轨道交通车辆用通信电缆的应用案例分析

曾 轩

(株洲中车时代电气股份有限公司, 株洲 412001)

0 引言

目前,伴随着轨道交通行业的技术创新、车内电子设备的增加、列车自动化程度的不断提升,车内网络系统正在不断升级。 在精确控制列车运行,进而缩短列车行进间隔等方面,对列车通信网络数据的传输量和实时性提出了更高的要求。 列车需求量的增加带动了轨道交通装备通信系统的蓬勃发展。 轨道交通车辆用通信电缆是构建列车通信系统的重要组成部分,要求电缆具有传输性能稳定、耐高温、耐低温、耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐油、阻燃防火等特点。

在实际应用中发现,轨道交通车辆用通信系统的故障较多。 很多故障与轨道交通车辆用通信电缆的质量控制水平和实际应用有关。 文中对以太网电缆及CAN 系统总线(CANBUS)、多功能车辆总线(MVB)等数据总线电缆出现的应用问题展开了深入分析。 本工作从案例入手,剖析故障产生的原因,研究故障发生的机理,进而提出保障通信系统传输指标及可靠性的具体措施,以期为通信电缆在轨道交通车辆领域的应用提供参考。

1 应用研究与案例分析

目前,轨道交通车辆用通信电缆分为列车总线(WTB)、MVB、CANBUS、RS485 总线、以太网电缆(主要包括CAT5e 与CAT7 两种型号)、耐火数据总线(用于火灾预警及应急系统)、同轴电缆、通信光缆(分为塑料光缆和多模光缆)等8 种类型。

研究发现,在轨道交通车辆生产所需的各种电缆中,通信数据电缆类产品多为外资品牌,主要原因是这些企业都是原型产品供应商。 国产轨道交通车辆电缆企业以动力电缆和控制电缆为主。 通信电缆产品存在种类多、数量少、难以实现统型等现实问题。 随着我国轨道交通行业的快速发展,系统的软件、硬件技术包括电线电缆的研发和生产制造也在不断创新和超越。 目前,国内已有不少企业具备轨道交通行业通信电缆的研发和制造能力。

通信电缆在实际应用过程中存在多种误区。 分析实际应用中轨道交通车辆用通信系统的故障,除电缆厂家自身的质量控制原因外,应用端安装、设计也应考虑到通信电缆的应用特殊性。 EN 50343:2014《轨道交通车辆布线规则》等标准对动力电缆和控制电缆的布线安装进行了详细的规定,而对通信电缆的使用、安装及具体应用的规定较少,对指导实际布线安装的参考非常有限,给国内轨道交通车辆制造和通信系统升级带来一定的困难。

轨道交通车辆用通信电缆常常出现近端串扰异常、花屏、系统报错、校准失效等应用问题,以及电缆表面白色析出的外观问题,收集、整理的典型案例分析如下。

1.1 通信链路近端串扰异常

某MVB 120 Ω 4×0.5 mm2电缆,按TJ/CL 313—2014《动车组电线电缆暂行技术条件》要求,电缆测试的近端串音衰减(NEXT)不小于45 dB。装车后,使用FLUKE 测试,发现NEXT 超标。

1.1.1 串扰异常的原因分析

1)电缆出厂NEXT 实测为45 ～48 dB。 从测试结果来看,电缆的性能符合要求,但裕量不足,实测值与临界值非常接近。

2)实际上,布线时连接器为M12,老式FLUKE测试仪只能连接RJ45 接头,需要转接线才能连接测试仪。 连接测试仪测试后,发现NEXT 超标。

转接线本身就是一个负载,增加了测试误差。转接线还可能引起信号传输的干扰,影响数据传输的稳定性和准确性。 同时,所选转接线的质量、材料也会影响性能,质量不好的转接线在使用时间过长后易出现松动等问题,进而加剧性能的下降。 使用不同规格的转接线还涉及不同设备之间的兼容性问题。

除此之外,FLUKE 的适配器对于插拔也有一个寿命极限,一般不能超过100 次。 插拔次数过多可能导致终端接触不良,给测试带来一定的误差。

1.1.2 串扰异常改进措施

1)为了保证整体链路测试通过,通信电缆出厂测试时应保证一定的裕量。

2)对于检测验收,通信电缆采购方和使用方应提前策划,建议在与连接器适配方面开展必要的组合验证,模拟装车后实际试验情况,确定FLUKE 测试仪的有效性,或者寻求更先进的检测方案和检验手段。

目前,FLUKE 测试已经出现了新的适配接口,可以直接连接M12 连接器,减少了测试误差,见图1。

图1 几种典型的FLUKE 测试设备M12 及RJ45 适配器

另外,FLUKE 测试仪的有效性及准确性需要定期开展校准。

1.2 跨接电缆引起花屏现象

某通信电缆安装后,监控系统在列车运行过程中出现花屏现象。 与此同时,部分车载视频也出现不同程度的花屏现象。

1.2.1 花屏现象原因分析

1)虽然车内布线可以采用直径较细的CAT5e 4×2×26AWG(约0.13 mm2)。 但是,出于抗振动、抗扭转的考虑,跨接过桥部分必须采用结构稳定的CAT5e 4×22AWG(约0.34 mm2) 或CAT5e 4×20AWG(约0.5 mm2)。

从结构分析来看,CAT5e 4×22AWG 或 4×20AWG 电缆采用星绞组结构,见图2。 增加中心填充条后,其结构较为稳定,一定程度上可以抵抗外来应力对内部结构的影响。 CAT5e 4×2×26AWG 电缆采用对绞组结构,见图3。 导体为26AWG,采用线对屏蔽加镀锡铜丝编织总屏蔽结构,此类结构存在一定的不稳定性。 对绞屏蔽层易受外力影响,造成内部结构畸变,从而对近端串音衰减、回波损耗等与结构相关的指标造成影响。

图2 CAT5e 4×22AWG 电缆结构

图3 CAT5e 4×2×26AWG 电缆结构

另外,通信电缆的导体截面对衰减有一定的影响。 研究发现,22AWG (0.34 mm2) 比26AWG(0.13 mm2)的衰减小25%。 如果在振动条件下,这种衰减下降趋势会更加明显。 过大的衰减易造成系统丢包率上升,出现花屏现象。

2)列车在实际运行中,随着车钩(车端连接器)的不断拉伸或压缩,电缆反复承受了拉应力和压应力[1]。 跨接电缆应力分析见图4。 过桥电缆可以采用穿波纹套管或复合电缆的形式, 但较细的26AWG 不能用于跨接系统。 一旦错误使用,会引起成品跨接线束衰减偏高、断线或近端串音异常,从而导致信号传输失效。

图4 车端跨接系统受力图

1.2.2 花屏现象改进措施

1)经过试验,较细的26AWG 很难抵抗动态试验中摇摆、振动带来的影响。 但是,22AWG 或20AWG 两种导线可以满足使用要求。

2)为保障过桥部分链路通信的有效性,批量使用前应对电缆开展动态力学试验,模拟列车实际情况,开展车端跨接摇摆试验,通过动态试验数据,分析电缆结构对过桥部分使用造成的影响。

1.3 CAN 总线替代使用

采用MVB 替代CANBUS 后,车辆用通信系统出现系统报错、校准失效和高低电平难以区分的情况。

1.3.1 系统报错原因分析

CANBUS 与MVB 结构类似,唯一的不同是CANBUS 具有一个单独的导线。 若将MVB 120 Ω 2×0.5 mm2替代CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2,会导致系统校准失效。 电缆结构示意图见图5 和图6。

图5 CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2 结构示意图

图6 MVB 120 Ω 2×0.5 mm2 结构示意图

CANBUS 系统由美国博世公司开发,用于汽车通信网络的建立。 汽车与轨道交通车辆有两点不同:一方面,汽车内部电磁干扰比轨道交通要小得多;另一方面,轨道交通车辆普遍使用钢制轮,可以通过铁轨接地,而汽车均为橡胶轮胎,无法直接接地。

与MVB 相比,CANBUS 具有传输距离远、成本低、纠错性强的特点,其主要结构为CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2。 CANBUS 系统对电缆的衰减、阻抗,甚至直径,均与MVB 120 Ω 2×0.5 mm2十分相似。 考虑到接地问题,整个系统需要一个虚拟接地点,电缆结构设计因此多一个“中性线”。

CANBUS 的发泡绝缘芯线可以作为CAN_H 或CAN_L 使用。 为了系统校准,即设定逻辑“0”的需要,CANBUS 电缆需要一个虚拟的接地点。 CAN系统波形图见图7。

图7 高速CAN 系统报文波形图

CANBUS 电缆的屏蔽层主要起到电磁屏蔽的作用,一般直接与连接器外壳的金属部分或接地卡具安装连接。 按照IEC 61375-3-3:2012 标准规定[2],CANBUS 虚拟接地点严禁直接接地。

1.3.2 系统报错改进措施

1)通信电缆的安装不同于普通动力电缆或控制电缆,需要结合标准要求考虑电磁兼容等问题。

2)车辆通信网络电气设计和布线时,要考虑通信电缆接线点位是否正确。 针对CANBUS 系统的特殊要求,需要识别虚拟接地线和实际接地线。 虚拟接地线需要与CANBUS“中性线”连接,避免接地失效。

1.4 通信电缆白色析出

某品牌通信电缆在存放一段时间后,表面有白色添加剂析出,称为“喷霜”现象[3]。 此类问题多出现在低烟无卤阻燃聚烯烃材料中,特别是采用此类材料作为护套层的黑色电缆居多。

1.4.1 白色析出原因分析

为了保证传输性能,通信电缆普遍采用低损耗的高纯度高/低密度聚乙烯材料作为绝缘层。 但是,聚乙烯非常易燃,为保证防火性能,通信电缆只能由护套层承担所有的防火属性。 作为护套层的低烟无卤阻燃材料,多数由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚酯类物质、氢氧化铝等共混制成。

为了确保高聚物材料的稳定性及挤出性能,配方中普遍需要加入各类添加剂。 白色析出粉末多为材料添加剂,如作为抗氧化剂的硫代二丙酸双十八酯等物质[4]。 加工完成的电缆在某些特定条件下,如在高温、高湿的存储或使用环境中,添加剂在基材中可能出现过饱和状态。 在该状态下,多出来的小分子润滑剂会慢慢迁移到基材的表面,析出一层白色物质,形成结晶,即所谓的“喷霜”现象。 当迁移持续一定时间后,添加剂在基材中的状态从过饱和转向稳定,即这种白色物质析出现象主要集中在某一段时间,过后会逐渐转向稳定,不再析出。

本工作对喷霜前后材料热老化试验的力学拉伸性能和热老化寿命进行对比分析,发现喷霜现象对材料热老化性能的影响极小,材料可以正常使用。喷霜现象不会影响电缆的机械性能和电气性能,也不会影响电缆的数据传输特性。

1.4.2 白色析出改进措施

添加剂主要用于优化加工性能,喷霜现象不会对通信电缆的电气性能、机械物理性能和数据传输特性产生影响。 但是,该现象无疑是一个较大的外观质量问题,带来较大的问题解决成本,影响交付,且需要考虑如何通过试验来打消采购方和使用方的疑虑等。

国内大多数电缆厂家采用的材料均由专业材料厂家提供,其对材料配方体系和主要材料成分非常保密和重视,但对辅剂精确添加的重视程度和管控方式及手段(如计算机精细称量)不完全一致。 材料厂家可通过实现生产配料计算机控制,有效预防此类问题。

2 结束语

本工作重点介绍了轨道交通车辆用通信电缆产品在实际应用中的几种典型失效案例,详细总结了通信电缆材料、测试、跨接应用等失效模式与预防措施。 通过实际案例及理论分析,为轨道交通车辆用通信电缆的实际应用与质量控制提供参考。

对于轨道交通车辆用电缆,其动力电缆关注电缆载流量及敷设条件;控制电缆关注产品敷设安装后的有效性,如电缆直径、弯曲半径等。 动力电缆和控制电缆对实际应用场景和安装条件的要求并不如通信电缆苛刻。

轨道交通车辆用通信电缆与动力电缆和控制电缆有很大的不同。 通信电缆作为通信链路的介质,其传输特性对信号系统的时效性有很大的影响,如衰减、近端串扰、特性阻抗和屏蔽效能。 在实际应用中,周边环境变化、连接安装方法、测量设备、产品选型都会对通信质量造成一定的影响。 因此,研究通信电缆的实际应用,对确保信号传输的有效性有重要意义。