Characteristics of Signal-Blocking Cables for Railways with AC Electric Traction

Full Text

В России на железных дорогах широко используется электротяга переменного тока. При этом возникает значительное электромагнитное влияние на кабели инфраструктуры железных дорог. Это не должно снижать безопасность железнодорожных перевозок. Поэтому на участках железных дорог с электротягой переменного тока применяются сигнально-блокировочные кабели, имеющие повышенную защиту. Это кабели со сплошной алюминиевой оболочкой, бронированные стальными лентами. Конструкция таких кабелей обеспечивает необходимые требования защищенности цепей кабеля от внешних опасных и мешающих электромагнитных влияний. Кабели для сигнализации и блокировки предназначены для сетей железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), обеспечивающих передачу сигналов управления и информации, а также передачу электрической энергии при эксплуатации электрических установок сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ), в частности, светофоров и стрелочных переводов. Кабели сети ЖАТ обеспечивают работу линейных цепей автоблокировки на перегонах между станциями и функционирование системы устройств электрической централизации стрелок и сигналов горочной автоматической и диспетчерской централизации и переездной сигнализации [1]. Для сети ЖАТ применяются однородные (с одинаковыми жилами и парами) сигнальноблокировочные кабели с полиэтиленовой изоляцией в алюминиевой оболочке и комбинированные кабели, состоящие из пар или звездных четверок, скрученных из изолированных медных жил, и оптического элемента, скрученного из оптических модулей с оптическими волокнами. Комбинированные кабели с оптическими волокнами и медными жилами предназначены для цепей технологической связи и устройств СЦБ. Эти кабели используются в волоконно-оптических системах передачи по оптическим волокнам, цифровых и аналоговых системах передачи в диапазоне частот до 400 кГц по парам основных высокочастотных четверок жил, в электрических установках устройств СЦБ при номинальном напряжении 380 В переменного тока частотой 50 Гц или постоянном напряжении 700 В по вспомогательным парам, в том числе скрученным в четверки жил. Применение комбинированного кабеля позволяет снизить затраты на строительство и реконструкцию кабельной линии на 16-20 % по сравнению с использованием трех разных типов кабелей: волоконно-оптического, магистрального высокочастотного кабеля и кабеля для сигнализации и блокировки [1]. Далеко не все предприятия кабельной промышленности имеют возможность серийно производить кабели со сплошной алюминиевой оболочкой по причине отсутствия необходимого технологического оборудования. Для производства таких кабелей необходимо наличие на предприятии алюминиевого пресса или высокочастотного сварочного стана. Желание некоторых предприятий кабельной отрасли выпускать кабели с алюминиевой оболочкой при отсутствии необходимого технологического оборудования привело к тому, что на рынке кабельно-проводниковой продукции появились кабели с неоднородной алюминиевой оболочкой. Например, известно о поставках на объекты ОАО «РЖД» сигнально-блокировочных кабелей с неоднородной алюминиевой оболочкой, которая изготовлена из алюмополимерной ленты и повива алюминиевых проволок [2]. Отметим, что на протяжении более 25 лет предприятие АО «СКК» является основным поставщиком кабельной продукции для объектов ОАО «РЖД». Железнодорожные кабели разработаны и производятся с учетом большого опыта предприятия по серийному выпуску кабелей связи для нужд оборонного ведомства страны. Эти кабели имеют повышенную надежность и стойкость к воздействию внешних факторов. Объекты ОАО «РЖД» являются стратегически важными для нашей страны, поэтому кабели, поставляемые на них, должны отвечать всем необходимым требованиям. АО «СКК» были разработаны и испытаны различные конструкции сигнально-блокировочных кабелей, в том числе с экраном из алюмополимерной ленты, в цельном сплошном алюминиевом экране и экране из алюминиевых проволок. После проведенного анализа полученных результатов испытаний, учитывая рекомендации ВНИИУП МПС России для применения на объектах железных дорог, авторы выбрали конструкцию кабеля со сплошной алюминиевой оболочкой. Такие кабели могут иметь усиление конструкции путем их бронирования. Сплошная прессованная, либо сварная алюминиевая оболочка обеспечивает надежную защиту кабелей от различных внешних воздействий, в том от воздействия влаги, делая их герметичными. Этого нельзя сказать в отношении кабелей с неоднородной алюминиевой оболочкой, изготовленной из алюмополимерной ленты и повива проволок. В настоящей статье делается сравнительный анализ конструкций сигнально-блокировочных кабелей производства АО «СКК» с цельной сплошной алюминиевой оболочкой и кабелей с экраном из алюмополимерной ленты и повива из алюминиевых проволок. При этом особое внимание уделено характеристикам влияния внешних электрических полей, так как такие кабели предназначены для прокладки на электрифицированных железных дорогах переменного тока, на которых контактная сеть всегда оказывает мешающие, а в аварийных ситуациях и опасные, электромагнитные влияния. Сравнительный анализ характеристик сигнально-блокировочных кабелей Испытания сравниваемых образцов сигнальноблокировочных кабелей проводились в условиях кабельного производства в лаборатории службы качества предприятия АО «СКК». Испытывались два образца сигнально-блокировочных кабелей с различной конструкцией алюминиевой оболочки. Первый образец - кабель марки СБПЗАуБпШп 7 2 0 9 ,,×× который имеет сплошную прессованную алюминиевую оболочку. Второй образец - кабель марки СБППэпЗБаПБбШп 7 2 0 9 ,,×× который имеет алюминиевую оболочку в виде алюмополиэтиленовой ленты и повива алюминиевых проволок. При этом следует отметить, что геометрические размеры отдельных элементов сравниваемых кабелей, влияющих на характеристики защищенности от внешних электромагнитных влияний (КЗД), незначительно, но отличаются. Так, у кабеля с алюминиевой оболочкой диаметр по поясной изоляции составляет 12,84 мм при толщине алюминиевой оболочки 3,2 мм, а у кабеля с экраном из алюминиевых проволок 15,76 мм соответственно при их диаметре 3,15 мм. Диаметр кабеля по наружному защитному покрову типа Шп - 32,12 мм и 34,16 мм соответственно. Результаты проведенных испытаний первичных электрических параметров и физико-механических характеристик сравниваемых кабелей представлены в таблице 1. Устойчивость и качество работы сигнальноблокировочных кабелей в значительной степени определяются защищенностью цепей от внешних электромагнитных влияний. Защищенность цепей кабелей от внешних электромагнитных влияний (коэффициент защитного действия металлопокровов кабеля на частоте 50 Гц при продольной ЭДС) является одной из основных характеристик данного вида кабелей [3; 4]. Таблица 1. Результаты испытаний первичных электрических параметров и физико-механических характеристик кабелей Таблица 2. Результаты измерения КЗД Измерение идеального КЗД образцов сигнально-блокировочных кабелей СБПЗАуБпШп и СБППэпЗБаПБбШп проводилось при помощи универсального цифрового вольтметра GTM8145 в соответствии с требованиями ГОСТ 27893-88. Результаты измерения КЗД представлены в таблице 2. Анализ результатов проведенных испытаний (см. таблицы 1-2) показывает, что по первичным параметрам и физико-механическим характеристикам сравниваемые кабели полностью отвечают нормативным значениям, чего нельзя сказать относительно КЗД. Если кабель в сплошной алюминиевой оболочке имеет запас по величине КЗД относительно нормы, то для кабеля с экраном из алюмополиэтиленовой ленты и повиввеличина КЗД не отвечает установленной норме [4]. Уместно отметить, что результаты измерения кабеля марки СБПЗАуБпШп 7 2 0 9 , ×× хорошо согласуются с данными, приведенными в [4], для кабелей марки МКСАБп, которые имеют сплошную алюминиевую оболочку и такие же защитные бронепокровы. Параметр идеального КЗД металлических оболочек кабелей поддается корректировке. Снизить величину этого параметра возможно, внеся изменения в конструкцию кабеля. Если применить для изготовления алюминиевой оболочки проволоки большего диаметра, то это позволит снизить значения идеального КЗД кабеля. Однако это приведет к увеличению размеров кабеля в целом, увеличению расхода материалов на защитные покровы, накладываемых поверх повива из алюминиевых проволок. Рассматривая экранирующее действие кабеля СБППэпЗБаПБбШп с алюминиевыми проволоками и алюмополиэтиленовой лентой, следует сказать, что этот экран является электрически неоднородным, так как в его конструкции имеются небольшие щели между алюминиевыми проволоками и продольная щель в алюминиевой ленте толщиной 0,2 мм, которая образуется за счет покрытия алюминиевой ленты с двух сторон слоем сополимера толщиной 0,1 мм. Теоретические и экспериментальные исследования такой конструкции экранов, результаты которых изложены в [6; 8], показывают, что коэффициент экранирования S, характеризующий защищенность цепи кабеля от внешних электромагнитных полей в области высоких частот, которые всегда присутствуют на электрифицированных железных дорогах, особенно на дорогах с электротягой переменного тока, всегда больше (хуже), чем коэффициент экранирования однородного цельного экрана: S = Sс + Sщ, (1) где Sc - коэффициент экранирующего сплошного цельного экрана; Sщ - коэффициент экранирования, характеризующий влияние щели. Для экрана из круглых проволок коэффициент экранирования записывается как [6]: 0 2 2 ln= = πt tù Ý SaSS , (2) где S - ширина щели; 0 t - радиус проволоки; tÝ - радиус проволоки экрана; à - расстояние между соседними проволоками. Экранное затухание (затухание экранирования), которым обычно оценивается защищенность от внешних влияний в области высоких частот, определяется по формуле 11 87 2 ln , ln ln = = πt t Ý ù ÝÝ A Sa S , дБ. (3) Расчет затухания экранирования сплошного алюминиевого экрана и экрана из алюминиевых проволок и алюмополиэтиленовой ленты показал, что у сплошного экрана оно на 10 дБ выше. Сравниваемые конструкции сигнально-блокировочных кабелей имеют бронепокровы из двух стальных лент. Теоретически определить экранирующие характеристики кабелей комбинированных экранов, содержащих немагнитные (алюминий) и магнитные (сталь) материалы, практически очень сложно, поэтому их обычно определяют экспериментально [7]. Для сравнительной оценки степени влияния внешних высокочастотных полей проведен эксперимент по измерению переходного затухания на ближнем конце А0 на образцах кабелей СБПЗАуБпШп 7 2 0 9 , ×× и СБППэпЗБаПБбШп 7 2 0 9 , ×× длиной по 20 м. Для этого к образцам кабелей был прикреплен по всей длине изолирующей лентой кабель ПРППМ 1 2 0 9 ,,×× который являлся влияющей цепью, а цепи рассматриваемых кабелей были цепями, подверженными влиянию. Кабельные цепи были нагружены сопротивлениями, равными волновому сопротивлению на высоких частотах. Результаты измерения отдельных реализаций частотных характеристик А0 в диапазоне частот 4-32 МГц были усреднены. На рисунке показаны частотные характеристики средних значений А0 исследуемых кабелей. Анализ графиков позволяет отметить, что наличие щелей в конструкции экрана с алюминиевыми проволоками и алюминиевой лентой снижает защищенность от внешних электромагнитных полей высокой частоты на 5-10 дБ. Аналогичные выводы приводятся и в работах [7-10], где показано, что наличие в экране продольной щели шириной 2 мм снижает защищенность на 12-16 дБ. Рисунок. Частотные характеристики средних значений А0 между цепью кабеля ПРППМ (влияющая цепь) и цепями кабеля СБППэпЗБаПБбШп 7 2 0,9 Выводы По результатам проведенного сравнительного анализа конструкций, электрических и физикомеханических характеристик сигнально-блокировочных кабелей можно сделать следующие выводы. 1. При близких размерах отдельных конструктивных элементов сравнительных кабелей параметры, характеризующие защищенность от влияния внешних электромагнитных влияний в области высоких частот, кабели, имеющие в качестве экрана повив из алюминиевых проволок и алюмополиэтиленовую продольную ленту, уступают место кабелям со сплошной цельной алюминиевой оболочкой. 2. Значение идеального КЗД кабеля с цельной алюминиевой оболочкой значительно ниже (лучше), чем кабеля с экраном из алюмополиэтиленовой ленты и повива из алюминиевых проволок. 3. Конструкция кабеля марки СБППэпВББаПБбШп имеет следующие конструктивные недостатки по сравнению с конструкцией кабеля марки СБПЗАуБпШп: - низкая степень защиты от продольного проникновения влаги вдоль проволок экрана и лент брони приведет со временем к коррозии и разрушению экрана, а также значительно увеличит время устранения повреждений и расход кабеля на ремонт; - значение максимального пробивного напряжения между жилами и экраном в 1,5 раза ниже, что обусловлено конструктивной особенностью (алюмополимерная лента проложена по сердечнику кабеля).

About the authors

R. V Andreev

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: inkat@inbox.ru
Samara, Russian Federation

V. B Popov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: inkat@inbox.ru
Samara, Russian Federation

References

Supplementary files