CRH3G型動車組電磁兼容性的仿真分析

王艷琴 郝明遠 汪星華 張秋敏 高永亮

(唐山軌道客車有限責任公司產品技術研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程師)

目前，高速動車組大都采用先進的大功率變頻變壓逆變器、整流器和各種先進的控制系統，運行在電氣化鐵路線上，故電磁環境非常復雜。高速動車組不僅是干擾源，同時也是潛在的易被干擾的對象。CRH3G型動車組是在CRH3型動車組項目的基礎上研發的時速250 km的動車組。作為一個新的系統，有必要對其進行電磁兼容性設計，以達到各部件最合理布局的目的。

1 CRH3G型動車組的電磁環境介紹

1.1 司機室過于密集的電器柜布置

在CRH3型動車組中1、8車的ATP(列車自動保護)機柜與綜合電氣柜在車輛尾部放置，遠離CCU(中央控制單元)、司機操作臺。而在CRH3G型動車組中ATP、LKJ(列車運營監控裝置)機柜和綜合電氣柜安置在司機室后部，臨近CCU，與司機室操縱臺、HMI(人機接口界面)、DMI(車載人機接口)、司機室左右電氣柜的距離較近。因此，對這些設備的電磁兼容性問題需要評估分析。

1.2 不同電壓等級線纜由同一入口進入綜合柜

在CRH3G型動車組上，綜合電氣柜中設置動力單元水泵風扇、變壓器油泵風扇及牽引通風機的空氣開關，交流電壓為440 V、60 Hz;同時也布置有交流電壓230 V、50 Hz和直流電壓110 V的電器件。因此，交流電壓440 V的走線對綜合柜內其他較低電壓等級的線纜和模塊構成了潛在的干擾威脅，需要進行電磁兼容性評估分析。在CRH3型動車組上，此類交流電壓440 V中壓硬線被安置在車下的車載電源箱內。

1.3 靠近轉向架傳感器線纜的主變壓器車底布線

在CRH3型動車組中從車頂受電弓至主變壓器的大線，由車體端墻向下鋪設至車下，后由車體型腔送往主變壓器，車體型腔會發揮一定的屏蔽作用。在CRH3G型動車組中，主變壓器的大線雖是沿車體端墻向下至車下后，但未經車體型腔，而是從車下經過轉向架區域送至主變壓器的。轉向架區域有豐富的傳感器(如速度傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器等)類線纜，如圖1所示。主變壓器大線的經過對其它線纜會造成一定的干擾，需要對其進行電磁兼容性分析。

圖1 轉向架附近布線

2 車下布線模型建立

電磁兼容性設計主要包括設備布局設計、布線設計、屏蔽設計、接地設計和濾波設計等，考慮分析車底高壓布線及傳感器布線間的兼容性具有代表性，因此，本文針對車底部位電磁兼容性進行深入研究。

2.1 串擾計算

根據傳輸線理論，可得時諧均勻傳輸線的方程為:

式中:

U(x)——電路中x處的電壓值;

I(x)——電路中x處的電流值;

Z——單位長度的串聯阻抗;

Y——單位長度的并聯導納。

式中:

R——單位長度串聯的電阻;

L——單位長度串聯的電感;

C——單位長度串聯的電容;

ω——角頻率。

根據傳輸線理論，電纜兩端電壓和電流之間可通過鏈參數矩陣建立聯系，以對傳輸線方程進行求解。

定義串擾系數S為傳感器信號線近端串擾電壓UNE與騷擾源電壓US的比值，即

設高壓布線和傳感器布線屏蔽層末端所連軟辮線的長度Lp為5 cm，根據工程布線的相關數據取高壓輸電線長度L1=10 m，信號線長度L2=5 m，終端阻抗采用相同的阻值50Ω。將計算得到的相關分布參數矩陣及根據工程應用所提取的相關參數代入仿真計算軟件，即可計算傳感器信號線上的串擾電壓。

2.2 轉向架傳感器布線模型

轉向架傳感器的布線模型如圖2所示。由圖2可見:車下高壓布線附近，二位端轉向架3軸與4軸的溫度傳感器通過底板孔進入車內，沿著車內底板線槽進入電器柜;3軸的速度傳感器通過車下線槽沿著標記線進入BCU(制動控制單元)。

圖2 轉向架傳感器布線模型

2.3 仿真模型

根據目前CRH3G型動車組的高壓輸電線、傳感器信號線的布線方式及相關參數，建立車底高壓線纜及轉向架傳感器線纜之間的相對位置關系，如圖3所示。

圖3的電纜模型中，兩根電纜距離地面的高度分別為h1和h2，車底高壓輸電線的半徑為r1，傳感器信號線的半徑為r2，r1p為高壓輸電線屏蔽層的半徑，r2p為傳感器信號線屏蔽層的半徑，兩導線中心間距為d。將工程應用中所提取的這些參數值代入仿真軟件，可建立仿真串擾模型如圖4所示。

圖3 車底高壓線纜及轉向架傳感器線纜之間的相對位置

圖4 軟件仿真串擾模型

3 仿真分析

3.1 傳感器布線上的串擾電壓

若高壓輸電線上的騷擾電壓幅度為25 kV，則被干擾的傳感器信號線上電壓隨電源工作頻率變化的曲線如圖5所示。由圖5可見:傳感器信號線上在41 MHz附近出現了一個最大的干擾電壓，幅值為 925 V;其它在10 MHz、20 MHz、30 MHz附近也都出現了較大的干擾電壓。

圖5 傳感器線上的干擾電壓仿真

圖6為傳感器信號線屏蔽層雙端接地時的串擾耦合系數仿真。由圖6可見:在頻率小于10 MHz時線間串擾系數最大為－95 dB，最小為－190 dB;在50 Hz時，線間串擾系數為－168 dB。即，當騷擾信號電壓為25 kV時，頻率小于10 MHz時，傳感器信號線上通過線間串擾感應的電壓最大值為0.445 V，最小值為7.9μV;在頻率為50 Hz時，感應的干擾電壓值為99.5μV。結合圖5和圖6可知，傳感器信號線受高壓輸電線的干擾影響主要在10 MHz以上。

3.2 信號線長度對線間串擾的影響

圖7為不同傳感器信號線長度時的線間串擾耦合系數仿真。由圖7可以看出，隨著傳感器信號線長度的增加串擾隨著增加。串擾電壓會隨著導線間分布參數的變大而增大。所以，在傳輸過程中應盡量減小并行信號線的長度，以盡量減小線間串擾。

圖6 傳感器線屏蔽層串擾耦合系數仿真

圖7 不同信號線長度時電纜間的串擾耦合系數仿真

3.3 電纜間距對串擾的影響

電纜之間的間距與線間串擾的關系仿真如圖8所示。由圖8可以看出，隨著線間距離的增大，線間的串擾不斷減小。

兩電纜線的分布參數與線間距離直接相關，隨著線間距離的增大，分布電容、分布電感都不斷減小。所以，適當增大兩電纜線之間的距離有助于減少線間串擾。

4 結語

通過上述仿真計算分析可知，對于CRH3G型動車組的車底布線而言，在電源工作頻率為50 Hz時，25 kV的高壓輸電線不會對速度傳感器、溫度傳感器等的信號線產生影響。但是，若高壓傳輸線中存在頻率為1 MHz以上的瞬態騷擾信號時，則有可能對這些傳感器信號線造成較為嚴重的影響。

圖8 電纜間距對串擾的影響仿真

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