網絡通信技術論文

　　［關鍵詞］通信論文

　　引言

　　車載網絡通信電纜是機車（城市地鐵、輕軌和鐵路列車）網絡通信的主要傳輸通道，其質量直接影響著機車的控制和信息傳輸精度。為了滿足機車特殊環境對車載網絡通信電纜提出的較高使用要求，本公司對車載網絡通信電纜進行了自主開發和研制。

　　１車載網絡通信電纜的性能要求

　　為了確保機車的安全控制和信息傳輸精度，車載網絡通信電纜必須具有如下性能：ａ．具有一般網絡電纜的傳輸性能；ｂ．耐溫等級達到１００℃；ｃ．低煙無鹵阻燃；ｄ．嚴格的外徑限制；ｅ．良好的柔軟性；ｆ．優秀的耐環境和耐臭氧、耐油性能。以上性能要求使得車載網絡通信電纜的結構設計和生產工藝難度都大大增加。

　　２車載網絡通信電纜的結構設計

　　２．１初步結構設計

　　２．１．１導體設計為了適應機車的特殊使用環境，車載網絡通信電纜必須柔軟性好，因此其導體采用了軟絞合導體。根據ＧＢ／Ｔ３９５６《電纜的導體》規定，其中５類和６類導體均能滿足車載網絡通信電纜柔軟性的要求。但如果采用該兩類導體，則導體的圓整度和外表光滑度都無法滿足通信電纜傳輸性能要求。這是因為網絡用通信電纜的傳輸頻率較高，最高可達２０ＭＨｚ，信號主要沿導體表面傳輸，為防止信號在傳輸過程發生波動和反射，導體必須圓整光滑。因此，車載網絡通信電纜導體采用了正規絞合方式，這也是目前國內外網絡通信電纜生產廠商基本采用的導體絞合方式，雖不符合ＧＢ／Ｔ３９５６標準對導體的要求，但導體性能卻能夠滿足網絡通信要求。另外，為了滿足車載網絡通信電纜使用的惡劣環境要求，導體采用了鍍錫絞合導體。綜上所述，車載網絡通信電纜導體采用正規絞合的鍍錫絞合導體，導體的結構盡量接近ＧＢ／Ｔ３９５６標準規定的５類導體要求。２．１．２絕緣設計目前，一般網絡用通信電纜絕緣大多采用皮－泡－皮聚乙烯（ＰＥ）絕緣結構，這種絕緣結構的電纜具有優良的電氣傳輸性能，可以很好地滿足網絡通信電纜的需求。但對于機車上使用的車載網絡通信電纜，由于車體上特殊的環境溫度，電纜絕緣層的耐溫等級必須達到規定的要求。根據目前鐵路電纜相關規定，電纜耐溫等級低于１００℃時是不允許上車的，這就要求車載網絡通信電纜絕緣必須比一般通信電纜絕緣達到更高的耐溫等級。通過對國內現有絕緣材料分析、篩選，制定并驗證了以下幾種設計方案：ａ．使用氟塑料發泡絕緣。雖然這種絕緣的耐溫等級可達到２００℃，且氟塑料的介電常數小，可很好地滿足車載網絡通信電纜的傳輸要求，但經過試驗后發現，氟塑料發泡絕緣工藝控制難度較大，生產工藝不穩定，生產過程中浪費較大，且氟塑料的價格昂貴，這給生產和銷售帶來了一定的困難。ｂ．使用交聯ＰＥ（ＸＬＰＥ）絕緣。雖然這種絕緣方式可使電纜耐溫等級提高到１０５℃，但由于ＸＬＰＥ絕緣料的介電常數相對較大，如果要保證產品電氣性能達到要求，則絕緣外徑尺寸必須加大，使得整個電纜的外徑增大，滿足不了機車電纜對外徑的嚴格要求。ｃ．采用輻照交聯皮－泡－皮ＰＥ絕緣。通過咨詢材料廠家并研究了相關資料后，認為理論上可通過交聯的方式來提高皮－泡－皮ＰＥ絕緣層的耐溫等級，但這種方式目前國內外還從未曾使用過，缺乏相關經驗參考。為了了解發泡結構ＰＥ絕緣層輻照時的輻照劑量以及輻照后性能能否達到理想效果，選取了大量皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品進行輻照交聯試驗。在輻照交聯試驗時，先對采用不同輻照劑量輻照后的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品的輻照交聯效果進行驗證，然后選擇輻照交聯效果理想的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線樣品進行老化試驗，同時選取未經輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線進行對比試驗。老化試驗是在同一個恒溫爐中進行的，試驗溫度為１５８℃，試驗時間為１６８ｈ。老化試驗結束后發現，未經輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線的絕緣層已經熔化，絕緣發泡層嚴重收縮，絕緣材料粘在掛鉤上，并有明顯的滴流痕跡；而經過輻照交聯的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線的絕緣形狀和外觀基本保持完好，掛鉤上未粘有絕緣材料。這初步證明了經過輻照交聯后皮－泡－皮ＰＥ絕緣結構的耐溫等級有了大幅提高。為了進一步驗證輻照交聯后皮－泡－皮ＰＥ絕緣的耐熱性，采用電鉻鐵對輻照交聯皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線和未經輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣單線進行了直觀的耐熱對比。當溫度約為３００℃的電鉻鐵輕放在絕緣表面３ｓ后，未經輻照的皮－泡－皮ＰＥ絕緣層很快熔化，而輻照交聯皮－泡－皮ＰＥ絕緣層則只有輕微的燙傷痕跡。通過該耐熱試驗進一步證明了輻照交聯皮－泡－皮ＰＥ絕緣的.耐熱承受能力大大優于普通皮－泡－皮ＰＥ絕緣。因此，車載網絡通信電纜的絕緣最終采用了輻照交聯皮－泡－皮ＰＥ絕緣結構。２．１．３線對及纜芯設計車載網絡通信電纜的線對和纜芯的絞合與計算機數據網絡通信電纜基本相同，只是在選取包帶時應充分考慮其使用環境的特殊性。目前纜芯包帶有很多種，如玻璃紙（ＰＴ）包帶、聚丙烯（ＰＰ）包帶、ＰＥ包帶、玻璃絲包帶、無紡布包帶、云母帶等。其中ＰＴ包帶和無紡布包帶燃燒時發煙量大，不滿足低煙要求；ＰＥ包帶雖然發煙量低，但耐溫等級只有７０℃，達不到機車電纜的耐溫等級要求；玻璃絲包帶和云母帶的耐溫等級較高，且燃燒時的發煙量低，能夠滿足使用要求，但這兩種包帶的厚度太厚，會增加電纜外徑；而ＰＰ包帶的熔化溫度為２７０℃，在１５０℃時仍然保持較好的狀態，可滿足機車電纜耐溫等級要求，同時ＰＰ包帶的相對介電常數小（約為２．０，小于ＰＥ包帶的介電常數），燃燒時基本不發煙，這些性能都能很好滿足機車電纜的要求。因此，車載網絡通信電纜最終選取ＰＰ包帶作為纜芯包帶。另外，車載網絡通信電纜的線對和纜芯的絞合節距在確保電纜性能的前提下應盡可能設計小些，以保證電纜的柔軟性和串音、阻抗等電氣參數的穩定性。２．１．４屏蔽層設計車載網絡通信電纜必須具有良好的屏蔽性能，防止電磁干擾，同時還必須滿足柔軟性要求，以適應于機車內部安裝敷設。由此，借鑒了同軸電纜的屏蔽方式，即屏蔽層采用０．０４ｍｍ單面鋁箔縱包（防電磁輻射）＋０．１５ｍｍ鍍錫銅線編織屏蔽（防磁場輻射）結構，鋁箔搭蓋寬度不小于３ｍｍ，編織密度不小于８５％。該屏蔽結構可使外界電磁輻射及磁場輻射直接入地而對內層導體不干擾，既保證電纜有良好的屏蔽性能，又滿足了電纜的柔軟性。２．１．５護套料的選取由于車載網絡通信電纜的特殊使用環境，因此其外護套應具有低煙無鹵阻燃性能、優良的耐高低溫性能（耐高溫等級最低為１０５℃，耐低溫等級為－２５℃或－４０℃）、優良的耐環境性能和耐臭氧性能，有的場所還需要其具有耐燃料油和礦物油等性能。目前，應用較多的低煙無鹵阻燃護套材料有低煙無鹵阻燃輻照交聯聚烯烴護套料、阻燃低鹵的改性氯磺化ＰＥ護套料等。通過對國內現有低煙無鹵阻燃護套材料分析、篩選后，車載網絡通信電纜選用１２５℃低煙無鹵阻燃輻照交聯耐油聚烯烴護套料，該材料耐溫等級為１２５℃，具有優秀的耐環境和耐油性能，且工藝比較成熟，價格相對便宜，性能穩定。

　　２．２結構設計驗證

　　２．２．１樣品試制根據車載網絡通信電纜的初步結構設計方案，在２０１５年試制了一根１０００ｍ長規格為２×２×０．５ｍｍ２的車載網絡通信電纜（結構如圖１所示），要求電纜的外徑不大于９．５ｍｍ，１ＭＨｚ時的特性阻抗為（１２０±１０）Ω，電纜的耐溫等級為－４０～１００℃。該車載網絡通信電纜的試制方案如下：導體采用１９×０．１８ｍｍ的正規絞合導體，導體為鍍錫導體，為滿足高頻線路傳輸要求，導體絞合過程進行了輕微的緊壓，以保證導體外表的光滑度和圓整度；絕緣采用物理發泡皮－泡－皮ＰＥ絕緣結構，絕緣單線經過輻照交聯（輻照劑量的控制為工藝關鍵）；線對絞合和纜芯絞合與數據電纜相同，包帶為ＰＰ包帶；屏蔽層采用鋁箔＋鍍錫銅線編織，編織密度不小于８５％；護套采用１２５℃低煙無鹵阻燃輻照交聯耐油聚烯烴護套料（護套具有耐燃料油和礦物油性能）。２．２．２性能檢測對試制的１０００ｍ長２×２×０．５ｍｍ２車載網絡通信電纜樣品進行了電氣性能測試，測試結果如表１所示。首先進行了第一次電氣性能測試，各項性能測試結果均滿足了設計要求；隨后選取一圈１００ｍ的電纜整體放入恒溫老化箱中進行老化試驗，試驗溫度為１５８℃，試驗時間為１６８ｈ，老化試驗完成后將電纜從老化箱中取出，放置２４ｈ后進行第二次電氣性能測試，各項性能測試結果與老化試驗前的第一次性能測試結果基本一致，也均滿足了設計要求；再將該圈１００ｍ的電纜樣品放入老化箱中做耐溫試驗，試驗溫度為１０５℃，試驗時間為２４ｈ，耐溫試驗后立即進行第三次電氣性能測試，各項性能指標測試結果與老化試驗前的第一次性能測試結果基本一致，只有衰減下降較多，但將１０５℃衰減值換算到２０℃時（衰減的溫度系數為０．００２ｄＢ（１００ｍ）－１℃－１），該衰減值也能滿足要求。經檢測，該２×２×０．５ｍｍ２車載網絡通信電纜樣品的護套厚度為０．６ｍｍ，外徑為９．３ｍｍ，電纜的彎曲性能及物理機械性能也都滿足了設計要求。之后，對該電纜取樣依據ＧＢ／Ｔ１９６６６進行成束燃燒試驗，試驗結果滿足標準中Ｂ類指標，同時其無鹵、低煙指標均符合標準規定。這表明車載網絡通信電纜初步結構設計方案完全可行且合理。

　　３車載網絡通信電纜的現場檢驗

　　在車載網絡通信電纜產品首件測試合格后，對車載網絡通信電纜進行了批量的驗證，各項指標均符合要求，且性能穩定。本公司將自行設計和生產的首批車載網絡通信電纜委托交大思諾科技有限公司使用，進行現場驗證。經過近兩年使用后，該批車載網絡通信電纜運行效果良好，并取得了用戶使用報告。隨后該公司和其它一些設備、車輛廠家陸續訂購了本公司的該類電纜，使用后非常滿意。

　　４結束語

　　本文車載網絡通信電纜的設計方案是在實踐基礎上總結出來的，該電纜結構設計的難點是絕緣層結構設計，它既要滿足通信電纜的傳輸性能要求，又要具有較高的耐溫等級要求。另外，該電纜產品為系列規格，今后會對整個系列進行研發和完善。

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