基于Ansoft Maxwell 的動(dòng)車組高壓線纜屏蔽仿真

牛晨旭，韓增盛，時(shí) 蕾，呂 蒙

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

0 引言

隨著高速動(dòng)車組技術(shù)發(fā)展，列車所應(yīng)用的高功率、高靈敏度、高傳輸速率的電氣及電子設(shè)備日趨智能化，連接各種設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)更加繁瑣，導(dǎo)致動(dòng)車組內(nèi)的電磁環(huán)境復(fù)雜性逐漸提高[1]，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁兼容問(wèn)題日趨顯著。動(dòng)車組牽引系統(tǒng)中主變壓器、逆變器等高壓電氣設(shè)備均需通過(guò)高壓線纜實(shí)現(xiàn)電力傳輸。連接不同功率設(shè)備的線纜長(zhǎng)期處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾現(xiàn)象。大量的電磁干擾能量如果耦合到與行車安全相關(guān)的設(shè)備，將會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車組系統(tǒng)異常工作，甚至系統(tǒng)癱瘓[2]。因此，對(duì)動(dòng)車組高壓線纜進(jìn)行屏蔽仿真有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 高壓線纜布線分析

動(dòng)車組中高壓線纜通過(guò)車頂受電弓接受電能后，其輸入線纜和回流線纜沿車體側(cè)壁進(jìn)入車內(nèi)，使用專用的固定裝置將線纜固定，如圖1 所示。

圖1 高壓線纜布線示意圖

高壓線纜屬于A 類強(qiáng)干擾源，由于通有低頻的大電流，因此在周圍空間內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，極易對(duì)周圍敏感設(shè)備及線纜產(chǎn)生影響，因此有必要對(duì)高壓線纜進(jìn)行防護(hù)處理[3]。首先對(duì)根據(jù)高壓線纜和回流線的特點(diǎn)進(jìn)行布線處理，然后對(duì)高壓線纜進(jìn)行屏蔽層的接地，最后利用屏蔽體對(duì)高壓線纜和回流線進(jìn)行再次屏蔽。

動(dòng)車組內(nèi)部電氣及電子設(shè)備的電源以及信號(hào)都有電流從源端流經(jīng)各自的通路進(jìn)入負(fù)載，然后再沿返回通路返回到源端從而形成環(huán)路，這期間可能會(huì)發(fā)生電感耦合，其干擾強(qiáng)度主要和導(dǎo)線回路區(qū)域面積的大小有關(guān)[4-5]。如果能使環(huán)路所圍成的面積盡可能小，則可以很好的改善電路的電磁兼容性。如圖2 所示，圖（2）的布線設(shè)計(jì)使回路面積縮小，因此具有較好的電磁兼容性能。

圖2 發(fā)送和返回電流通路布線

動(dòng)車組項(xiàng)目中高壓線纜和回路線纜進(jìn)入車內(nèi)后，盡可能靠近整個(gè)動(dòng)車組表面的地方并且保證線纜間的距離合適，減小回路面積[6]，從而改變高壓線纜及其回路線纜之間的互感來(lái)降低耦合到相鄰線纜的干擾電壓，避免因?yàn)榫嚯x過(guò)大產(chǎn)生較大的電流回路，從而成為強(qiáng)磁場(chǎng)干擾源并產(chǎn)生渦流效應(yīng)。

2 高壓線纜屏蔽層接地分析

屏蔽層兩端接地可以使電路的回流電流通過(guò)屏蔽層流回源端，由于芯線電流產(chǎn)生磁場(chǎng)方向與屏蔽層上回流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，因此線纜芯線上可能產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)被抵消或者減弱，而屏蔽層上的回流電流還可以防止外部磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)屏蔽線纜的干擾[7]。

動(dòng)車組上的高壓線纜由于其傳輸?shù)牡皖l大電流信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，極易影響到周圍敏感設(shè)備以及線纜的工作，因此，通常在考慮其屏蔽線纜芯線內(nèi)電流幅值和頻率的前提下將其屏蔽層進(jìn)行兩端接地，從而不僅滿足高壓線纜的屏蔽效能，降低電磁輻射，還顧及到熱效應(yīng)對(duì)線纜自身的影響。

另外，臨艙內(nèi)的壓力傳感器線纜的屏蔽層也需要進(jìn)行兩端接地。其原因有兩個(gè)方面：一是由于壓力傳感器線纜傳輸?shù)母哳l信號(hào)會(huì)產(chǎn)生高頻集膚效應(yīng)，高頻信號(hào)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)使線纜內(nèi)電流都聚集在屏蔽層的內(nèi)表面，而由于兩點(diǎn)接地形成的回路電流會(huì)聚集在屏蔽層的外表面，且芯線電流和回流電流的方向相反，大小幾乎相等，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾正好抵消，保證了線纜中信號(hào)的正常傳輸；另一方面則是由于壓力傳感器線纜內(nèi)部傳遞的數(shù)據(jù)頻率比較高，干擾頻譜范圍比較寬，單純的濾波措施不能有效地提高數(shù)據(jù)通訊線纜的抗干擾能力。

最后在進(jìn)行屏蔽層接地時(shí)需要注意的是如果選擇線纜屏蔽層兩點(diǎn)接地，則必須保證兩個(gè)接地點(diǎn)為等電位的。因?yàn)槿绻麅蓚€(gè)接地點(diǎn)間存在電位差，屏蔽層就會(huì)出現(xiàn)干擾電流，影響線纜內(nèi)部的信號(hào)。

3 高壓線纜外加屏蔽體及仿真分析

在動(dòng)車組布線過(guò)程中，將高壓線纜和及其回流線盡可能的緊靠在一起，并且保證兩根線纜的屏蔽層兩點(diǎn)接地。然而為了進(jìn)一步降低高壓線纜向外輻射電磁干擾能量并且達(dá)到項(xiàng)目需求中要求的，距離高壓線纜0.5 m 范圍內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度小于0.08 A/m。因此在保證高壓線纜和回流線布線良好以及高壓線纜屏蔽層兩點(diǎn)接地的基礎(chǔ)上，可以在高壓線纜與回流線纜固定良好后，利用屏蔽金屬管進(jìn)行再次屏蔽，如圖3 所示。由于高壓線纜通有低頻大電流，干擾耦合以磁場(chǎng)耦合為主，電場(chǎng)分量可以忽略，此時(shí)以磁場(chǎng)屏蔽為主，因此選用磁導(dǎo)率較高，并且成本比較適中的不銹鋼管。除此之外，不銹鋼管的厚度也應(yīng)該適中，這是由于當(dāng)不銹鋼管較厚時(shí)，其吸收損耗較大，這樣當(dāng)電磁波穿過(guò)屏蔽體第一個(gè)分界面到達(dá)第二分界面時(shí)就會(huì)很小，再次反射回屏蔽體內(nèi)部的電磁波能量將會(huì)更小，多次反射的影響也較小，電磁干擾能量容易泄露到外部空間；當(dāng)金屬屏蔽管很薄時(shí)，吸收損耗也會(huì)很小，此時(shí)多次反射損耗變大，也會(huì)有干擾能量的泄露，因此項(xiàng)目中將不銹鋼管厚度定為0.5 mm。

圖3 高壓線纜加屏蔽鋼管示意圖

Ansoft Maxwell 是工業(yè)生產(chǎn)廣泛采用的電磁場(chǎng)分析軟件，可以用于靜電場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)等多場(chǎng)景問(wèn)題的求解，功能強(qiáng)大，結(jié)果精確[8]。根據(jù)仿真需求，在Ansoft Maxwell 軟件進(jìn)行三維建模。將高壓線纜及其回流線緊貼在一起，保證回路面積為零，并且在兩根線纜的屏蔽層端面加0V 電壓源，表示線纜兩點(diǎn)接地。在此基礎(chǔ)上分別對(duì)高壓線纜不加屏蔽不銹鋼管、加屏蔽不銹鋼管但不銹鋼管不接地、加屏蔽不銹鋼管而且不銹鋼管接地，這3 種情況進(jìn)行仿真，對(duì)比每種情況的屏蔽效果。

仿真選擇瞬態(tài)求解器。建立測(cè)量平面，通過(guò)平面的移動(dòng)捕捉以高壓線纜為圓心，不同半徑內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值[9]，在ParametricSetup 中設(shè)置起始點(diǎn)Start 為0mm，終點(diǎn)Stop 為500 mm，步長(zhǎng)Step 為10 mm。Solve Setup 中Start time 設(shè)置為0 s，Stop time 設(shè)置為0.2 s，Time step 設(shè)置為0.01 s。求解域設(shè)置為長(zhǎng)方體求解域且長(zhǎng)方體前后兩面與線槽和線纜截面重合。

為了滿足方案二中屏蔽不銹鋼管的接地，仿真采用Ansoft-Maxwell 中的外接電路模塊Maxwell Circuit Edit。激勵(lì)源由外接電路模塊提供。為了保證方仿真條件一致性，方案一、方案二、方案三均采用同樣模塊仿真。

方案一：對(duì)高壓線纜不加屏蔽措施直接進(jìn)行仿真。方案一仿真模型示意圖如圖4 所示。

圖4 方案一高壓線纜仿真模型

將兩根高壓線纜芯線作為激勵(lì)源設(shè)置為繞組激勵(lì)LWinding1、LWinding2，繞組激勵(lì)兩端的近端電阻和遠(yuǎn)端電阻均設(shè)置為50 Ω，電流源設(shè)置為I= 500 A，且兩個(gè)電流源電流方向相反。方案一外接電路示意圖如圖5 所示。

圖5 方案一外接電路示意圖

方案二：在高壓線纜兩根線外套上不銹鋼屏蔽管（管厚0.5 mm）且不銹鋼屏蔽管不接地再次進(jìn)行仿真。由于不銹鋼屏蔽管沒(méi)有構(gòu)成電路回路，所以方案二的外接電路示意圖與方案一相同。方案二仿真模型示意圖如圖6 所示。

圖6 方案二高壓線纜仿真模型

方案三：在高壓線纜兩根線外套上不銹鋼屏蔽管（管厚0.5 mm）且管的兩端接地再次進(jìn)行仿真。方案三與方案二僅在外接電路上有所不同，Ansoft 仿真模型示意圖相同。

將兩根高壓線纜芯線和不銹鋼屏蔽管作為激勵(lì)源 設(shè) 置 為 繞 組 激 勵(lì)LWinding1、LWinding2、LWinding3，繞組激勵(lì)兩端的近端電阻和遠(yuǎn)端電阻均設(shè)置為50 Ω，電流源設(shè)置為I= 500 A，且兩個(gè)電流源電流方向相反，不銹鋼屏蔽管兩端分別接地。方案二外接電路示意圖如圖7 所示。

圖7 方案三外接電路示意圖

仿真計(jì)算得到高壓線纜在不同水平距離處的磁場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)Matlab 匯總整理，擬合出水平距離與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系曲線，如圖8 所示。

圖8 磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離變化曲線

由圖8 可以看出，高壓線纜產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)干擾，在高壓線纜外加屏蔽金屬管進(jìn)行屏蔽能有效降低干擾磁場(chǎng)的強(qiáng)度，而將屏蔽金屬管兩端接地會(huì)進(jìn)一步降低不同距離的干擾磁場(chǎng)強(qiáng)度。這是由于高壓線纜對(duì)屏蔽金屬管產(chǎn)生的感應(yīng)電流，屏蔽金屬管兩端接地后會(huì)與大地形成回路，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)與大地回流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小相等，方向相反，相互抵消，從而使高壓線纜產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)屏蔽在金屬管內(nèi)。

通過(guò)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的提取，3 種方案對(duì)應(yīng)的高壓線纜水平距離0.5 m 處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值見表1。

表1 高壓線纜水平距離0.5 m 處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值

由表1 可知，當(dāng)高壓線纜不加任何外部屏蔽措施時(shí)，水平距離0.5 m 處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值為0.12977 A/m，無(wú)法滿足項(xiàng)目需求，可能對(duì)周圍敏感設(shè)備或線纜造成干擾；當(dāng)加金屬屏蔽管后，由于金屬對(duì)干擾磁場(chǎng)的吸收，水平距離0.5 m 處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值降為0.0075076 A/m，大致滿足項(xiàng)目需求；當(dāng)將屏蔽金屬管進(jìn)行接地后，金屬管內(nèi)的感應(yīng)電流沿接地導(dǎo)體流入大地，將干擾磁場(chǎng)全部限制在金屬屏蔽管內(nèi)，使得水平距離0.5 m 處磁場(chǎng)強(qiáng)度最大值降為0.003567 A/m，對(duì)高壓線纜產(chǎn)生了非常好的屏蔽效果。

4 結(jié)論

動(dòng)車組布線過(guò)程中，對(duì)于從車外進(jìn)入車體內(nèi)的高壓線纜，通過(guò)加屏蔽金屬管并且金屬管接地可以有效地降低其磁場(chǎng)的干擾。這種方式可以推廣到車內(nèi)其他低頻大電流線纜的布線。如果低頻大電流線纜在走線過(guò)程中，由于車內(nèi)結(jié)構(gòu)、自身位置等特殊因素不能通過(guò)增大與敏感設(shè)備或線纜距離、改變自身排列方式、并入線槽等方式解決自身產(chǎn)生的電磁干擾，可以利用外加磁導(dǎo)率較高的屏蔽金屬管并且兩端接地來(lái)進(jìn)行隔離。