地鐵線纜串擾仿真分析與測試驗證

謝莉鳳 呂繼方 蔣忠城 楊 穎 王先鋒 張 俊 王遠騰

(1.中車株洲電力機車有限公司技術中心,412001,株洲; 2.珠海格力電器股份有限公司,519070,珠海；3.北京經緯恒潤科技有限公司，100192,北京∥工程師)

?

地鐵線纜串擾仿真分析與測試驗證

謝莉鳳1呂繼方2蔣忠城1楊 穎1王先鋒1張 俊1王遠騰3

(1.中車株洲電力機車有限公司技術中心,412001,株洲; 2.珠海格力電器股份有限公司,519070,珠海；3.北京經緯恒潤科技有限公司，100192,北京∥工程師)

地鐵車輛中各種線束之間的相互串擾問題已成為地鐵電磁兼容設計的一個重要問題。通過仿真與測試相結合的手段進行線纜線束串擾研究,對輔助逆變器周圍不同類型的線纜線束進行建模,進行頻域、時域及S參數仿真,并通過試驗驗證該仿真方法的正確性與有效性。對地鐵車輛線纜線束串擾進行仿真研究,能夠有效指導地鐵的布線設計,提高地鐵設計水平。

地鐵； 線纜線束; 串擾; 傳輸線

First-author′s address R & D Center,CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地鐵是一種集機械、電氣及電子設備于一體的大型裝置,電子電氣系統之間、設備之間的互連結構復雜,走線空間小,且采用的電纜種類較多,(包括大功率主電路電纜、輔助電纜、控制電纜、信號線、通信線、數據總線等),各種線纜線束之間的相互串擾將使得車輛電磁環境變得異常復雜。這已成為地鐵電磁兼容設計面臨的一個重要問題[1]。

本文將以輔助逆變器輸出電纜線作為干擾源,單線、雙絞線、屏蔽雙絞線作為敏感源,建立仿真模型,得到仿真結果,并進行試驗驗證。

本仿真是基于電磁仿真軟件EMCstudio v7.0[2]進行的。EMCstudio是一款可發現線纜線束等實際工程EMC(電磁兼容)問題的精確分析工具,可混合使用矩量法、等效源、傳輸線、網格分析、物理光學等多種方法精確分析復雜綜合大系統(如車輛、飛行器、船舶等)的電磁分布、串擾、耦合、敏感性、電磁干擾衣架虛擬電磁兼容測試等問題。

1 仿真模型建立

綜合考慮該地鐵中線纜線束傳輸信號類型及車輛布線的實際情況,選取輔助逆變器輸出電纜線及周圍線纜作為研究對象。串擾對象示意圖如圖1所示。

為了使仿真結果更接近真實值,對車身、輔助逆變器及周邊部件進行建模。對于車身結構及部件模型的建模,采用從整車設計的三維圖紙中提取車身模型。為了簡化仿真時間,僅保留車身金屬部分,因為非金屬部分對電磁干擾的影響非常小。同時將車身模型簡化為無厚度的金屬表面,這可以大大降低網格數量[3]。車體和部件模型如圖2所示。本文主要為線纜串擾仿真,因此需要考慮線纜兩端的電氣部件。對于電氣部件，采用黑盒建模的方法建立頻域等效電路模型,通過簡單的測試獲得所需模型參數。該等效模型包含干擾源、源阻抗、終端阻抗,它們都是頻率的函數。該模型能夠反映出該線纜對外的總干擾。

圖2 車體、部件與線束模型

線束模型需要包括線束的結構信息和電氣特性。結構信息包括線束長度、路徑、布局等。將建立的線束路徑段賦予電氣特性,如線纜數量、類型、線徑、材料等,形成完整的線束模型。對于本文研究對象,我們根據車輛實際布線情況,在軟件中按照線束坐標手動添加線束模型,包括輔助逆變器輸出端口的線束模型和與其平行的線束模型(分別建立1 m長單線、雙絞線和屏蔽雙絞線[4],并且與輔助逆變器輸出線束距離約為5 mm),如圖3所示。

圖3 線束模型

在建好的線束模型中添加終端設備Dv_1、Dv_2、Dv_3,并在仿真軟件中搭建仿真電路,在終端設備中添加相應的激勵源與終端匹配電阻,并分別建立單線、雙絞線與屏蔽雙絞線的電路等效模型,如圖4所示。

圖4 仿真電路圖

2 測試方案

圖5為對實車進行線纜串擾測試方案圖。測試時車輛的工況為靜止升弓狀態,并開啟輔助逆變器及負載。在測試中,將電流卡鉗放置在輔助逆變器輸出端口,采集其端口處的射頻電流,同時使用示波器測量受擾線上的電壓。此次測試中,分別使用1 m長單線、雙絞線、屏蔽雙絞線作為受擾線,將其沿輔助逆變器輸出一相平行走線,線距約為5 mm。由于車輛走線已經固定,無法輕易改變其走線,故采用上述方法進行測試驗證。

圖5 線纜串擾測試方案圖

3 測試結果分析

3.1 時域干擾分析

本文所采用的輔助逆變器輸出電壓為50 Hz、380 V,故在仿真時設置輔助逆變器輸出終端Dv_1為50 Hz、380 V電壓源與50 Ω輸入阻抗串聯,分別對單線、雙絞線、屏蔽雙絞線進行仿真,仿真結果如圖6所示。從圖6中可以看出,單線上產生的耦合電壓約為9 mV,雙絞線上產生的耦合電壓約為2.8 mV,屏蔽雙絞線上產生的耦合電壓約為0.35 mV,因而,對于50 Hz輸出線,其對鄰近線干擾作用很小。

圖6 380 V干擾源仿真結果

該輔助逆變器的開關頻率為16 kHz,故選用16 kHz 的PWM(脈寬調制)脈沖源模擬開關噪聲,并將其設置為最惡劣情況,即PWM占空比接近100%,分別對輔助逆變器輸出端口1 m平行單線、雙絞線、屏蔽雙絞線的串擾進行仿真。圖7給出仿真與測試的對比圖。從圖7可以看到,仿真結果與測試結果符合較好。對于時域干擾,開關電源噪聲對于附近線纜的影響遠遠大于50 Hz周期電壓產生的影響,因此在以后設計中,需要對能夠產生開關變量的部件進行重點考慮,對其周邊線纜線束布局布線進行更好的優化[5]。

圖7 時域仿真與測試對比圖

3.2 頻域干擾分析

由于實車測試環境與測試設備的限制,無法對受擾電纜進行頻域干擾測試,故在本文中僅給出頻域干擾的仿真結果。使用電流卡鉗采集到的射頻電流源做為仿真干擾源,由于電流卡鉗的測試范圍為9 k～2 MHz和2 M～30 MHz,故在仿真時分兩次進行,圖8為頻域干擾仿真結果。對于同一干擾源,單線、雙絞線和屏蔽雙絞線上耦合電壓的頻率分布一致,且耦合電壓的大小為：V屏蔽雙絞線

圖8 頻域仿真結果圖

3.3 頻域S參數仿真

S參數是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數,可用于評估二端口反射信號和傳送信號的性能。對于線纜線束串擾分析,需要考慮參數S21(如果以Port1作為信號的輸入端口,Port2作為信號的輸出端口,S21參數為端口1匹配時,端口2到端口1的反向傳輸系數,即插入損耗,代表有多少能量被傳輸到目的端Port2)。一般來說S21參數小于-10 dB時,可認為無干擾風險。按照圖所示的電路結構,建立S參數的二端口網絡進行仿真,仿真頻率范圍為0～30 MHz,得到單線、雙絞線及屏蔽雙絞線的S21值,如圖9所示。從圖9中可以得到,對于單線在0～30 MHz頻率范圍內,S21參數大于-10 dB,故當380 V輸出電壓0～30 MHz范圍內有較大干擾時,對鄰近線平行線有干擾風險;對于雙絞線,在30 MHz以內,S21參數均小于-10 dB,雙絞線的抗擾性能比單線好;對于屏蔽雙絞線,S21參數在30 MHz范圍內很小,屏蔽和雙絞均提高了傳輸線的抗擾性能。

圖9 S參數仿真結果圖

3.4 相關措施

通過上述仿真分析可知,屏蔽雙絞線的抗干擾能力最好,雙絞線次之,單線最差,因此在地鐵線纜設計時,為了減少線纜間的串擾,需考慮線纜所在的電磁環境及所傳輸信號的屬性。在地鐵線纜線束布線設計和實施過程中,可采用如下措施[6]:

(1) 根據電纜應用的電壓等級、功率及傳輸信號特點對電纜進行分類;

(2) 對于不同類別的電纜盡可能分開布置;

(3) 對于傳輸高頻及敏感信號的線纜應進行屏蔽,且屏蔽層應進行多點接地。

(4) 對于強干擾線纜線束(如輔助逆變器、牽引逆變器等輸入輸出線)周邊布線,可在設計時利用仿真計算出周邊線纜線束的串擾大小,從而確定周邊線纜線束的布線位置及線纜線束類型,提高布線水平,減少車輛成型后布線整改問題。

4 結語

對線纜線束間的串擾研究,能夠得到線纜線束在電子電氣設備中帶來的干擾大小,從而為抑制這些干擾、正確使用各種線纜線束及合理布線提供可靠的依據。本文對地鐵中特定的線纜線束進行了建模、仿真,并進行了試驗驗證,該方法能夠較準確、快速地計算出線纜線束間的串擾,對地鐵布線及排除故障具有指導意義。

[1] 邵志江.線纜線束串擾的時域特性研究[D].南京:南京航空航天大學,2010.

[2] 呂繼方,蔣忠城,謝莉鳳,等.地鐵電磁兼容性的多級聯合仿真[J].城市軌道交通研究,2014,17(6):121.

[4] Clayton R.Paul.電磁兼容導論[M].聞映紅,譯.北京:機械工業出版社,2006.

[5] 李國鋒,王肅清.電磁兼容技術在機車變流器布線中的應用[J].機車電傳動,2008,9(5):27.

[6] 李華祥.電磁兼容在電力機車布線中的設計[J].鐵道機車車輛,2008,28(1):9.

Simulation Analysis and Test Verification of Metro Cable CrosstalkXIE Lifeng, LYU Jifang, JIANG Zhongcheng, YANG Ying, WANG Xianfeng, ZHANG Jun, WANG Yuanteng

In metro vehicle electromagnetic and capacity design, the cable crosstalk has become a serious problem.In this paper, simulation and experiment test are used in cable crosstalk research, different types of cable around the auxiliary inverter are modeled. Then, the time domain, frequency domain andSparameter are simulated to verify the effectiveness of this method. The result shows that the simulation could effectively guide the wiring design and enhance the design level for metro cable crosstalk.

metro; cable; crosstalk; transmission line

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.05.017

2014-09-02)