地鐵線(xiàn)纜串?dāng)_仿真分析與測(cè)試驗(yàn)證

謝莉鳳 呂繼方 蔣忠城 楊 穎 王先鋒 張 俊 王遠(yuǎn)騰

(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司技術(shù)中心,412001,株洲; 2.珠海格力電器股份有限公司,519070,珠海；3.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，100192,北京∥工程師)

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地鐵線(xiàn)纜串?dāng)_仿真分析與測(cè)試驗(yàn)證

謝莉鳳1呂繼方2蔣忠城1楊 穎1王先鋒1張 俊1王遠(yuǎn)騰3

(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司技術(shù)中心,412001,株洲; 2.珠海格力電器股份有限公司,519070,珠海；3.北京經(jīng)緯恒潤(rùn)科技有限公司，100192,北京∥工程師)

地鐵車(chē)輛中各種線(xiàn)束之間的相互串?dāng)_問(wèn)題已成為地鐵電磁兼容設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)仿真與測(cè)試相結(jié)合的手段進(jìn)行線(xiàn)纜線(xiàn)束串?dāng)_研究,對(duì)輔助逆變器周?chē)煌?lèi)型的線(xiàn)纜線(xiàn)束進(jìn)行建模,進(jìn)行頻域、時(shí)域及S參數(shù)仿真,并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該仿真方法的正確性與有效性。對(duì)地鐵車(chē)輛線(xiàn)纜線(xiàn)束串?dāng)_進(jìn)行仿真研究,能夠有效指導(dǎo)地鐵的布線(xiàn)設(shè)計(jì),提高地鐵設(shè)計(jì)水平。

地鐵； 線(xiàn)纜線(xiàn)束; 串?dāng)_; 傳輸線(xiàn)

First-author′s address R & D Center,CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地鐵是一種集機(jī)械、電氣及電子設(shè)備于一體的大型裝置,電子電氣系統(tǒng)之間、設(shè)備之間的互連結(jié)構(gòu)復(fù)雜,走線(xiàn)空間小,且采用的電纜種類(lèi)較多,(包括大功率主電路電纜、輔助電纜、控制電纜、信號(hào)線(xiàn)、通信線(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)等),各種線(xiàn)纜線(xiàn)束之間的相互串?dāng)_將使得車(chē)輛電磁環(huán)境變得異常復(fù)雜。這已成為地鐵電磁兼容設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題[1]。

本文將以輔助逆變器輸出電纜線(xiàn)作為干擾源,單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、屏蔽雙絞線(xiàn)作為敏感源,建立仿真模型,得到仿真結(jié)果,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

本仿真是基于電磁仿真軟件EMCstudio v7.0[2]進(jìn)行的。EMCstudio是一款可發(fā)現(xiàn)線(xiàn)纜線(xiàn)束等實(shí)際工程EMC(電磁兼容)問(wèn)題的精確分析工具,可混合使用矩量法、等效源、傳輸線(xiàn)、網(wǎng)格分析、物理光學(xué)等多種方法精確分析復(fù)雜綜合大系統(tǒng)(如車(chē)輛、飛行器、船舶等)的電磁分布、串?dāng)_、耦合、敏感性、電磁干擾衣架虛擬電磁兼容測(cè)試等問(wèn)題。

1 仿真模型建立

綜合考慮該地鐵中線(xiàn)纜線(xiàn)束傳輸信號(hào)類(lèi)型及車(chē)輛布線(xiàn)的實(shí)際情況,選取輔助逆變器輸出電纜線(xiàn)及周?chē)€(xiàn)纜作為研究對(duì)象。串?dāng)_對(duì)象示意圖如圖1所示。

為了使仿真結(jié)果更接近真實(shí)值,對(duì)車(chē)身、輔助逆變器及周邊部件進(jìn)行建模。對(duì)于車(chē)身結(jié)構(gòu)及部件模型的建模,采用從整車(chē)設(shè)計(jì)的三維圖紙中提取車(chē)身模型。為了簡(jiǎn)化仿真時(shí)間,僅保留車(chē)身金屬部分,因?yàn)榉墙饘俨糠謱?duì)電磁干擾的影響非常小。同時(shí)將車(chē)身模型簡(jiǎn)化為無(wú)厚度的金屬表面,這可以大大降低網(wǎng)格數(shù)量[3]。車(chē)體和部件模型如圖2所示。本文主要為線(xiàn)纜串?dāng)_仿真,因此需要考慮線(xiàn)纜兩端的電氣部件。對(duì)于電氣部件，采用黑盒建模的方法建立頻域等效電路模型,通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)試獲得所需模型參數(shù)。該等效模型包含干擾源、源阻抗、終端阻抗,它們都是頻率的函數(shù)。該模型能夠反映出該線(xiàn)纜對(duì)外的總干擾。

圖2 車(chē)體、部件與線(xiàn)束模型

線(xiàn)束模型需要包括線(xiàn)束的結(jié)構(gòu)信息和電氣特性。結(jié)構(gòu)信息包括線(xiàn)束長(zhǎng)度、路徑、布局等。將建立的線(xiàn)束路徑段賦予電氣特性,如線(xiàn)纜數(shù)量、類(lèi)型、線(xiàn)徑、材料等,形成完整的線(xiàn)束模型。對(duì)于本文研究對(duì)象,我們根據(jù)車(chē)輛實(shí)際布線(xiàn)情況,在軟件中按照線(xiàn)束坐標(biāo)手動(dòng)添加線(xiàn)束模型,包括輔助逆變器輸出端口的線(xiàn)束模型和與其平行的線(xiàn)束模型(分別建立1 m長(zhǎng)單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)和屏蔽雙絞線(xiàn)[4],并且與輔助逆變器輸出線(xiàn)束距離約為5 mm),如圖3所示。

圖3 線(xiàn)束模型

在建好的線(xiàn)束模型中添加終端設(shè)備Dv_1、Dv_2、Dv_3,并在仿真軟件中搭建仿真電路,在終端設(shè)備中添加相應(yīng)的激勵(lì)源與終端匹配電阻,并分別建立單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)與屏蔽雙絞線(xiàn)的電路等效模型,如圖4所示。

圖4 仿真電路圖

2 測(cè)試方案

圖5為對(duì)實(shí)車(chē)進(jìn)行線(xiàn)纜串?dāng)_測(cè)試方案圖。測(cè)試時(shí)車(chē)輛的工況為靜止升弓狀態(tài),并開(kāi)啟輔助逆變器及負(fù)載。在測(cè)試中,將電流卡鉗放置在輔助逆變器輸出端口,采集其端口處的射頻電流,同時(shí)使用示波器測(cè)量受擾線(xiàn)上的電壓。此次測(cè)試中,分別使用1 m長(zhǎng)單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、屏蔽雙絞線(xiàn)作為受擾線(xiàn),將其沿輔助逆變器輸出一相平行走線(xiàn),線(xiàn)距約為5 mm。由于車(chē)輛走線(xiàn)已經(jīng)固定,無(wú)法輕易改變其走線(xiàn),故采用上述方法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

圖5 線(xiàn)纜串?dāng)_測(cè)試方案圖

3 測(cè)試結(jié)果分析

3.1 時(shí)域干擾分析

本文所采用的輔助逆變器輸出電壓為50 Hz、380 V,故在仿真時(shí)設(shè)置輔助逆變器輸出終端Dv_1為50 Hz、380 V電壓源與50 Ω輸入阻抗串聯(lián),分別對(duì)單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、屏蔽雙絞線(xiàn)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以看出,單線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合電壓約為9 mV,雙絞線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合電壓約為2.8 mV,屏蔽雙絞線(xiàn)上產(chǎn)生的耦合電壓約為0.35 mV,因而,對(duì)于50 Hz輸出線(xiàn),其對(duì)鄰近線(xiàn)干擾作用很小。

圖6 380 V干擾源仿真結(jié)果

該輔助逆變器的開(kāi)關(guān)頻率為16 kHz,故選用16 kHz 的PWM(脈寬調(diào)制)脈沖源模擬開(kāi)關(guān)噪聲,并將其設(shè)置為最?lèi)毫忧闆r,即PWM占空比接近100%,分別對(duì)輔助逆變器輸出端口1 m平行單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)、屏蔽雙絞線(xiàn)的串?dāng)_進(jìn)行仿真。圖7給出仿真與測(cè)試的對(duì)比圖。從圖7可以看到,仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果符合較好。對(duì)于時(shí)域干擾,開(kāi)關(guān)電源噪聲對(duì)于附近線(xiàn)纜的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于50 Hz周期電壓產(chǎn)生的影響,因此在以后設(shè)計(jì)中,需要對(duì)能夠產(chǎn)生開(kāi)關(guān)變量的部件進(jìn)行重點(diǎn)考慮,對(duì)其周邊線(xiàn)纜線(xiàn)束布局布線(xiàn)進(jìn)行更好的優(yōu)化[5]。

圖7 時(shí)域仿真與測(cè)試對(duì)比圖

3.2 頻域干擾分析

由于實(shí)車(chē)測(cè)試環(huán)境與測(cè)試設(shè)備的限制,無(wú)法對(duì)受擾電纜進(jìn)行頻域干擾測(cè)試,故在本文中僅給出頻域干擾的仿真結(jié)果。使用電流卡鉗采集到的射頻電流源做為仿真干擾源,由于電流卡鉗的測(cè)試范圍為9 k～2 MHz和2 M～30 MHz,故在仿真時(shí)分兩次進(jìn)行,圖8為頻域干擾仿真結(jié)果。對(duì)于同一干擾源,單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)和屏蔽雙絞線(xiàn)上耦合電壓的頻率分布一致,且耦合電壓的大小為：V屏蔽雙絞線(xiàn)

圖8 頻域仿真結(jié)果圖

3.3 頻域S參數(shù)仿真

S參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù),可用于評(píng)估二端口反射信號(hào)和傳送信號(hào)的性能。對(duì)于線(xiàn)纜線(xiàn)束串?dāng)_分析,需要考慮參數(shù)S21(如果以Port1作為信號(hào)的輸入端口,Port2作為信號(hào)的輸出端口,S21參數(shù)為端口1匹配時(shí),端口2到端口1的反向傳輸系數(shù),即插入損耗,代表有多少能量被傳輸?shù)侥康亩薖ort2)。一般來(lái)說(shuō)S21參數(shù)小于-10 dB時(shí),可認(rèn)為無(wú)干擾風(fēng)險(xiǎn)。按照?qǐng)D所示的電路結(jié)構(gòu),建立S參數(shù)的二端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真,仿真頻率范圍為0～30 MHz,得到單線(xiàn)、雙絞線(xiàn)及屏蔽雙絞線(xiàn)的S21值,如圖9所示。從圖9中可以得到,對(duì)于單線(xiàn)在0～30 MHz頻率范圍內(nèi),S21參數(shù)大于-10 dB,故當(dāng)380 V輸出電壓0～30 MHz范圍內(nèi)有較大干擾時(shí),對(duì)鄰近線(xiàn)平行線(xiàn)有干擾風(fēng)險(xiǎn);對(duì)于雙絞線(xiàn),在30 MHz以?xún)?nèi),S21參數(shù)均小于-10 dB,雙絞線(xiàn)的抗擾性能比單線(xiàn)好;對(duì)于屏蔽雙絞線(xiàn),S21參數(shù)在30 MHz范圍內(nèi)很小,屏蔽和雙絞均提高了傳輸線(xiàn)的抗擾性能。

圖9 S參數(shù)仿真結(jié)果圖

3.4 相關(guān)措施

通過(guò)上述仿真分析可知,屏蔽雙絞線(xiàn)的抗干擾能力最好,雙絞線(xiàn)次之,單線(xiàn)最差,因此在地鐵線(xiàn)纜設(shè)計(jì)時(shí),為了減少線(xiàn)纜間的串?dāng)_,需考慮線(xiàn)纜所在的電磁環(huán)境及所傳輸信號(hào)的屬性。在地鐵線(xiàn)纜線(xiàn)束布線(xiàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中,可采用如下措施[6]:

(1) 根據(jù)電纜應(yīng)用的電壓等級(jí)、功率及傳輸信號(hào)特點(diǎn)對(duì)電纜進(jìn)行分類(lèi);

(2) 對(duì)于不同類(lèi)別的電纜盡可能分開(kāi)布置;

(3) 對(duì)于傳輸高頻及敏感信號(hào)的線(xiàn)纜應(yīng)進(jìn)行屏蔽,且屏蔽層應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)接地。

(4) 對(duì)于強(qiáng)干擾線(xiàn)纜線(xiàn)束(如輔助逆變器、牽引逆變器等輸入輸出線(xiàn))周邊布線(xiàn),可在設(shè)計(jì)時(shí)利用仿真計(jì)算出周邊線(xiàn)纜線(xiàn)束的串?dāng)_大小,從而確定周邊線(xiàn)纜線(xiàn)束的布線(xiàn)位置及線(xiàn)纜線(xiàn)束類(lèi)型,提高布線(xiàn)水平,減少車(chē)輛成型后布線(xiàn)整改問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)線(xiàn)纜線(xiàn)束間的串?dāng)_研究,能夠得到線(xiàn)纜線(xiàn)束在電子電氣設(shè)備中帶來(lái)的干擾大小,從而為抑制這些干擾、正確使用各種線(xiàn)纜線(xiàn)束及合理布線(xiàn)提供可靠的依據(jù)。本文對(duì)地鐵中特定的線(xiàn)纜線(xiàn)束進(jìn)行了建模、仿真,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,該方法能夠較準(zhǔn)確、快速地計(jì)算出線(xiàn)纜線(xiàn)束間的串?dāng)_,對(duì)地鐵布線(xiàn)及排除故障具有指導(dǎo)意義。

[1] 邵志江.線(xiàn)纜線(xiàn)束串?dāng)_的時(shí)域特性研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2010.

[2] 呂繼方,蔣忠城,謝莉鳳,等.地鐵電磁兼容性的多級(jí)聯(lián)合仿真[J].城市軌道交通研究,2014,17(6):121.

[4] Clayton R.Paul.電磁兼容導(dǎo)論[M].聞?dòng)臣t,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[5] 李國(guó)鋒,王肅清.電磁兼容技術(shù)在機(jī)車(chē)變流器布線(xiàn)中的應(yīng)用[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2008,9(5):27.

[6] 李華祥.電磁兼容在電力機(jī)車(chē)布線(xiàn)中的設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛,2008,28(1):9.

Simulation Analysis and Test Verification of Metro Cable CrosstalkXIE Lifeng, LYU Jifang, JIANG Zhongcheng, YANG Ying, WANG Xianfeng, ZHANG Jun, WANG Yuanteng

In metro vehicle electromagnetic and capacity design, the cable crosstalk has become a serious problem.In this paper, simulation and experiment test are used in cable crosstalk research, different types of cable around the auxiliary inverter are modeled. Then, the time domain, frequency domain andSparameter are simulated to verify the effectiveness of this method. The result shows that the simulation could effectively guide the wiring design and enhance the design level for metro cable crosstalk.

metro; cable; crosstalk; transmission line

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.05.017

2014-09-02)