中低速磁悬浮列车用信号电缆的研制

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中低速磁悬浮列车用信号电缆的研制

魏辉、 何丹丹、方芳

安徽太平洋电缆股份有限公司 安徽省芜湖市 238331

摘要:

1.引言

磁悬浮交通是一种新型的交通工具,上海市高速磁悬浮交通示范运营线的开通,极大地推进了我国开发自有知识产权的磁悬浮交通技术的步伐。我公司作为国产城市轨道交通磁悬浮技术的合作成员单位, 承担了相关电缆的研制与开发工作, 本文仅就磁悬浮列车控制信号电缆的研制予以介绍。

2.磁悬浮交通的发展现状

磁悬浮列车主要依靠电磁力来实现传统铁路中的支承、导向、牵引和制动功能,是一种利用磁极间吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说,排斥力使列车悬起来,吸引力让列车开动。磁悬浮列车抱在导轨上运行,运行中的磁悬浮列车与导轨之 间没有机械接触,因此可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度,是当前唯一能达到 500km/h运营速度的地面交通工具。在环境保护方面,低速运行的磁悬浮列车基本上没有噪声,不产生有害物质,磁场强度较低,与地磁场基本相当符合安全标准。磁悬 浮列车是一种非接触运输系统,实现了轨道与列车之间没有机械接触,代表了从陆上有接触交通运输系统向非接触运输系统发展的方向。

多年来世界主要发达国家都在研究开发磁悬浮交通技术。目前世界上磁悬浮列车已初步形成了三种典型的模式:德国的高速磁悬浮列车TR系列、日本的高速磁悬浮列车MLX、日本的中低速磁悬浮列车HSST系列。磁悬浮列车从悬浮机理上可分为电磁悬浮(EMS)和电动悬浮 (EDS)两种类型。所谓电磁型就是对车载的悬浮电磁铁通电励磁而产生可控制的电磁场,电磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引,将列车向上拉起悬浮于轨道上,电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙(称为气隙)一般控制在 10mm左右,列车通过直线电机来牵引。该系统所用的材料都是一般的铁磁材料和导电材料, 所以也称为常导磁悬浮列车。电动悬浮型就是当列车运动时,通过车载的超导励磁的磁体运动与安装在线路上的导电环产生感应电流,两者相互作用,对车体产生浮力,悬浮的高度一般为10~15cm, 列车运行靠直线电机来牵引。这种磁悬浮列车的车上载有低温超导线圈,所以也称为超导磁悬浮列车。电磁悬浮列车以德国的TR-08和日本的HSST100L为代表,电动悬浮以日本的MLX为代表。

4. 中低速磁悬浮列车先进的信号控制系统

中低速磁悬浮列车的信号系统与地铁和轻轨的信号系统相同,城市轨道交通信号系统已从早期的固定闭塞发展到了基于数字轨道电路的移动闭塞系统,数字轨道电路是列车自动控制(ATC)的基础。世界上大多数新建的城市轨道交通系统都或多或少地配置了先进的ATC设备,以保证列车运行的安全性以及操作的方便性和灵活性。ATC系统由ATP(列车自动防护 )、ATO(列车自动驾驶 )、ATS (列车自动监督)三个子系统组成。 目前应用最多的地铁信号系统是基于数字轨道电路的ATC系统。与音频轨道电路相比,数字轨道电路在可靠性、传送的信息量、传输信息的灵活性等方面具有绝对的优势。本课题采用了基于通信的实现移动闭塞的地铁信号系统,使用在轨道沿线铺设电缆环的方式进行列车与轨道间的双向通信,从而实现了移动闭塞。本系统开发的电缆从传输特性、特殊环境下适用性等方面进行了应用性试验和理论分析,确定了电缆的结构及性能要求,满足了磁悬浮信号系统的应用要求,本文仅对数字轨道电路电缆的开发情况予以介绍。

5. 中低速磁悬浮列车信号电缆的开发技术背景及主要解决的技术问题

连续式列车速度自动控制系统是为适应轨道交通高行车密度及高速铁路而发展起来的一项铁路信号技术。为了构成ATC系统,地面与车上需要建立起多信息的通道, 在系统中采用了我们开发的抗延伸型轨间交叉感应环电缆的列车超速防护系统,信号电缆承担了这种车地信息的传输任务,其传输频率为车对35.4kHz,地对车55.8 kHz,同时考虑到为数字编码式音频轨道电路进行列车区间占用及列控信息的传递,因此本产品同时兼顾轨道电路数据传输的功能。为了防止相邻轨道电路之间的串音,应选取多种频率,本产品应用的轨道电路的传输频率采用目前欧美各国大多采用的9.5~16.5kHz,我国的广州地铁一号线、上海地铁二号线也都采用这个频率,此项功能的完成共有8种频率可供选用。电缆作为地面—车上信息传输的媒介,可实现连续式列车的速度控制方式。同时当它用于传输轨道电路数据时,在以上传输频率下,都应有良好的传输特性。如何使电缆能同时满足以上10个频率下的传输性能是本产品开发的首要环节,因此需开发的这种电缆产品,是以满足多信息量、低衰减、抗电磁环境干扰及具有低烟无卤阻燃特性的城市轨道交通专用电缆。同时对电缆在这种应 用环境下的抗电磁干扰的能力作了充分的考虑,确定了电缆结构及各项指标的水平。

6. 电缆的主要技术性能及要求

磁悬浮列车控制数据电缆具有以下特点:(1)产品满足了系统对电缆传输特性提出的要求,规定了工作频率段下电缆的特性阻抗、工作线对衰减、相移角等指标,为系统的可靠、稳定运行奠定了基础;(2)电缆采用多重组合屏蔽结构,因此电缆在工作状态下其抗电磁干扰的性能优于目前电气化铁路区段常用的铁路数字信号电缆 SPT及SPTP产品,产品的可靠性更有保障;(3)采用低烟无卤阻燃电缆生产技术,产品具有优异的阻燃性能,符合城市轨道交通用提出的各项安全性规定。

6.1电缆基本指标的分析及缆芯结构的确定

本产品作为数据传输电缆,其设计计算可完全采用通信电缆的设计理论,由于没有同类的产品标准可以借鉴,所以如何确定电缆的指标是关键,设计初期我们只能得到配套设备在规定频率下的特性阻抗要求,没有其它的相关规定。为找到确定指标的 基点,我们抛开传统设计的思路,直接利用本企业现有的通信类电缆产品,把它与设备相连,测试系统存在的问题,针对存在的问题来确定解决的办法,从而使无法确定的指标,通过定量化的不合理数据来反推出合理指标并应符合规定的范围。实践证明这样做是合理和可行的。

通过首次适用性试验,我们认定在规定的频率下,试验电缆的衰减太大,应当降低产品的衰减指标,通过分析确定将衰减值至少降低20%,并以验证产品的导体直径 AWG19号(0.9116mm)线规,作为导体直径的最低极限值,然后向上选三个线规,这样就确定了电缆设计的最关键指标—导体直径。同时为进一步达到降低衰减、减小成本的目的,决定采用物理发泡皮泡皮三层共挤生产技术,并从现有工装模具中依据以上分析只选择了AWG16、AWG17号两种线规作为导体直径设计的基点,并暂时不考虑电缆的阻抗的要求。依据通信电缆设计理论,该电缆的10个工作频率(9.5~16.5 kHz)下的参数都需要用完全公式来计算。我们通过如表1所列的设计思路来选定试制电缆的结构。

表1 电缆结构与参数确定的设计思路

序号

电缆结构与参数的确定

说明

1

导体直径

d1最小极限

d2、d3设定直径

采用实芯圆导体,充分利用现在各工序工装模具,设定产品结构。

2

工作线对衰减

α:Q、α0

α0为适用性试验产品的衰减实测值

3

工作对阻抗

Zn

各工作频率下产品的特性阻抗

4

工作电容

C

由二次传输参数反推计算

5

线芯结构

一组四线组

用最小规格进行验证

通过以上分析,同时利用自己编写的计算程序,采用先试算后凑算的办法,选定了两种结构作为试制的样品,考虑到最大限度降低试验成本,只生产最小规格的产品来验证理论计算的准确性。

6.2电缆的屏蔽结构

电缆的屏蔽结构立足于采用铁路通信信号系统用电缆常用的屏蔽结构,本产品中考虑到电缆将用于磁悬浮列车的磁场环境下,其电磁场环境的实际情况对电缆的影响目前仍无法测量,根据铁路信号系统的设计要求,依据“故障安全”的原则,采用铜、 铝、钢多重组合屏蔽的结构。

6.3电缆阻燃特性的分析及材料选用

(1)电缆的阻燃性能要求 依据我国轨道交通建设标准,电缆应为低烟无卤阻燃型产品,我厂在轨道交通领域已有十多年的供货经历,并为国内外各种制式的系统都做过电缆配套工作,因此积累了大量的经验。在本系统中我们要求提供的各类电缆产 品都应通过 GB/T 18380标准规定的B类以上的成束燃烧试验,电缆燃烧时应只有极少量的烟气排放,无腐蚀性、毒性或危害性气体产生。同时要求产品不含任何有毒物质及重金属离子,并符合欧盟 ROHS 指令的要求。

(2)电缆的环境性能要求 热塑性低烟无卤阻燃聚烯烃电缆虽然具有良好的阻燃、低烟、无卤的特性,但其机械强度比较低,抗撕裂性能不好。因此我们在本产品中采用辐照交联型低烟无卤阻燃聚烯烃外护套料,它除了具有普通低烟无卤阻燃料的特点外,还大大提高了电缆外护套的耐热、耐溶剂、耐环境老化、耐开裂等性能,可以满足产品严格的要求。

8. 结束语

通过以上工作,试制的电缆各项性能指标均达到了系统规定的设计要求,作为重点项目“中低速磁悬浮交通技术及工程化应用研究工作”中的各项技术均已取得了突破性进展,核心技术问题已解决,在不远的将来,磁悬浮城市轨道交通作为快速、舒适的“绿色交通工具”必将成为21世纪人类理想的交通工具。

作者简介:魏辉,男,1992.09.03,河南商丘,汉,专科,技术主管,安徽太平洋电缆股份有限公司,研究方向:信号电缆、通信电缆。

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