CR400BF智能型動車組動力電纜磁場分布對車輛環境的影響

高 暢 李重陽 楊 明 武玉新 康麗齊 高 雅

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司工程技術中心， 130062， 長春；2. 長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

CR400BF智能型動車組是我國高速鐵路復興號的車型之一，它采用單弓受流方式，由受電弓從接觸網接收25 kV/50 Hz單相交流電，通過帶有接地開關的真空斷路器傳輸給牽引變壓器，牽引變壓器降壓輸出1 500 V單相交流電供給牽引輔助變流器，脈沖整流器將單相交流電變換成直流電，經中間直流電路將DC 2 600～3 000 V的直流電輸出至牽引逆變器，為其提供電能，并對牽引電機進行變頻調速，進而將驅動力矩通過帶過載保護裝置的柔性聯軸節傳遞給輪對，驅動列車運行，如圖1所示。CR400BF智能型動車組采用大功率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)構成的牽引系統。

注：M為電機； Tp為帶受電弓的拖車； Mh為帶殘疾人設施的動車； Mb為帶餐吧設施的動車。圖1 CR400BF智能型動車組牽引系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of CR400BF intelligent EMU traction system

CR400BF智能型動車組牽引系統采用150平硅橡膠絕緣耐高溫動力電纜來承載中間直流環節電壓(DC 2 700～3 600 V)。該電纜自由、平行地布設在鋁合金車底三角型腔中，且僅在端部設備處對其進行固定，沒有多余的活動量，以防其在動車運行中發生拉伸或磨擦，并且防止其在無支撐的狀態下被拉伸過長。動力電纜所產生的磁場強度對車內環境、旅客舒適度、車下設備運行都存在著間接影響。采用ANSYS有限元分析軟件中的靜磁場分析功能對動車組車體建立模型，分析動力電纜的磁場分布[1]。

1 CR400BF智能型動車組車體模型的建立

動車組車體模型的建立包括參數定義、實體建模和劃分網絡。以CR400BF智能型動車組為模板建立車體模型，如圖2所示。車體材料采用以鎂和硅為主、Mg2Si為主要強化項的6系鋁合金型材，三角型腔采用厚6.7 mm的6系鋁合金型材。車體材料的工藝性能較好，便于焊接。

圖2 CR400BF智能型動車組車體模型Fig.2 Car body model of CR400BF intelligent EMU

因動力電纜的導體材料、橫截面形狀和尺寸在線路中的確定性，以及動力電纜與型腔中相對位置的穩定性，并且在布設路徑中周圍介質未隨著運動和時間有所變化，因此，可將動力電纜稱為均勻傳輸線。為了便于研究動力電纜的電場和磁場，將動力電纜擬定為理想導體。按照設置車體材料屬性的方法，設置導體屬性。

因動力電纜自由平行布設在鋁合金車底三角型腔中，故將車體模型截取出車體底架三角型腔區域，并將動力電纜模型放置其中，形成完整的有限元模型[2]，如圖3所示。

圖3 CR400BF智能型動車組車體有限元模型Fig.3 Finite element model of CR400BF intelligent EMU

考慮計算結果的精度和效率，使用ANSYS軟件自帶的智能網格劃分工具對該模型進行有限元網格劃分。設置網格單元為三角形單元，在控制SmartSizing水平后，設置單元尺寸，進而達到最優解，使得磁場分布趨于真實化。

根據動力電纜在車輛運行工況下所承載的電流，在模型上給動力電纜施加載荷(電流)[3]，以此來分析動力電纜在工作時所產生的磁場對車輛環境的影響[4]。同時選擇車體上所有的節點，然后添加邊界條件，以提升邊界的模擬性。

2 動力電纜磁場二維數值模擬分析

對動車組車體底架三角型腔模型中動力電纜的磁場進行了二維數值模擬研究。動力電纜所產生的磁場對車輛環境的影響，如圖4～5所示。

a) 磁力線分布圖

由圖4～5可知，動力電纜在額定電流工況下產生了一定的靜態磁場。隨著監測點在y軸上離動力電纜中心的距離不斷增加，動力電纜的磁感應強度逐漸減弱；在0.1 m范圍內磁感應強度大于0.5 mT；在1.5 m處磁感應強度為0.1 mT；距離2.0 m后，磁感應強度幾乎為零。

圖5 動力電纜的磁場波形圖Fig.5 Magnetic field waveform of power cable

3 結論

1) 動力電纜在額定電流工況下產生的磁感應強度隨其在y軸上離動力電纜中心的距離趨近于正態分布。

2) 我國目前采用的低頻電磁場公眾暴露限值為低頻磁感應強度100 μT，長期生活在此環境中對人體是有危害的，尤其對老人、兒童、孕婦等人群有一定影響。此外，在此基礎上，可嘗試對車體型腔結構或者動力電纜電氣參數進行優化，并對相關模型進行二次仿真及分析，以減少電磁感應對車內環境的污染。