軌道交通車輛用通信電纜的應用案例分析

曾 軒

(株洲中車時代電氣股份有限公司, 株洲 412001)

0 引言

目前,伴隨著軌道交通行業的技術創新、車內電子設備的增加、列車自動化程度的不斷提升,車內網絡系統正在不斷升級。 在精確控制列車運行,進而縮短列車行進間隔等方面,對列車通信網絡數據的傳輸量和實時性提出了更高的要求。 列車需求量的增加帶動了軌道交通裝備通信系統的蓬勃發展。 軌道交通車輛用通信電纜是構建列車通信系統的重要組成部分,要求電纜具有傳輸性能穩定、耐高溫、耐低溫、耐酸、耐堿、耐腐蝕、耐油、阻燃防火等特點。

在實際應用中發現,軌道交通車輛用通信系統的故障較多。 很多故障與軌道交通車輛用通信電纜的質量控制水平和實際應用有關。 文中對以太網電纜及CAN 系統總線(CANBUS)、多功能車輛總線(MVB)等數據總線電纜出現的應用問題展開了深入分析。 本工作從案例入手,剖析故障產生的原因,研究故障發生的機理,進而提出保障通信系統傳輸指標及可靠性的具體措施,以期為通信電纜在軌道交通車輛領域的應用提供參考。

1 應用研究與案例分析

目前,軌道交通車輛用通信電纜分為列車總線(WTB)、MVB、CANBUS、RS485 總線、以太網電纜(主要包括CAT5e 與CAT7 兩種型號)、耐火數據總線(用于火災預警及應急系統)、同軸電纜、通信光纜(分為塑料光纜和多模光纜)等8 種類型。

研究發現,在軌道交通車輛生產所需的各種電纜中,通信數據電纜類產品多為外資品牌,主要原因是這些企業都是原型產品供應商。 國產軌道交通車輛電纜企業以動力電纜和控制電纜為主。 通信電纜產品存在種類多、數量少、難以實現統型等現實問題。 隨著我國軌道交通行業的快速發展,系統的軟件、硬件技術包括電線電纜的研發和生產制造也在不斷創新和超越。 目前,國內已有不少企業具備軌道交通行業通信電纜的研發和制造能力。

通信電纜在實際應用過程中存在多種誤區。 分析實際應用中軌道交通車輛用通信系統的故障,除電纜廠家自身的質量控制原因外,應用端安裝、設計也應考慮到通信電纜的應用特殊性。 EN 50343:2014《軌道交通車輛布線規則》等標準對動力電纜和控制電纜的布線安裝進行了詳細的規定,而對通信電纜的使用、安裝及具體應用的規定較少,對指導實際布線安裝的參考非常有限,給國內軌道交通車輛制造和通信系統升級帶來一定的困難。

軌道交通車輛用通信電纜常常出現近端串擾異常、花屏、系統報錯、校準失效等應用問題,以及電纜表面白色析出的外觀問題,收集、整理的典型案例分析如下。

1.1 通信鏈路近端串擾異常

某MVB 120 Ω 4×0.5 mm2電纜,按TJ/CL 313—2014《動車組電線電纜暫行技術條件》要求,電纜測試的近端串音衰減(NEXT)不小于45 dB。裝車后,使用FLUKE 測試,發現NEXT 超標。

1.1.1 串擾異常的原因分析

1)電纜出廠NEXT 實測為45 ～48 dB。 從測試結果來看,電纜的性能符合要求,但裕量不足,實測值與臨界值非常接近。

2)實際上,布線時連接器為M12,老式FLUKE測試儀只能連接RJ45 接頭,需要轉接線才能連接測試儀。 連接測試儀測試后,發現NEXT 超標。

轉接線本身就是一個負載,增加了測試誤差。轉接線還可能引起信號傳輸的干擾,影響數據傳輸的穩定性和準確性。 同時,所選轉接線的質量、材料也會影響性能,質量不好的轉接線在使用時間過長后易出現松動等問題,進而加劇性能的下降。 使用不同規格的轉接線還涉及不同設備之間的兼容性問題。

除此之外,FLUKE 的適配器對于插拔也有一個壽命極限,一般不能超過100 次。 插拔次數過多可能導致終端接觸不良,給測試帶來一定的誤差。

1.1.2 串擾異常改進措施

1)為了保證整體鏈路測試通過,通信電纜出廠測試時應保證一定的裕量。

2)對于檢測驗收,通信電纜采購方和使用方應提前策劃,建議在與連接器適配方面開展必要的組合驗證,模擬裝車后實際試驗情況,確定FLUKE 測試儀的有效性,或者尋求更先進的檢測方案和檢驗手段。

目前,FLUKE 測試已經出現了新的適配接口,可以直接連接M12 連接器,減少了測試誤差,見圖1。

圖1 幾種典型的FLUKE 測試設備M12 及RJ45 適配器

另外,FLUKE 測試儀的有效性及準確性需要定期開展校準。

1.2 跨接電纜引起花屏現象

某通信電纜安裝后,監控系統在列車運行過程中出現花屏現象。 與此同時,部分車載視頻也出現不同程度的花屏現象。

1.2.1 花屏現象原因分析

1)雖然車內布線可以采用直徑較細的CAT5e 4×2×26AWG(約0.13 mm2)。 但是,出于抗振動、抗扭轉的考慮,跨接過橋部分必須采用結構穩定的CAT5e 4×22AWG(約0.34 mm2) 或CAT5e 4×20AWG(約0.5 mm2)。

從結構分析來看,CAT5e 4×22AWG 或 4×20AWG 電纜采用星絞組結構,見圖2。 增加中心填充條后,其結構較為穩定,一定程度上可以抵抗外來應力對內部結構的影響。 CAT5e 4×2×26AWG 電纜采用對絞組結構,見圖3。 導體為26AWG,采用線對屏蔽加鍍錫銅絲編織總屏蔽結構,此類結構存在一定的不穩定性。 對絞屏蔽層易受外力影響,造成內部結構畸變,從而對近端串音衰減、回波損耗等與結構相關的指標造成影響。

圖2 CAT5e 4×22AWG 電纜結構

圖3 CAT5e 4×2×26AWG 電纜結構

另外,通信電纜的導體截面對衰減有一定的影響。 研究發現,22AWG (0.34 mm2) 比26AWG(0.13 mm2)的衰減小25%。 如果在振動條件下,這種衰減下降趨勢會更加明顯。 過大的衰減易造成系統丟包率上升,出現花屏現象。

2)列車在實際運行中,隨著車鉤(車端連接器)的不斷拉伸或壓縮,電纜反復承受了拉應力和壓應力[1]。 跨接電纜應力分析見圖4。 過橋電纜可以采用穿波紋套管或復合電纜的形式, 但較細的26AWG 不能用于跨接系統。 一旦錯誤使用,會引起成品跨接線束衰減偏高、斷線或近端串音異常,從而導致信號傳輸失效。

圖4 車端跨接系統受力圖

1.2.2 花屏現象改進措施

1)經過試驗,較細的26AWG 很難抵抗動態試驗中搖擺、振動帶來的影響。 但是,22AWG 或20AWG 兩種導線可以滿足使用要求。

2)為保障過橋部分鏈路通信的有效性,批量使用前應對電纜開展動態力學試驗,模擬列車實際情況,開展車端跨接搖擺試驗,通過動態試驗數據,分析電纜結構對過橋部分使用造成的影響。

1.3 CAN 總線替代使用

采用MVB 替代CANBUS 后,車輛用通信系統出現系統報錯、校準失效和高低電平難以區分的情況。

1.3.1 系統報錯原因分析

CANBUS 與MVB 結構類似,唯一的不同是CANBUS 具有一個單獨的導線。 若將MVB 120 Ω 2×0.5 mm2替代CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2,會導致系統校準失效。 電纜結構示意圖見圖5 和圖6。

圖5 CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2 結構示意圖

圖6 MVB 120 Ω 2×0.5 mm2 結構示意圖

CANBUS 系統由美國博世公司開發,用于汽車通信網絡的建立。 汽車與軌道交通車輛有兩點不同:一方面,汽車內部電磁干擾比軌道交通要小得多;另一方面,軌道交通車輛普遍使用鋼制輪,可以通過鐵軌接地,而汽車均為橡膠輪胎,無法直接接地。

與MVB 相比,CANBUS 具有傳輸距離遠、成本低、糾錯性強的特點,其主要結構為CANBUS 2×0.5 mm2+1×0.5 mm2。 CANBUS 系統對電纜的衰減、阻抗,甚至直徑,均與MVB 120 Ω 2×0.5 mm2十分相似。 考慮到接地問題,整個系統需要一個虛擬接地點,電纜結構設計因此多一個“中性線”。

CANBUS 的發泡絕緣芯線可以作為CAN_H 或CAN_L 使用。 為了系統校準,即設定邏輯“0”的需要,CANBUS 電纜需要一個虛擬的接地點。 CAN系統波形圖見圖7。

圖7 高速CAN 系統報文波形圖

CANBUS 電纜的屏蔽層主要起到電磁屏蔽的作用,一般直接與連接器外殼的金屬部分或接地卡具安裝連接。 按照IEC 61375-3-3:2012 標準規定[2],CANBUS 虛擬接地點嚴禁直接接地。

1.3.2 系統報錯改進措施

1)通信電纜的安裝不同于普通動力電纜或控制電纜,需要結合標準要求考慮電磁兼容等問題。

2)車輛通信網絡電氣設計和布線時,要考慮通信電纜接線點位是否正確。 針對CANBUS 系統的特殊要求,需要識別虛擬接地線和實際接地線。 虛擬接地線需要與CANBUS“中性線”連接,避免接地失效。

1.4 通信電纜白色析出

某品牌通信電纜在存放一段時間后,表面有白色添加劑析出,稱為“噴霜”現象[3]。 此類問題多出現在低煙無鹵阻燃聚烯烴材料中,特別是采用此類材料作為護套層的黑色電纜居多。

1.4.1 白色析出原因分析

為了保證傳輸性能,通信電纜普遍采用低損耗的高純度高/低密度聚乙烯材料作為絕緣層。 但是,聚乙烯非常易燃,為保證防火性能,通信電纜只能由護套層承擔所有的防火屬性。 作為護套層的低煙無鹵阻燃材料,多數由乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚酯類物質、氫氧化鋁等共混制成。

為了確保高聚物材料的穩定性及擠出性能,配方中普遍需要加入各類添加劑。 白色析出粉末多為材料添加劑,如作為抗氧化劑的硫代二丙酸雙十八酯等物質[4]。 加工完成的電纜在某些特定條件下,如在高溫、高濕的存儲或使用環境中,添加劑在基材中可能出現過飽和狀態。 在該狀態下,多出來的小分子潤滑劑會慢慢遷移到基材的表面,析出一層白色物質,形成結晶,即所謂的“噴霜”現象。 當遷移持續一定時間后,添加劑在基材中的狀態從過飽和轉向穩定,即這種白色物質析出現象主要集中在某一段時間,過后會逐漸轉向穩定,不再析出。

本工作對噴霜前后材料熱老化試驗的力學拉伸性能和熱老化壽命進行對比分析,發現噴霜現象對材料熱老化性能的影響極小,材料可以正常使用。噴霜現象不會影響電纜的機械性能和電氣性能,也不會影響電纜的數據傳輸特性。

1.4.2 白色析出改進措施

添加劑主要用于優化加工性能,噴霜現象不會對通信電纜的電氣性能、機械物理性能和數據傳輸特性產生影響。 但是,該現象無疑是一個較大的外觀質量問題,帶來較大的問題解決成本,影響交付,且需要考慮如何通過試驗來打消采購方和使用方的疑慮等。

國內大多數電纜廠家采用的材料均由專業材料廠家提供,其對材料配方體系和主要材料成分非常保密和重視,但對輔劑精確添加的重視程度和管控方式及手段(如計算機精細稱量)不完全一致。 材料廠家可通過實現生產配料計算機控制,有效預防此類問題。

2 結束語

本工作重點介紹了軌道交通車輛用通信電纜產品在實際應用中的幾種典型失效案例,詳細總結了通信電纜材料、測試、跨接應用等失效模式與預防措施。 通過實際案例及理論分析,為軌道交通車輛用通信電纜的實際應用與質量控制提供參考。

對于軌道交通車輛用電纜,其動力電纜關注電纜載流量及敷設條件;控制電纜關注產品敷設安裝后的有效性,如電纜直徑、彎曲半徑等。 動力電纜和控制電纜對實際應用場景和安裝條件的要求并不如通信電纜苛刻。

軌道交通車輛用通信電纜與動力電纜和控制電纜有很大的不同。 通信電纜作為通信鏈路的介質,其傳輸特性對信號系統的時效性有很大的影響,如衰減、近端串擾、特性阻抗和屏蔽效能。 在實際應用中,周邊環境變化、連接安裝方法、測量設備、產品選型都會對通信質量造成一定的影響。 因此,研究通信電纜的實際應用,對確保信號傳輸的有效性有重要意義。