CRH3G型動(dòng)車組電磁兼容性的仿真分析

王艷琴 郝明遠(yuǎn) 汪星華 張秋敏 高永亮

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

目前，高速動(dòng)車組大都采用先進(jìn)的大功率變頻變壓逆變器、整流器和各種先進(jìn)的控制系統(tǒng)，運(yùn)行在電氣化鐵路線上，故電磁環(huán)境非常復(fù)雜。高速動(dòng)車組不僅是干擾源，同時(shí)也是潛在的易被干擾的對(duì)象。CRH3G型動(dòng)車組是在CRH3型動(dòng)車組項(xiàng)目的基礎(chǔ)上研發(fā)的時(shí)速250 km的動(dòng)車組。作為一個(gè)新的系統(tǒng)，有必要對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，以達(dá)到各部件最合理布局的目的。

1 CRH3G型動(dòng)車組的電磁環(huán)境介紹

1.1 司機(jī)室過(guò)于密集的電器柜布置

在CRH3型動(dòng)車組中1、8車的ATP(列車自動(dòng)保護(hù))機(jī)柜與綜合電氣柜在車輛尾部放置，遠(yuǎn)離CCU(中央控制單元)、司機(jī)操作臺(tái)。而在CRH3G型動(dòng)車組中ATP、LKJ(列車運(yùn)營(yíng)監(jiān)控裝置)機(jī)柜和綜合電氣柜安置在司機(jī)室后部，臨近CCU，與司機(jī)室操縱臺(tái)、HMI(人機(jī)接口界面)、DMI(車載人機(jī)接口)、司機(jī)室左右電氣柜的距離較近。因此，對(duì)這些設(shè)備的電磁兼容性問(wèn)題需要評(píng)估分析。

1.2 不同電壓等級(jí)線纜由同一入口進(jìn)入綜合柜

在CRH3G型動(dòng)車組上，綜合電氣柜中設(shè)置動(dòng)力單元水泵風(fēng)扇、變壓器油泵風(fēng)扇及牽引通風(fēng)機(jī)的空氣開關(guān)，交流電壓為440 V、60 Hz;同時(shí)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(duì)綜合柜內(nèi)其他較低電壓等級(jí)的線纜和模塊構(gòu)成了潛在的干擾威脅，需要進(jìn)行電磁兼容性評(píng)估分析。在CRH3型動(dòng)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(nèi)。

1.3 靠近轉(zhuǎn)向架傳感器線纜的主變壓器車底布線

在CRH3型動(dòng)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(shè)至車下，后由車體型腔送往主變壓器，車體型腔會(huì)發(fā)揮一定的屏蔽作用。在CRH3G型動(dòng)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(jīng)車體型腔，而是從車下經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向架區(qū)域送至主變壓器的。轉(zhuǎn)向架區(qū)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(jīng)過(guò)對(duì)其它線纜會(huì)造成一定的干擾，需要對(duì)其進(jìn)行電磁兼容性分析。

圖1 轉(zhuǎn)向架附近布線

2 車下布線模型建立

電磁兼容性設(shè)計(jì)主要包括設(shè)備布局設(shè)計(jì)、布線設(shè)計(jì)、屏蔽設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)和濾波設(shè)計(jì)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(duì)車底部位電磁兼容性進(jìn)行深入研究。

2.1 串?dāng)_計(jì)算

根據(jù)傳輸線理論，可得時(shí)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(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗;

Y——單位長(zhǎng)度的并聯(lián)導(dǎo)納。

式中:

R——單位長(zhǎng)度串聯(lián)的電阻;

L——單位長(zhǎng)度串聯(lián)的電感;

C——單位長(zhǎng)度串聯(lián)的電容;

ω——角頻率。

根據(jù)傳輸線理論，電纜兩端電壓和電流之間可通過(guò)鏈參數(shù)矩陣建立聯(lián)系，以對(duì)傳輸線方程進(jìn)行求解。

定義串?dāng)_系數(shù)S為傳感器信號(hào)線近端串?dāng)_電壓UNE與騷擾源電壓US的比值，即

設(shè)高壓布線和傳感器布線屏蔽層末端所連軟辮線的長(zhǎng)度Lp為5 cm，根據(jù)工程布線的相關(guān)數(shù)據(jù)取高壓輸電線長(zhǎng)度L1=10 m，信號(hào)線長(zhǎng)度L2=5 m，終端阻抗采用相同的阻值50Ω。將計(jì)算得到的相關(guān)分布參數(shù)矩陣及根據(jù)工程應(yīng)用所提取的相關(guān)參數(shù)代入仿真計(jì)算軟件，即可計(jì)算傳感器信號(hào)線上的串?dāng)_電壓。

2.2 轉(zhuǎn)向架傳感器布線模型

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向架3軸與4軸的溫度傳感器通過(guò)底板孔進(jìn)入車內(nèi)，沿著車內(nèi)底板線槽進(jìn)入電器柜;3軸的速度傳感器通過(guò)車下線槽沿著標(biāo)記線進(jìn)入BCU(制動(dòng)控制單元)。

圖2 轉(zhuǎn)向架傳感器布線模型

2.3 仿真模型

根據(jù)目前CRH3G型動(dòng)車組的高壓輸電線、傳感器信號(hào)線的布線方式及相關(guān)參數(shù)，建立車底高壓線纜及轉(zhuǎn)向架傳感器線纜之間的相對(duì)位置關(guān)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(hào)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(hào)線屏蔽層的半徑，兩導(dǎo)線中心間距為d。將工程應(yīng)用中所提取的這些參數(shù)值代入仿真軟件，可建立仿真串?dāng)_模型如圖4所示。

圖3 車底高壓線纜及轉(zhuǎn)向架傳感器線纜之間的相對(duì)位置

圖4 軟件仿真串?dāng)_模型

3 仿真分析

3.1 傳感器布線上的串?dāng)_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(hào)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(hào)線上在41 MHz附近出現(xiàn)了一個(gè)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(xiàn)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(hào)線屏蔽層雙端接地時(shí)的串?dāng)_耦合系數(shù)仿真。由圖6可見:在頻率小于10 MHz時(shí)線間串?dāng)_系數(shù)最大為－95 dB，最小為－190 dB;在50 Hz時(shí)，線間串?dāng)_系數(shù)為－168 dB。即，當(dāng)騷擾信號(hào)電壓為25 kV時(shí)，頻率小于10 MHz時(shí)，傳感器信號(hào)線上通過(guò)線間串?dāng)_感應(yīng)的電壓最大值為0.445 V，最小值為7.9μV;在頻率為50 Hz時(shí)，感應(yīng)的干擾電壓值為99.5μV。結(jié)合圖5和圖6可知，傳感器信號(hào)線受高壓輸電線的干擾影響主要在10 MHz以上。

3.2 信號(hào)線長(zhǎng)度對(duì)線間串?dāng)_的影響

圖7為不同傳感器信號(hào)線長(zhǎng)度時(shí)的線間串?dāng)_耦合系數(shù)仿真。由圖7可以看出，隨著傳感器信號(hào)線長(zhǎng)度的增加串?dāng)_隨著增加。串?dāng)_電壓會(huì)隨著導(dǎo)線間分布參數(shù)的變大而增大。所以，在傳輸過(guò)程中應(yīng)盡量減小并行信號(hào)線的長(zhǎng)度，以盡量減小線間串?dāng)_。

圖6 傳感器線屏蔽層串?dāng)_耦合系數(shù)仿真

圖7 不同信號(hào)線長(zhǎng)度時(shí)電纜間的串?dāng)_耦合系數(shù)仿真

3.3 電纜間距對(duì)串?dāng)_的影響

電纜之間的間距與線間串?dāng)_的關(guān)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?dāng)_不斷減小。

兩電纜線的分布參數(shù)與線間距離直接相關(guān)，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(dāng)增大兩電纜線之間的距離有助于減少線間串?dāng)_。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述仿真計(jì)算分析可知，對(duì)于CRH3G型動(dòng)車組的車底布線而言，在電源工作頻率為50 Hz時(shí)，25 kV的高壓輸電線不會(huì)對(duì)速度傳感器、溫度傳感器等的信號(hào)線產(chǎn)生影響。但是，若高壓傳輸線中存在頻率為1 MHz以上的瞬態(tài)騷擾信號(hào)時(shí)，則有可能對(duì)這些傳感器信號(hào)線造成較為嚴(yán)重的影響。

圖8 電纜間距對(duì)串?dāng)_的影響仿真

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