浅谈影响应答器数据传输电缆特性阻抗的因素及解决的方法

浅谈影响应答器数据传输电缆特性阻抗的因素及

解决的方法

低压电气网

一、引言

应答器数据传输电缆是用于应答器与地面电子单元（简称LEU）的连接，传输报文数据信息及电能的电缆。应答器是一种可以发送数据报文的高速数据传输设备，适用CTCS-1-4各级列车运行控制系统。地面电子单元（LEU）是一种数据采集与处理单元，当有数据变化时，可根据变化后的数据形成报文并送给地面有源应答器。

应答器数据传输电缆缆芯结构较为简单（见图1），但工艺流程复杂。该产品在行业中尚未有正式的行业标准，所以我们是根据用户提出的技术条件进行试制，其中对特性阻抗的要求非常严格，测试频率在1. 8 kHz时波动范围仅在±5Ω以内。

从我公司近两年生产的该电缆产品的各项指标检测数据统计状况看，其特性阻抗值波动不易控制。因此，本文就影响特性阻抗指标的几个因素进行分析，对其主要产生的原因和消除办法进行讨论。

二、特性阻抗的定义及计算公式

特性阻抗亦称波阻抗，是描述电磁波沿均匀传输线路传输时在没有反射时的阻抗，在高频条件下，对称电缆的波阻抗zC（Ω）可由式（l）计算：

式中，L为单位长度电缆回路的电感（H/km）C为单位长度电缆回路的电容（F/km）。

为了保证该种电缆在高频条件下的传输质量，通常在线组外面加了一层屏蔽层，所以电缆回路电感L（H/km）的计算式为：

式中，λ为总的绞入系数；α为回路两导线中心间距离（mm）；d0 为导线直径（mm）；r为屏蔽层的半径（mm）；K为涡流系数；μr为屏蔽层的相对磁导率；Q（x）为x（=kd/2）的特定函数。

对称电缆的电容C（F/km）可按式（3）计算：

式中，e为组合绝缘介质的等效相对介电常数；Ψ为由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引用的修正系数。Ψ可由式（4）、式（5）计算：

式中，d为绝缘线芯的直径（mm）；D为屏蔽层内直径（mm）。

三、影响特性阻抗的因素及生产过程中应注意的事项

在电缆的制造过程中，由于制造工艺的不均匀。或不稳定等缺陷，会引起导体和绝缘直径的变化和。偏心，这都会对电缆传输的一次及二次参数造成影响。由式（2）和式（3）可知，绞入系数λ、涡流系数k、屏蔽的相对磁导率μr作为常数项，均可以认为对电气指标的波动不构成影响，因此，可以认为影响特性阻抗的主要因素如下：

1．导体直径d0的波动会影响电感和电容的大小，进而成为影响特性阻抗ZC ，这是不可忽视的因素。从电缆电气特性知道其导体直径应不小于1.5 mm，要想控制好导体直径，模具的精度至关重要，拉丝出线模的直径偏差一般应控制在0.002mm以下，在设备运行状况良好的条件下，导体直径偏差不可超过0.003mm,只有这种精度才能够满足电缆对特性阻抗的要求。因此，在拉

丝生产过程中应经常关注拉丝机的运行状况及拉丝模精度的控制。

另外还要严格控制好导体的退火状态及其拉断伸长率，如果导体的退火过度，造成导体伸长率过大，在后续加工过程中就难以控制和容易变形，所以导体的伸长率波动范围应严格控制在小于±1.5％为宜。

2．绝缘线芯外径偏差和同心度是绝缘单线生产过程中最不易控制因素，而绝缘线芯外径的波动和偏心会导致两导线间距离的变化，这种变化的结果使特性阻抗ZC值发生变化，两导线间距离变化越大特性阻抗ZC值波动就越大，严重时会远远偏离标称值。就该电缆在1.8 kHz时特性阻抗±5Ω的偏差范围，考虑还会有受到其它因素的影响，绝缘层的厚度偏差应控制在±0．03 mm以内，同心度不得小于95％。要想得到比较均匀的特性阻抗，就要保证生产出的绝缘线芯的绝缘厚度和同心度都很好。在生产时挤塑模具的选用也是非常重要的（因为挤塑模具会给绝缘线芯外径和偏心带来直接的影响）

业内人士都知道,使用45 型挤塑机生产这种绝缘外径（4mm）和绝缘厚度都较大的单线，其厚度偏差和同心度很难满足该种电缆工艺要求。我们选用了比较理想的挤塑模具和良好的冷却系统以及x-y双轴激光外径测径仪在线跟踪监控，来保证和提高电缆绝缘单线的质量。如果使用装备精良的串联式生产线生产这种单线，应该是比较好的选择。

3．从式（2）可知，还有一个关键的变量因子，那就是屏蔽层的半径rs。屏蔽层半径rs的犬小对电感的影响也很大，因此,在屏蔽生产过程中,屏蔽层的质量至关重要，从式（4）、式（5）修正系数Ψ的计算式可知，导线与屏蔽层越靠近时，回路的电容就越大，相反，则越小，而从式（1）可知，回路电容的或大或小会直接影响特性阻抗值。因此，纵包屏蔽或绕包屏蔽带时要松紧适当，屏蔽层的圆整性和一致性应成为生产过程中控制的重点。

另外，在对绞、星绞过程中、收放线张力的均匀性和线对节距的一致性也会对丽回路导线中心间的距离及线组直径的大小有一定的影响。若采用带预扭装置的星绞机，这是较好的选择。

因此，在生产该种电缆过程中要严格控制好每道工序，特别是绝缘线芯生产工序、屏蔽生产工序及星绞/对绞生产工序，才能顺利的保证该产品特性阻抗这一指标在规定要求以内，也才能为市场提供优质的产品。