CRH3G型高速動車組電氣綜合柜電纜串擾問題分析及建議措施

汪星華 郝明遠 才 倩

(中車唐山機車車輛有限公司技術研究中心， 063035， 唐山∥第一作者， 高級工程師)

在有限的空間中線纜布線對于軌道車輛的電磁兼容性而言是至關重要的。我國的高速動車組布線一般根據EN 50343—2003《鐵路應用 機車車輛布線規則》進行設計。通常情況下，CRH3型動車組電氣柜為110 V直流電壓線纜空開，但CRH3G型高速動車組的車載綜合電氣柜中裝有電壓為440 V/60 Hz的動力單元水泵風扇、變壓器油泵風扇，且牽引通風機空開，此外還布置了110 V直流電壓空開。雖然通過空開、斷路器等開關器件可對電路中的電流進行控制，但當電流超過一定的閾值時，電路中的斷路器會自動斷開，以避免因通風機溫度過高而造成通風機損壞、牽引動力系統故障等問題。隨著電流和功率的增大，空開和斷路器的接通與斷開，以及通風機電控設備、牽引動力設備、變壓器及空開等非線性設備的起動均會產生大量的瞬時突變電流，瞬時突變電路進入電路后將形成電磁騷擾，影響低壓弱電設備的正常工作。因此，有必要對CRH3G動車組的440 V電纜是否會與其他電纜之間發生串擾、進而對綜合電氣柜內的低壓弱電電纜造成干擾這一問題進行分析研究。

1 不同電壓線纜在綜合電氣柜內的分布及所連接設備的電流與功率

1.1 不同電壓線纜所連接設備的電流與功率

110 V直流低壓弱電設備主要由TCU(牽引控制單元)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)脈沖觸發控制信號，其工作電流約為5 A，預充電階段的電流約為7 A(充電時間僅需幾秒)。交流440 V/60 Hz線纜連接的用電設備有變壓器冷卻泵和兩個動力單元水泵風扇，各設備的電流、功率如表1所示。

表1 交流 440 V/60 Hz連接設備的電流、功率

1.2 綜合電氣柜內不同電壓線纜的布置情況

440 V交流電纜與110 V直流電纜在綜合電氣柜外兩線并行走線的長度為1 500 mm，在綜合電氣柜內兩線緊貼綜合電氣柜后面板布線，其平行走線長度為1 640 mm。440 V交流電纜所連接的空開安裝在綜合電氣柜右側壁上的屏蔽箱內，該屏蔽箱長、寬、高的尺寸分別為518 mm、317 mm、80 mm。

2 440 V交流電纜與110 V直流電纜的參數計算

2.1 線纜分布參數計算

在電路原理圖中傳輸線僅僅是一對理想的連接導線，但在實際使用中傳輸線具有電阻、電容、電感，如圖1所示，本文對440 V交流電纜與110 V直流電纜間傳輸線模型進行分析。

注：rwG——440 V纜線的半徑；rwR——110 V纜線的半徑；S——兩根纜線間的距離；hG——440 V纜線距離地面的高度；hR——110 V纜線距離地面的高度；r1Sh——440 V纜線屏蔽層的半徑；r2Sh——110 V纜線屏蔽層的半徑；t1Sh——440 V纜線屏蔽層的厚度；t2Sh——110 V纜線屏蔽層的厚度。

2.1.1 分布電感計算

440 V纜線的分布電感可由地面上單根導線的分布電感求得：

(1)

式中：

lGG——440 V電纜單位長度的自電感；

μ0——真空磁導率。

110 V纜線單位長度的分布電感lRR為：

(2)

440 V交流電纜與110 V直流電纜之間單位長度的互電感lGR為：

(3)

2.1.2 分布電容計算

110 V直流電纜屏蔽層與其芯線間電容CR2S為：

(4)

式中：

ε0——真空電容率；

εr——線芯電容率。

440 V電纜屏蔽層與其芯線間電容CG1S為：

(5)

2.2 440 V交流電纜與110 V直流電纜終端負載計算

已知440 V交流電纜所連接的負載中，最大功率為8 000 W，最小功率為2 000 W。根據公式P=U2/R(P為功率，U為電壓，R為電阻)，可計算出其負載阻抗的最大值為96.8 Ω，最小值為24.2 Ω。當阻抗最小時，線路中的電流最大。

取110 V直流電纜兩端所連設備的阻抗為匹配阻抗50 Ω。因為110 V直流電纜控制的空開的額定電流為2 A，所以若110 V直流電纜上存在的干擾信號電流大于1 A，則空開的控制電路將受到干擾，此時控制電路會因接收到非正常信號而動作。

3 440 V交流電纜與110 V直流電纜間串擾分析

3.1 電氣柜外并行線纜串擾分析

在CST CABLE STUDIO(線纜仿真工作室)軟件中建立440 V/60 Hz和110 V線纜模型，分空開沒有動作、空開動作兩種情況，對兩線間的串擾進行分析。

3.1.1 空開沒有動作

空開沒有動作情況下所建立的電路模型如圖2所示。設兩線間距為5 mm，在綜合電氣柜外兩線平行走線距離為1.5 m。其中：X440_P_1和X440_P_2分別為440 V交流電纜的輸入端和輸出端，在輸入端加440 V、60 Hz的交流激勵源；X110_P_1和X110_P_2分別為110 V直流電纜的輸入端和輸出端，在輸入端不加任何激勵。記錄110 V電纜輸入端因線間串擾所引起的端口電壓和電流。

圖2 綜合電氣柜外部空開沒有動作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串擾分析電路模型

由上文可知，當440 V交流電纜連接最大功率(8 000 kW)負載時，經計算其負載阻抗為24.2 Ω，線路中的電流最大。本文將此工況定義為最大功率負載，此時110 V電纜輸入端的串擾電流波形如圖3所示。由圖3可知，110 V直流電纜上串擾電流的最大值約為20 μA，遠小于1 A。所以，當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在空開不動作的情況下，440 V交流電纜不會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

圖3 綜合電氣柜外部空開沒有動作下440 V交流電纜上承載最大功率負載時110 V直流電纜上的串擾電流波形

當440 V交流電纜連接最小功率(2 000 kW)負載時，其負載阻抗為96.8 Ω，線路中的電流最小。將此工況定義為最小功率負載，則此時110 V電纜輸入端的串擾電流波形如圖4所示。由圖4可知，串擾電流的最大值為20 μA左右，遠小于1 A。所以，當440 V交流電纜連接最小功率負載時，在空開不動作的情況下，440 V交流電纜不會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

圖4 綜合電氣柜外部空開沒有動作下440 V交流電纜上承載最小功率負載時110 V直流電纜上的串擾電流波形

3.1.2 空開動作時

若440 V交流電纜控制的空開有瞬態干擾時，則線間串擾的仿真模型如圖5所示。設兩線間距為5 mm，在綜合電氣柜外兩線平行走線距離為 1.5 m。其中，X440_P_1與X440_P_2為440 V交流電纜空開處的輸入端和輸出端；X110_P_1和 X110_P_2為110 V直流電纜的輸入端和輸出端。

圖5 綜合電氣柜外部空開動作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串擾分析電路模型

440 V交流電纜空開動作時產生的瞬態干擾可用電快速瞬變脈沖群信號來模擬。參照GB/T 17626.4—2006《電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》，車載設備控制端口對電快速瞬變脈沖群的抗擾度應達到1 kV，脈沖重復頻率為5 kHz。因此，在X440_P_1與X440_P_2間加入快速脈沖群，在440 V交流輸入端記錄該快速脈沖群的電壓和電流；在110 V直流電纜的輸入端X110_P_1處不加任何激勵，記錄110 V電纜輸入端因線間串擾所引起的端口電壓和電流。

空開動作時產生的1 kV模擬脈沖群信號如圖6所示。對其中的1個脈沖信號進行放大，其結果如圖7所示。

圖6 綜合電氣柜外部空開動作時產生的1 kV 模擬脈沖群信號

圖7 單個脈沖波形Fig.7 Single pulse waveform

當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在440 V電纜輸入端加上1 kV的快速脈沖群信號，分析110 V電纜輸入端得到因串擾引起的電流波形。

當440 V交流電纜連接最小功率負載時，在440 V電纜輸入端加上1 kV的快速脈沖群信號，分析110 V電纜輸入端得到由串擾引起的電流波形。

經分析，空開動作下440 V交流電纜上分別承載最大功率、最小功率負載，在110 V電纜上出現的串擾電流的最大值均為4 A左右，均大于1 A。所以，當空開動作時，440 V交流電纜可能會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

3.2 綜合電氣柜內部線纜串擾分析

與電氣柜外線纜分析類同，綜合電氣柜內部線纜串擾分析也分為空開沒有動作、空開動作兩種情況。

3.2.1 空開沒有動作

440 V交流電纜與110 V直流電纜在綜合電氣柜內部有1 640 mm的并行走線，且兩線間隔很小(5 mm)，440 V交流電纜和110 V直流電纜均為1.5 mm2的細線。空開沒有動作情況下建立的串擾分析電路模型如圖8所示。其中：X440_P_1為440 V交流電纜的輸入端；X440_P_2為440 V交流電纜的輸出端；X110_P_1為110 V直流電纜的輸入端；X110_P_2為直流電纜的輸出端。在X440_P_1端加上60 Hz、440 V的交流激勵源，記錄此處的電壓和電流。在110 V直流電纜的輸入端X110_P_1處不加任何激勵，記錄此處因線間串擾所引起的端口電壓和電流。

圖8 綜合電氣柜內部空開沒有動作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串擾分析電路模型

當空開沒有動作時，當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在440 V交流電纜的輸入端加上440 V、60 Hz的交流激勵源，在110 V直流電纜的輸入端不加任何激勵，110 V電纜的輸入端得到因串擾引起的電流波形如圖9所示。由圖9可知，此時串擾電流的最大值約為30 μA，遠小于1 A。所以，當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在空開不動作的情況下，440 V交流電纜不會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

圖9 綜合電氣柜內部空開沒有動作下440 V交流電纜上承載最大功率負載時110 V直流電纜上的串擾電流波形

當440 V交流電纜連接最小功率負載時，110 V電纜輸入端得到由串擾引起的電流波形如圖10所示。由圖10可見，此時串擾電流的最大值約為15 μA，遠小于1 A。所以，當440 V交流電纜連接最小功率負載時，在空開不動作的情況下，440 V交流電纜不會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

圖10 綜合電氣柜內部空開沒有動作下440 V交流電纜上承載最小功率負載時110 V直流電纜上的串擾電流波形

3.2.2 空開動作時

若440 V交流電纜控制的空開有瞬態干擾時，則線間串擾的仿真模型如圖11所示。其中：X440_P_1表示440 V交流電纜控制的空開瞬態操作點。記錄110 V直流電纜的輸入端由串擾引起的端口電壓及電流。空開動作時產生瞬態干擾依然采用1 kV的電快速瞬變脈沖群信號來模擬。

圖11 綜合電氣柜內部空開動作下440 V交流電纜與 110 V直流電纜兩線間串擾分析電路模型

當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在440 V交流電纜輸入端加上1 kV、間隔為5 kHz的快速脈沖群信號，分析110 V電纜的輸入端得到因串擾引起的電流波形可知，串擾電流的最大值為1.8 A左右，大于1.0 A。所以，當440 V交流電纜連接最大功率負載時，在空開動作的情況下，440 V交流電纜可能會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

當440 V交流電纜連接最小功率負載時，在440 V交流電纜輸入端加上電快速瞬變脈沖群信號為1 kV、間隔為5 kHz的快速脈沖群信號，分析110 V電纜輸入端得到由串擾引起的電流波形可知，此時串擾電流的最大值為1.8 A左右，大于1.0 A。所以，當440 V交流電纜連接最小功率負載時，在空開動作的情況下，440 V交流電纜可能會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。

3.3 線纜間串擾問題的解決方案

由上文可知，當440 V交流電纜中傳輸60 Hz交流電信號時，110 V直流電纜上的串擾電流很小，不會對110 V直流電纜供電的設備造成干擾。但是，當440 V交流電纜中出現瞬態脈沖信號時，110 V直流電纜上的串擾電流很大，可能會造成110 V直流電纜供電的設備誤動作。針對這一問題，可使用以下兩種方式解決。

3.3.1 分線槽布線

對綜合電氣柜外的1.5 m并行走線而言，根據線纜分類原則，將440 V交流電纜及110 V直流電纜分置于車底不同的線槽中。綜合電氣柜內部的布線也可采取加槽處理，在機柜后面板內部新增1個寬度、高度、長度分別為40 mm、40 mm、1 640 mm的線槽，使其緊靠后面板布置，并距離右側壁50 mm。以440 V交流電纜的承載最大功率負載為例，在綜合電氣柜外部和內部均進行加槽處理后，分析110 V直流電纜上的串擾電流可知，分線槽布線后110 V直流電纜上串擾電流的最大值減小到0.25 A，小于1.00 A，可保證由110 V直流電纜供電的設備不受440 V電纜瞬態脈沖信號的干擾。

3.3.2 加大兩線間的距離

線間串擾問題均可通過增加兩線間的距離來予以減弱。將并行布線的440 V交流電纜與110 V直流電纜的間距增加至10 mm，再次分析110 V直流電纜上的串擾電流可知，當兩線間的距離增加至10 mm時，綜合電氣柜內部110 V直流電纜上的串擾電流的最大值為0.7 A左右，綜合電氣柜外部110 V直流電纜上的串擾電流的最大值為0.9 A左右，均小于1.0 A。可見，當兩線的間距為10 mm時，110 V直流電纜供電的設備能夠不受440 V交流電纜瞬態脈沖信號的影響。

4 結語

由上文分析可知，CRH3G型高速動車組車載電氣柜內存在不同電壓的線纜，在空開不動作或440 V交流電纜中不存在大的脈沖騷擾信號時，不會影響110 V弱電設備的正常工作，否則有可能導致110 V設備誤動作。當不同電壓的兩線之間的距離增大到10 mm時，可明顯降低瞬態騷擾信號的串擾，所以，在空間允許的情況下，應適當加大線纜之間的距離。若隔離距離無法滿足要求時，應采用分線槽布線的方式，以盡可能減少線間串擾。