地鐵車輛線纜輻射對客室低頻磁場影響的仿真

摘要：該文針對地鐵車輛客室內的低頻磁場輻射問題，重點考察車載設備以外的影響因素。雖然通常認為車輛下方的線纜輻射會影響客室內的磁場分布，但這方面的研究相對缺乏。該文借助Feko軟件平臺，以地鐵車輛的設計參數為基礎，構建了線槽和線纜布局的模型，并以現場實測的諧波電流值作為模擬分析的激勵輸入。通過將線纜輻射作為唯一激勵源，對線纜產生的磁場進行了仿真分析，并與型式試驗實測磁場值進行對比。通過仿真可知，線纜對客室內磁場的貢獻遠低于型式試驗中在相同位置測得的總輻射量。這為處理類似問題提供了一定的參考。

關鍵詞：軌道車輛；Feko；低頻磁場；線纜輻射

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.004

中圖分類號：TN 03；U 231 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-00-03

Simulation of the Influence of Subway Vehicle Cable Radiation on Low-Frequency Magnetic Field in Passenger Compartments

LIU Xiaojing1， FENG Lina1， MU Xiaotong2， XIA Xiatong3

（1. CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China; 2. Beihang University， Beijing 100191， China; 3. Shenzhen Beihang Testing Co.， Ltd.， Shenzhen 518052， China）

Abstract： This article focuses on the low-frequency magnetic field radiation problem in the passenger compartment of subway vehicles， with a focus on examining the influencing factors beyond onboard equipment. Although it is generally believed that the radiation from cables under vehicles can affect the magnetic field distribution in the passenger compartment， research in this area is relatively lacking. The article utilizes the Feko software platform， based on the design parameters of subway vehicles， to construct a model of cable tray and cable layout， and uses the on-site measured harmonic current values as the excitation input for simulation analysis. The magnetic field generated by the cable was simulated and analyzed by using cable radiation as the sole excitation source， and compared with the measured magnetic field values in type tests. Through simulation， it can be seen that the contribution of cables to the magnetic field in the passenger compartment is much lower than the total radiation measured at the same position in the type test. This provides a certain reference for dealing with similar problems.

Keywords： rail vehicles; Feko; low frequency magnetic field; cable radiation

0 引言

近幾年來，國內各主機廠越發重視車輛的電磁兼容仿真分析，低頻磁場問題更是其中的關鍵研究方向。從理論層面分析，客室車輛的低頻磁場激勵源，一方面來源于車下設備，另一方面來自車下功率線纜，其中設備的影響占主導作用。

目前，軌道交通電磁環境的主要研究內容缺乏對問題整體的預測對比，牽引電流的增大確實會增大車廂內低頻磁場的強度等級。文獻[1]對柜內大功率電纜的低頻電磁場分布進行了預測。

本文將現場試驗采集功率線纜的諧波電流值，作為原始輸入仿真線纜的輻射情況，對比整車型式試驗的測試結果，評估線纜輻射量的占比。這便于對該類型仿真分析深度把控。

1 基本原理

本文采用電磁仿真軟件Altair FEKO進行仿真軟件求解計算。FEKO軟件提供的全波數值算法與多導體傳輸線混合求解技術（如MoM/MTL、FEM/MTL、MLFMM/MTL等）是處理包含線纜在內的任意結構體EMC/EMI問題最為成熟和有效的方法，可分析得到空間的電磁場分布以及進入或流出線纜束的端口電流。

2 模型及激勵輸入

2.1 車下線纜網絡建模

基于車輛設計參數并結合布線設計圖紙，搭建車下線纜網絡模型，對試驗線車輛車下線纜布局進行建模還原，如圖1所示。

2.2 線纜激勵數據采集

在上述對應車輛中開展線纜諧波采集試驗，如圖2所示。基于線纜網絡建模階段中對線纜的選取，在車下相應位點安裝電流傳感器，按照磁場強度等級試驗要求的工況運行條件動車。諧波測試設備開啟最大值保持模式，捕獲車輛功率線纜的諧波電流值，作為線纜激勵的原始輸入。

2.3 整車模型處理

結合客室車廂結構模型以及車下線纜網絡模型，并進行一定程度的模型簡化，完成整車低頻磁場仿真模型的搭建。總體來說，車廂結構由車頂、左側墻、右側墻、車廂底板以及電氣柜組成，車底下有牽引電機、逆變器、制動電阻、高壓箱等設備的抽象模型。由于本仿真重點關注線纜的輻射影響，不關注設備箱體的激勵情況，因此，整車模型不對設備箱體內部結構進行建模。同時為了進一步簡化車身3D模型，將蜂窩鋁合金型材側墻簡化為3 cm厚的單塊金屬板，進一步壓縮計算量，如圖3所示。

參考型式試驗位點選取，設置磁場計算位點，后者范圍做到對前者的全覆蓋。

3 仿真與試驗數據對比

通過計算得到不同頻率不同高度的磁場云圖分布情況。通過圖4可知，磁場強度隨客室車廂內監測平面高度的增加快速衰減。本文重點關注0.3 m高度處的磁場情況，如圖5所示。

與車廂內功率設備上方低頻磁場幅值采集如圖6～圖8所示。

通過對比可知，在低頻情況下，車廂內部磁場值實測均在5 nT以上。而對于線纜輻射，在抽樣頻率下的輻射值均在0.1 nT以下，遠小于試驗值。因此，建議在進行低頻磁場仿真時視情況有選擇地考慮車下線纜的影響。

4 結束語

開展工程仿真應注重把握關鍵對象、關鍵問題。軌道車輛低頻磁場仿真作為一個電大尺寸問題，前期的模型簡化處理對后續工作影響深遠。線纜的空間輻射經過線槽以及車體的衰減，相對較為微弱，因此，項目實施過程中應著重關注車載設備的空間輻射指標，并開展相應仿真分析。本文從設計角度出發，通過現場的試驗驗證，論證了本文的內容。

參考文獻

[1] Xie D， Lu J， Lei F， et al. Simulation and analysis of radiated electromagnetic environment from cable in cabin[C]//2013 5th IEEE International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. IEEE， 2013.