阅读说明：本技术 铁路数字信号电缆 (Railway digital signal cable ) 是由 王子纯 吴荣美 邵秀琴 唐秀芹 陈彩云 袁海峰 于 2019-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种铁路数字信号电缆,其缆芯至少包括有一星形四线组；在星形四线组的线组内包带层和线组外包带层之间设置有监测电容板组件,每一侧的监测电容板由若干电容板单元构成,各电容板单元的长度均不相等,电容板单元的展角α=90°—120°,电容板单元由电容连接线相互并联；所述线组屏蔽结构包括线组屏蔽波纹带和相互间隔地支撑于线组屏蔽波纹带内的线组屏蔽撑圈；总屏蔽结构包括总屏蔽波纹带和相互间隔地支撑于总屏蔽波纹带内的屏蔽撑圈；铠装层包括绕包的内层绕包钢带和外层绕包钢带,在内层绕包钢带和外层绕包钢带相互搭接段之间嵌装有橡胶密封带。该信号电缆能有效地监测电缆的适时运行状态,且具有良好的抗压,阻水性能。(The invention discloses a railway digital signal cable, wherein a cable core at least comprises a star quad, a monitoring capacitor plate assembly is arranged between a wire group inner wrapping tape layer and a wire group outer wrapping tape layer of the star quad, a monitoring capacitor plate on each side is composed of a plurality of capacitor plate units, the lengths of the capacitor plate units are different, the spread angles of the capacitor plate units are α = 90-120 degrees, the capacitor plate units are connected in parallel through capacitor connecting wires, the wire group shielding structure comprises a wire group shielding corrugated belt and wire group shielding support rings which are supported in the wire group shielding corrugated belt at intervals, the total shielding structure comprises a total shielding corrugated belt and shielding support rings which are supported in the total shielding corrugated belt at intervals, an armor layer comprises an inner layer wrapping steel belt and an outer layer steel belt which are wrapped, and a rubber sealing belt is embedded between the mutually overlapped sections of the inner layer wrapping steel belt and the outer layer wrapping steel belt.)

铁路数字信号电缆

技术领域

本发明涉及电缆技术领域，尤其涉及一种用于连接铁路信号系统中有关设备和控制装置的铁路信号电缆。

背景技术

铁路信号电缆是铁路建设中必不可少且承载信号传递及能量传输的电线电缆，是连接铁路信号系统中有关设备和控制装置的关键部件，是铁路运营控制系统的神经中枢。尤其是随着铁路的不断提速，以及高速铁路进入数字化、智能化和综合化的发展趋势，铁路信号电缆的可靠性、安全性更成为高速铁路系统高效运行的重中之重，故而铁路数字信号电缆在满足原有铁路信号电缆指标的基础上，更是提高了电缆的综合性能，电容指标降低了40%，绝缘电阻指标提高了2.3倍，还优化了阻抗、衰减和串音性能。

内屏蔽铁路数字信号电缆由于其传输信号的稳定性和优良的抗干扰性能，在数字信号传输上具有明显的优势，在现有铁路建设的电缆用量中占有很高的比例，目前铁路数字信号电缆主要有两种基本结构，一是铝－聚乙烯综合护套结构电缆，另一类是铝护套结构电缆，其缆芯主要包括有内屏蔽四线组。随着高速铁路的不断增速、敷设环境的复杂化，以及安装敷设要求的进一步严格，对信号电缆运行的安全可靠性提出更为严苛的要求：首先由于内屏蔽四线组的导体结构稳定性和导体阻抗均会影响电缆模拟信号、数字信号及控制信息的安全准确传输，然而数字信号电缆在制造、敷设及运行使用过程中均会发生四线组四根导体结构位置的意外变动，不规则拉伸形成缩径，尤其当铁路信号电缆处于穿越特殊地形或敷设地形蠕变等环境中电缆会承受较大的纵向拉力，而这些纵向拉力的增大会使电缆导体产生不规则的径向收缩变形，甚至会导致四线组导体断裂，其结果对高速运行的机车是十分危险，而这些线组导体结构的变化在现有铁路数字信号电缆中是无法适时监测发现的。其二现有的线组屏蔽均是采用金属箔带包裹四线组形成的屏蔽结构，但信号电缆在敷设和使用过程中均会受到轧压和折弯，而金属屏蔽箔带是不能承受外力的轧压和折弯的，这种外力所形成的轧压和折弯不仅会对四线组导体的位置结构的稳定性形成破坏，而且还会造成线组的绝缘单线和导体的压细压扁甚至断裂，既会影响绝缘单线的机械强度和表面光滑度，又会影响绝缘单线的同轴电容、同心度和椭圆度，继而影响电缆的电性能，显然现有四线组的屏蔽结构并不能对线组导体形成有效保护作用。其三，铁路数字信号电缆的使用地域十分复杂，尤其是长期处于潮湿或水侵蚀环境中的信号电缆，电缆护层的老化开裂会导致水或水汽渗入电缆内部，容易造成电缆电气性能下降，导体被侵蚀氧化，严重影响控制信号的可靠准确传输，严重降低信号电缆的使用安全性和使用寿命。同时现有铁路数字信号电缆的金属护套虽具有一定的屏蔽效果，但护套的主要作用仍是保护电缆缆芯，因此该类的屏蔽性能仍显不足，缺少对外界信号及杂乱电磁波等物理参量的可靠屏蔽，直接影响控制信号安全可靠传输，这对高铁和城市轻轨等高可靠性、高安全性的应用场合显得尤为突出。

发明内容

针对现有技术所存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种铁路数字信号电缆，不仅能有效地监测电缆的适时运行状态，而且具有良好的抗压，阻水性能。

为了解决上述技术问题，本发明的铁路数字信号电缆，包括缆芯，所述缆芯至少包括有一星形四线组，星形四线组由四根绝缘单线绞合而成，该绝缘单线的绝缘层是从导体向外依次为实心内皮层、中间泡沫层和实心外皮层三层；在星形四线组上从内向外依次包覆有线组内包带层、线组外包带层、线组屏蔽结构和线组外护套，在线组内包带层和线组外包带层之间设置有监测电容板组件，该监测电容板组件包括有相对设置的监测电容板，每一侧的监测电容板由若干沿纵向布置的电容板单元构成，各电容板单元的长度均不相等，电容板单元的展角α=90°—120°，同侧的电容板单元至少由一电容连接线相互并联；所述线组屏蔽结构包括线组屏蔽波纹带和相互间隔地支撑于线组屏蔽波纹带内的线组屏蔽撑圈；所述缆芯上从内向外依次包覆有包带层、内护套、总屏蔽结构、内垫层、铠装层和外护套；所述总屏蔽结构包括总屏蔽波纹带和相互间隔地支撑于总屏蔽波纹带内的屏蔽撑圈；所述铠装层包括绕包的内层绕包钢带和外层绕包钢带，在内层绕包钢带和外层绕包钢带相互搭接段之间嵌装有橡胶密封带。

与现有技术相比，本发明的铁路数字信号电缆至少具有以下显著优点：

首先由于在线组内包带层和线组外包带层之间设置有监测电容板组件，相对设置的监测电容板由若干沿纵向布置的电容板单元构成，相对设置的监测电容板构成了电容式监测传感器元件，当处于两监测电容板之间的四线组及线组导体的结构位置及导体截面形状等物理量发生变化时，其相对介电常数ε也会发生变化，监测电容板将这些变化转换成电容量的变化，然后通过电容连接线和转换电路而转换成相应的电信号输出，从而监测信号电缆各组四线组的运行状态，采用电容式传感器件具有结构简单、动态响应好、温度稳定性好的特点。

又由于沿电缆纵向布置的电容板单元的极板长度各不相等，这就能根据不同长度极板所对应的电容变化率准确地对线组故障在电缆长度上的位置进行定位；任一相对设置的监测电容板初始电容C₀=ε₀S/d(其中ε₀为初始介电常数、S为两极板相互遮盖的面积、d为两极板之间的距离；当监测电容板之间的线组及线组导体等物理量发生变化时，此时介电常数变化为ε₁，而S/d不变，电容为C₁=ε₁S/d，该监测电容板所反应该位置监测电容的变化率为△C/C₀=(C1-C₀)/C₀=(ε₁-ε₀)/ε₀，由于电缆纵向布置的电容板单元的极板长度各不相等，故而各电容板单元的初始电容及监测电容的变化率也不相同，根据监测电容变化率的不同就可以确定出电缆线组故障点的位置，制定维护方案，从而很好地维护信号电缆始终处于安全、可靠的运行状态。

还由于每一线组屏蔽结构包括有线组屏蔽波纹带和支撑于线组屏蔽波纹带内的线组屏蔽撑圈，采用轧纹的波纹屏蔽层，不仅具有较为稳定的屏蔽性能，而且能增强线组及电缆的弯曲柔软性，避免电缆及线组弯曲时对绝缘单线及绝缘导体的弯曲挤压变形，能有效保证绝缘单线结构位置的稳定牢固。嵌接于屏蔽波纹带内侧的环状屏蔽撑圈，能有效地支撑承受外力对屏蔽线组的施压，形成可靠的保护结构，提高了屏蔽四线组的抗挤压机械性能，不仅能保证屏蔽层内绝缘单线结构的稳定性、同轴电容、同心度和圆度，而且可以避免绝缘层、导体被压伤或压断现象的出现，形成了屏蔽与保护的双重功效。

同样总屏蔽结构也采用了总屏蔽波纹带和屏蔽撑圈的结构，以总屏蔽波纹带和屏蔽撑圈取代现有信号电缆中的铝套屏蔽结构，不仅大大减轻信号电缆的重量和外形尺寸，而且使信号电缆具有更佳的敷设柔软性，既能形成牢固稳定保护结构，保持缆芯内各四线组的结构稳定性，还保持信号电缆的抗压抗冲击等机械性能。

信号电缆的铠装结构采用二层绕包钢带结构，且在内层绕包钢带和外层绕包钢带的相互搭接段间嵌有橡胶密封带，形成了零泄漏的搭接结构，从而使缠绕的铠装钢带形成了密闭的管状空间，既具有增强抗拉、抗压强度，提高电缆抗干扰性能，又具有极高的密封性，完全避免了水分沿电缆径向向电缆内部的渗透和侵入，具有可靠严密的防水性能。

绝缘单线的绝缘层采用了实心内皮层、中间泡沫层和实心外皮层的三层结构，使得绝缘单线间的工作电容大幅下降，线组传输衰减常数降低。

本发明的进一步实施方式，相邻的所述电容板单元的长度沿纵向以倍数递增或递减，相对设置的电容板单元长度相等。该结构便于区别电容变化率的大小不同，从而准确定位。

本发明优选实施方式，所述电容板单元中最长的一电容板单元位于星形四线组纵向的中间位置，从该最长的电容板单元向星形四线组纵向两端的各电容板单元长度以倍数递减；从星形四线组中间向两端排列的各块电容板单元分别以对应的电容连接线相并联。所述电容板单元的展角α=100°。该结构有利于对长度较长的信号电缆的故障点进行准确定位。

本发明的优选实施方式，所述线组屏蔽波纹带为轧纹铜带，所述线组屏蔽撑圈嵌装于线组屏蔽波纹带对应的波纹槽中。所述线组屏蔽撑圈由碳纤维制成，该线组屏蔽撑圈由屏蔽上撑圈和屏蔽下撑圈构成，屏蔽上撑圈和屏蔽下撑圈以撑圈榫和撑圈槽相互插接。结构合理，便于制作和装配，并能有效增强撑圈的承压能力。

本发明优选实施方式，所述总屏蔽波纹带为轧纹铜带，所述屏蔽撑圈嵌装于总屏蔽波纹带对应的波纹槽中。所述屏蔽撑圈由碳纤维制成，该屏蔽撑圈由上撑圈和下撑圈构成，上撑圈和下撑圈以插接榫和插接槽相互插接。结构合理，便于制作和装配，撑圈的承压能力强。

本发明的进一步实施方式，所述内层绕包钢带螺旋间隔地绕包于内垫层上；所述外层绕包钢带螺旋间隔地绕包于内层绕包钢带上。所述内层绕包钢带或外层绕包钢带螺旋绕包的相邻两边间距小于钢带宽度的一半。有效地增强了电缆的机械强度，提高了电缆的防侵蚀能力和阻水性能。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明铁路数字信号电缆作进一步说明。

图1是本发明铁路数字信号电缆一种具体实施方式的截面结构示意图；

图2是图1所示铁路数字信号电缆中总屏蔽结构的剖面结构示意图；

图3是图2所示总屏蔽结构中上撑圈的剖面结构示意图；

图4是图3的左视结构示意图；

图5是图2所示总屏蔽结构中下撑圆的剖面结构示意图；

图6是图5的左视结构示意图；

图7是图1所示铁路数字信号电缆中铠装层的剖面结构示意图；

图8是图1所示铁路数字信号电缆中绝缘单线及星形四线组的截面结构示意图；

图9是图8所示星形四线组单元中监测电容组件的结构示意图；

图10是图8所示四线组单元中相对布置的一对监测电容板单元的截面结构示意图；

图11是图1所示铁路数字信号电缆中的线组屏蔽结构的剖面结构示意图；

图12是图11所示结构中线组屏蔽撑圈的剖面结构示意图；

图13是图12所示结构中屏蔽上撑圈的剖面结构示意图；

图14是图13所示结构的左视图；

图15是图12所示结构中屏蔽下撑圈的剖面结构示意图；

图16是图15所示结构的左视图。

图中，1—外护套，2—铠装层、21—内层绕包钢带、22—外层绕包钢带、23—橡胶密封带，3—内垫层，4—总屏蔽层、41—总屏蔽波纹带、42—屏蔽撑圈、43—上撑圈、44—插接榫、45—下撑圈、46—插接槽，5—内护套，6—包带层，7—绝缘单线、71—导体、72—实心内皮层、73—中间泡沫层、74—实心外皮层，8—星形四线组、81—线组内包带层、82—监测电容组件、821—监测电容板、822—电容连接线、823—电容板单元、83—线组外包带层、84—线组屏蔽结构、85—线组外护套。

具体实施方式

如图1所示的铁路数字信号电缆，该信号电缆的缆芯由四根星形四线组8绞合而成，当然该缆芯的星形四线组的根数不限于四根，但星形四线组至少为一根。也可以是在缆芯中除包括有星形四线组外，还可以有对绞线组或/和绝缘单线等，其缆芯的星形四线组、对绞线组的组数或颜色一般依设计要求并根据铁路行业标准《铁路信号电缆》选择确定。在缆芯上从内向外依次包覆有包带层6，内护套5、总屏蔽结构4、内垫层3、铠装层2和外护套1。包带层6由厚度为0.05mm的绝缘带绕包一层，厚度为0.2mm绝缘带绕包两层构成；内护套5为挤包厚度1mm的聚乙烯套；内垫层3为挤包厚度为1.3mm的聚乙烯套，外护套1为厚度2.1mm低烟无卤阻燃护套。

如图2所示，总屏蔽结构4包括有总屏蔽波纹带41，该总屏蔽波纹带41采用常用的轧纹铜带，在总屏蔽波纹带41的内壁面上相互间隔地支撑有环状的屏蔽撑圈42。通过调节相邻两屏蔽撑圈42的间隔距离可以改变屏蔽结构的承压强度，从而适应不同的使用环境。屏蔽撑圈42正巧嵌装于总屏蔽波纹带41对应的波纹槽中，使屏蔽撑圈42较为稳定地固定于总屏蔽波纹带41的内壁面上。环状的屏蔽撑圈42由碳纤维材料制成，具有质轻、强度高的特点。该屏蔽撑圈42由上撑圈43、下撑圈45构成。

如图3、图4所示，上撑圈43为一半圆环圈，在半圆环的两端均为呈梯形的插接榫44。如图5、图6所示，下撑圈45也为一半圆环圈，在该半圆环的两端均设有内凹的梯形截面的插接槽46，插接榫44和插接槽46的截面形状相吻合，以便相互插接成整环结构的屏蔽撑圈42。

如图7所示，铠装层2采用双层钢带绕包结构，该铠装层2包括有绕包的内层绕包钢带21和外层绕包钢带22。内层绕包钢带21螺旋间隔地绕包于内垫层3上，外层绕包钢带22同样是螺旋间隔地绕包于内层绕包钢带21上。内层绕包钢带21或外层绕包钢带22螺旋绕包的相邻两边间隔距离应小于或等于钢带宽度的一半，本实施例中，内层绕包钢带21或外层绕包钢带22的钢带宽度为B，同一根钢带相邻两边的间隔距离为b，b=0.45B，优选地b=（0.40—0.50）B之间，但间距应小于钢带宽度的一半。在内层绕包钢带21和外层绕包钢带22相互搭接段之间设置有相对应的嵌装槽，在该嵌装槽中嵌装有橡胶密封带23，故橡胶密封带23同样是螺旋地嵌装于内层绕包钢带21和外层绕包钢带22的搭接段之间，从而构成严密阻水防水结构。

如图8所示缆芯中的星形四线组8由四根绝缘单线7绞合成，绝缘单线的导体71为直径0.995mm金属铜丝，在导体1外包覆有绝缘层，绝缘层外径为2.75mm，绝缘层由三层结构构成，从导体1向外依次为实心内皮层72、中间泡沫层73和实心外皮层74。在四根相互绞合的绝缘单线7上从内向外依次包覆有线组内包带层81、线组外包带83、线组屏蔽结构84和线组外护套85，线组内包带层81由厚度为0.05mm的绝缘带绕包而成，线组外包带层83也由厚度为0.05mm的绝缘带绕包而成，线组外护套85则由聚乙烯材料挤包而成。在线组内包带层81和线组外包带层83之间设置有监测电容板组件82，该监测电容板组件82对称地布置于星形四线组7轴线的两侧，从而构成监测电容式传感器。

如图9所示，位于星形四线组轴线两侧的监测电容板821均是由若干沿轴线长度方向布置的电容板单元823构成，各电容板单元823的每一单元极板的长度均不相等。本实施例中，由于电缆的长度较长，因而从电缆长度的中间位置两侧均为最长的电容板单元823，从该最长的电容板单元823向星形四线组纵向两端的各电容板单元823的单元极板长度以倍数递减，如最长电容板单元823为L，则向两端各电容板单元823的长度依次为1/2L、1/4L、1/8L、1/16L、…….，这样因故障所引起的各块电容板单元823的电容变化率均不相同，且数值差别较大，故而有利于准确判断故障的位置，从中间最长电容板单元823向两端各块电容板单元 823分别以对应的电容连接线822相互并联，因此星形四线组从中间向端分别对应有两根电容连接线822。当然电容板单元823的极板长度也可以是从一端向另一端的极板长度是连续地以倍数递增的，如从星形四线组一端向另一端的各块极板长度依次为L、2L、4L、8L、……。同一侧的各块电容板单元823通过电容连接线822相互并联，并且电容连接线822的外伸端连向监测转换电路，而转换成相应的电信号。

如图10所示，位于星形四线组8轴线两侧的相对应的电容板单元823呈对称的弧形极板单元，该电容板单元823为薄铜片。该电容板单元823的展角α=100°。当然该电容板单元823的展角α应优选控制α=90°—120°。

如图11及图12所示的线组屏蔽结构，该线组屏蔽结构84包括有线组屏蔽波纹带841，该线组屏蔽波纹带841采用常用的轧纹铜带，在线组屏蔽波纹带841的内壁面上相互间隔地支撑有环状的线组屏蔽撑圈842。通过调节相邻两线组屏蔽撑圈842的间隔距离可以改变屏蔽结构的承压强度，从而适应不同的使用环境。线组屏蔽撑圈842正巧嵌装于线组屏蔽波纹带841对应的波纹槽中，使线组屏蔽撑圈842较为稳定地固定于线组屏蔽波纹带841的内壁面上。环状的线组屏蔽撑圈842由碳纤维材料制成，具有质轻、强度高的特点。

如图12所示，线组屏蔽撑圈842由屏蔽上撑圈843、屏蔽下撑圈845构成。如图13、图14所示，屏蔽上撑圈843为一半圆环圈，在半圆环的两端均为呈梯形的撑圈榫844。如图15、图16所示，屏蔽下撑圈845也为一半圆环圈，在该半圆环的两端均设有内凹的梯形截面的撑圈槽846，撑圈榫844和撑圈槽846的截面形状相吻合，以便相互插接成整环结构的线组屏蔽撑圈8。

上述仅举出本发明的一种优选实施方式，但本发明并不局限于本实施例，在不违背本发明基本原理的前提下，还可以作出诸多的改进和变换，这些改进和变换均落入本发明的保护范围内。