km,将面临不合格。此时必须综合考虑每批次的生产状况,严密关注屏蔽、成缆、铝护工序对四线组E值的影响,以判断E值的变化趋势,避免电缆E值出现不合格。

3.3屏蔽工序

屏蔽工序是在四线组外包覆一层铜带。屏蔽工序中采用的模具太大易使四线组松散,排线后紧压会导致四线组在铜带内被压扁,四根绝缘单线相对位置改变造成E值偏大;模具太小容易导致铜线、铜带及内部绝缘带材被拉断,影响电缆的质量。因此,屏蔽工序中的控制要点就是模具的合理选用,以及生产中定期检查各种模具的尺寸,避免因过度磨损造成模具尺寸出现偏差。在屏蔽工序后(或铝护工序后)发现绝缘单线的Ea1或Ea2增大,应先将同组绝缘单线更换线位(即红白工作线对与蓝绿工作线对同时改变放线位置)再一次进行Ea1或Ea2的测试。如果重新测得Ea1和Ea2的数值大小反过来,则可基本断定高速星绞工序出现问题;如果重新测得Ea1和Ea2数值没有改变,则应该考虑是否绝缘单线一致性出现了问题。

3.4成缆工序

在生产内屏蔽铁路数字信号电缆时,应注意E值的合理配组,以求在符合标准要求的情况下,最大程度减少报废。虽然从总体上讲成缆工序对电缆E值影响要小于绝缘工序和星绞工序,但在成缆中也应确保所有的过线部分导轮都转动灵活、各摇篮架放线张力均匀。为保证缆芯圆整、紧凑,应选用合适的紧压模具,特别在生产A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆时尤其应避免缆芯中非屏蔽四线组被挤压。以规格为37A的内屏蔽铁路数字信号电缆为例(如图3所示),两个蓝色屏蔽四线组之间的白色非屏蔽四线组,很容易受挤压造成结构不对称,从而引起E值突变和电容增大。图337A内屏蔽铁路数字信号电缆的缆芯结构B型内屏蔽铁路数字信号电缆在屏蔽工序后即可获得所有绞合的屏蔽四线组的E值,只要进行合理配组,后面工序就可容易地对电缆E值实现控制,基本上可以确保E值满足标准要求。而A型内屏蔽铁路数字信号电缆的E值控制难度则较大。通常A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的内屏蔽线在成缆工序后将所有的屏蔽铜带连到一起后作为地,分别测试每一个四线组的Ea1和Ea2值,屏蔽组测得的E值与铝护工序后测得的E值差别不大,基本可以反映此电缆E值的真实水平。但A型铝护套内屏蔽铁路数字信号电缆的非屏蔽四线组因无铜带屏蔽,其测得的E值和最终铝护工序后测得的E值有差别的,经过大量的数据统计,未发现有规律性的变化,因此应在绝缘工序、星绞工序、成缆工序中对E值预留出一定的余量,以免铝护工序后因E值不合格而导致电缆报废。

3.5铝护工序

铝护工序中铝管的焊接密闭性、扩口压扁性等结构性能均会影响电缆的E值。同时,为了防止E值发生突变,还应避免缆芯在铝管中成蛇形弯曲,保证缆芯在铝管中的间隙量保持一致。因此,在铝护工序中必须采用合适的模具配比、一致的收放线张力。

4结束语

铁路电缆产品的质量关乎着铁路行车的安全性,本文对铁路信号系统非常重要的组成部分———内屏蔽铁路数字信号电缆的对地电容不平衡指标的定义及各道生产工序中影响因素的控制方法进行了详细介绍。只有保证内屏蔽铁路数字信号电缆的生产过程达到精确控制,才能生产出对地电容不平衡指标合格的产品,提高电缆的传输质量,确保铁路行车的安全性。

作者:张云霄 单位:焦作铁路电缆有限责任公司

[参考文献]

[1]铁道部.TB/T3100.1—2004铁路数字信号电缆第1部分:一般规定[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[2]王春江.电线电缆手册:第1册[M].2版.北京:机械工业出版社,2008.

[3]郑玉东.通信电缆[M].北京:机械工业出版社,1982.

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