船用三相電纜電磁干擾傳輸特性研究＊

王 林 王東東 劉 義

（1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）（2.電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國艦船研究中心 武漢 430064）

船用三相電纜電磁干擾傳輸特性研究＊

王 林1王東東2劉 義2

（1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）（2.電磁兼容性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國艦船研究中心 武漢 430064）

論文通過對典型船用電力電網(wǎng)的建模與仿真，獲得了干擾源時(shí)變脈沖在電網(wǎng)中的共模傳導(dǎo)特性，分析了電纜長度、脈沖前沿和對地分布電容等主要參量變化對電纜傳導(dǎo)電磁干擾的影響程度。研究結(jié)果表明：電纜在傳輸高頻脈沖時(shí)會(huì)產(chǎn)生畸變，電纜越長畸變越嚴(yán)重?？刂泼}沖前沿和電纜對地電容可有效抑制電纜對電磁干擾的傳輸。

船用電力電網(wǎng)；共模傳導(dǎo)特性；電磁干擾

Class NumberTM15

1 引言

相較于以往船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，當(dāng)今船舶設(shè)計(jì)較明顯的變化是裝備的成套電力與電子變流設(shè)備和裝置的數(shù)量和功率有較大增加［1］。大量使用大功率電力電子變流設(shè)備，一方面能夠大幅提高船舶在動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)、探測等方面的性能，另一方面對船舶電力電網(wǎng)性能提出了更大的考驗(yàn)。工作在非線性開關(guān)狀態(tài)下的電力電子開關(guān)器件不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種電磁干擾，而這些產(chǎn)生的電磁干擾又會(huì)通過船上的電力電纜傳播到各個(gè)用電設(shè)備上，對整船電磁兼容性產(chǎn)生影響，由此可能對船舶的安全性和功能性構(gòu)成一定威脅［2～4］。因此，研究船載電力電網(wǎng)系統(tǒng)中電纜的電磁干擾傳輸特性意義重大。

2 三相電纜電磁干擾傳導(dǎo)模型

船載電力電網(wǎng)系統(tǒng)中常用電纜為三芯電纜，通常還帶有屏蔽層或金屬護(hù)套［5］。對于此類多導(dǎo)體傳輸線系統(tǒng)，可以分別通過法拉第定律和電荷連續(xù)性方程推導(dǎo)出多導(dǎo)體傳輸線方程：

若能得到這樣的矩陣，使得T－1VZTI以及T－1IZTV都對角化，即

則可以實(shí)現(xiàn)多導(dǎo)體線纜方程解耦，并且容易數(shù)值求解。為求得以上方程可以構(gòu)造矩陣

求解該矩陣，可以得到未知系數(shù)I＋m和I－m。將I＋m和I－m代入到方程（4），則可以求解任意線纜處的電壓和電流響應(yīng)。

3 三相電纜結(jié)構(gòu)及其共模干擾等效電路

在三相長電纜兩端增加脈沖源以及負(fù)載后，并考慮對地分布電容，則三相長電纜結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在考慮三相電纜共模干擾模型時(shí)，在將源端和負(fù)載端的對地分布電容考慮在內(nèi)時(shí)，其等效電路如圖2所示。

圖1 三相電纜終端結(jié)構(gòu)

圖2 三相電纜共模傳導(dǎo)干擾等效電路

4 仿真分析

4.1 仿真條件

三相電纜共模傳導(dǎo)仿真電路如下所示，包括三相電纜的PSpice等效參數(shù)電路模型、激勵(lì)源和電機(jī)模型。在三相電路，分布電容設(shè)定為3nF。

圖3 三相電纜與電機(jī)共模傳導(dǎo)仿真電路

由于三相電路中共模干擾源電壓可以為正脈沖或負(fù)脈沖，因此假設(shè)脈沖激勵(lì)源波形如圖4所示。正負(fù)脈寬各10μs，脈沖前后沿均為0.2μs，仿真時(shí)長40μs。

圖4 脈沖激勵(lì)源波形

4.2 仿真結(jié)果

以下分別假設(shè)三相電纜長度為2m、20m和200m，通過仿真得到電纜始端和終端的屏蔽層電流波形如圖5所示。三相電纜長度為20m時(shí)，電纜始端和終端的屏蔽層電流仿真結(jié)果如圖6所示。

圖5 三相電纜長度為2m時(shí)仿真圖

圖6 三相電纜長度為20m時(shí)仿真圖

三相電纜長度為200m時(shí)，電纜始端和終端的屏蔽層電流仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 三相電纜長度為200m時(shí)仿真圖

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以看出：電纜長2m時(shí)，源端電流峰值為8.34A，終端為7.57A，衰減0.84dB；電纜長20m時(shí)，源端電流峰值為8.81A，終端為6.57A，衰減2.55dB；電纜長200m時(shí)，源端電流峰值為8.6A，終端為1.66A，衰減14.3dB。

以下將200m長電纜的源電壓脈沖中的正脈沖前／后沿從0.2μs減小到0.1μs，負(fù)脈沖前／后沿保持0.2μs不變，得到屏蔽層電流波形如圖8所示。

圖8 三相電纜長度為200m，脈沖上升沿從0.2μs減小到0.1μs后仿真圖

從上圖中的時(shí)域波形可以看出，對于正脈沖，源端屏蔽層電流從原來的8.61A增大到14.66A；負(fù)載端屏蔽層電流從原來的1.66A減小到1.32A。

假設(shè)源端和負(fù)載端對地分布電容從原來的3nF增大到300nF，仿真得到的屏蔽層電流波形如圖9所示。

圖9 三相電纜長度200m，源端和負(fù)載端對地分布電容從原來的1nF增大到100nF后仿真圖

從圖9可以看出，源端和負(fù)載端對地分布電容增大為原來的100倍后，始端屏蔽層電流幅度從原來的8.61A增大到42A，負(fù)載端電流從原來的1.66A增大到39.4A。

5 結(jié)語

根據(jù)以上船用三相電纜電磁干擾傳輸特性仿真得到以下結(jié)論：

1）當(dāng)電纜終端連接電機(jī)以傳遞電壓脈沖時(shí)，由于高頻條件下電纜阻抗與電機(jī)阻抗、脈沖源阻抗難以匹配，會(huì)使電機(jī)側(cè)的電壓波形出現(xiàn)畸變。畸變程度與反射系數(shù)、電纜長度、脈沖前沿有關(guān)。

2）三相電纜源端和負(fù)載端對地分布電容為數(shù)nF至數(shù)十nF時(shí)，屏蔽層（地回路）耦合電流僅在源端電壓脈沖上升沿和下降沿時(shí)出現(xiàn)，且衰減較快；當(dāng)互聯(lián)電纜兩端對地電容達(dá)到百nF量級時(shí)，共模電流持續(xù)時(shí)間將超過10μs，與源端電壓脈沖寬度基本相等。因此，在設(shè)備上船后，應(yīng)控制長電纜兩端單相對地電容在100nF以內(nèi)。

3）脈沖前沿越快，即電源的du／dt越大，對電纜始端分布電容的充電電流c·du／dt越大，因此在始端屏蔽層（地回路）中的電流越大。脈沖前沿每減小一半，始端屏蔽層（地回路）電流增大一倍；終端屏蔽層（地回路）電流基本不變。

4）針對船上電力電子設(shè)備，應(yīng)盡量保證開通和關(guān)斷時(shí)間應(yīng)不低于200ns，以有效控制共模電流的幅度，同時(shí)避免電纜磁場輻射發(fā)射對射頻設(shè)備構(gòu)成干擾。

［1］L.Ran，S.Gokani，J.Clare，et al.Conducted electromagnetic emissions in inductionmotor drive systems.Ⅱ.Frequency domain models［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13（4）：768－776.

［2］羅昉.三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電磁干擾及其高功率密度濾波方案研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)博士論文，2010.

［3］Henry W.Ott.Noise reduction techniques in electronic system［M］.Second edition.New Jersey：Published by Livingston Inc.，2012.

［4］See，K.Y.Network for conducted EMI diagnosis［J］.Electronic Letters，2009，35（17）：1446－1447.

［5］Ting Guo，Chen D.Y，Lee RC.Separation of the common－mode and differential－modeconducted EMI noise［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2010，11（3）：480－488.

Studyof EMI Transmission Characteristic of Marine Cable

WANG Lin1WANG Dongdong2LIU Yi2
（1.Navy Representative Office in 701Research Institute，Wuhan 430064）（2.The National Key Laboratory of EMC，China Ship Development and Design Centre，Wuhan 430064）

In this paper，the interference sources time－varying impulse common－mode transmission characteristics in power grid are obtained through modeling and simulation of a typical marine electric power grid.The influence degree of EMI transmission is analyzed through the cable when cable length，pulse front，distributed capacitance changed.The results show that distortion can be created when cable transmite high frequency pulse and the longer the more serious the distortion.Control pulse front and cable to ground capacitance can effectively inhibit EMI transmission.

marine power grid，common－mode transmission characteristics，EMI

TM15DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.045

2015年5月7日，

2015年625月 日

王林，男，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化工程。