動(dòng)車組線槽內(nèi)通信線纜電磁輻射干擾分析

劉洋

(大連交通大學(xué) 現(xiàn)代軌道交通研究院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

高速動(dòng)車組與普通的電力機(jī)車相比，具有牽引設(shè)備更多、牽引功率更大、電氣設(shè)備密度更高等特點(diǎn).其中，主斷路器、主變壓器、濾波電抗器、主變流器、各種輔助電機(jī)、牽引電動(dòng)機(jī)、控制電源、冷卻風(fēng)機(jī)等大功率設(shè)備共同存在于有限的空間中，這些高功率器件的電磁發(fā)射無(wú)疑成了主要的電磁輻射干擾源[1].在復(fù)雜電磁環(huán)境中，動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制通信線纜就會(huì)成為外界電磁能量的收集器，干擾會(huì)在線纜中激勵(lì)起瞬態(tài)電流和電壓，從而影響動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和有效性.雖然動(dòng)車組通信線纜在布線時(shí)大部分敷設(shè)在線槽內(nèi)，但由于通風(fēng)、散熱、走線的需要，線槽上都開(kāi)有形狀各異、尺寸不同的孔縫，它們將成為外來(lái)電磁輻射直接耦合的通道，并引起通信線纜上的電磁干擾.因此，精確預(yù)測(cè)線槽內(nèi)的電磁場(chǎng)分布，以及通信線纜上的耦合響應(yīng)是十分重要的.

本文將線槽看做矩形屏蔽腔，采用等效源原理，借助孔縫上的等效磁流源作為中間量，求解線槽內(nèi)耦合電場(chǎng)及通信線纜上電磁耦合響應(yīng).并對(duì)影響線槽內(nèi)通信線纜輻射干擾的因素進(jìn)行仿真分析，研究有助于動(dòng)車組網(wǎng)絡(luò)控制通信線纜的線槽和布線設(shè)計(jì).

1 通信線纜輻射耦合模型

動(dòng)車組通信線纜均采用屏蔽雙絞線，現(xiàn)將空間電磁脈沖EMP與通信線纜的耦合問(wèn)題分解成如下兩個(gè)傳輸線系統(tǒng)進(jìn)行分析[2]：一是由線纜屏蔽層與芯線組成的內(nèi)傳輸線系統(tǒng)；二是由線纜屏蔽層與地平面組成的外傳輸線系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 空間電磁場(chǎng)照射下屏蔽雙絞線耦合模型

通信線纜輻射耦合計(jì)算流程可概括如下：

第一步，計(jì)算出外傳輸線系統(tǒng)在空間EMP激勵(lì)下的屏蔽層電流響應(yīng)；

第二步，將上一步求解出來(lái)的電流與屏蔽層的轉(zhuǎn)移阻抗相乘，從而求得內(nèi)傳輸線系統(tǒng)的分布電壓激勵(lì)源；

第三步，求解分布源激勵(lì)下的內(nèi)傳輸線系統(tǒng)方程，從而最終得到線纜芯線在空間EMP作用下的響應(yīng).

2 輻射耦合響應(yīng)求解

2.1 基于Agrawal模型的屏蔽層電流響應(yīng)

本文選用Agrawal模型對(duì)動(dòng)車組通信線纜的電磁耦合進(jìn)行分析研究，其傳輸線方程為：

(1)

傳輸線上電流分布可以用格林函數(shù)來(lái)表示[3]：

(2)

格林函數(shù)GI寫(xiě)成如下形式：

沿線的分布電壓源為：

式中，θ為入射角，且ψ+θ=π/2；φ為方位角；α為極化角；k=2π/λ，kd?1.

終端負(fù)載集總電壓源V1，V2分別如下所示：

(5)

(6)

將上述結(jié)果代入式(2)中，即可得到屏蔽層上的電流響應(yīng).

2.2 編織屏蔽體轉(zhuǎn)移阻抗

目前動(dòng)車組控制網(wǎng)絡(luò)中使用的通信線纜釆用編織網(wǎng)狀屏蔽層.描述編織層結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括：編織體半徑a，編織層中每根編織線的直徑d，編織的股數(shù)B，每股中的導(dǎo)線數(shù)n，編織結(jié)距p，編織角α，編織覆蓋率K.

轉(zhuǎn)移阻抗計(jì)算公式如下[4]：

ZT=Zd+jωM12

(7)

式中，Zd為散射阻抗;互感M12為穿越菱形縫隙的磁通產(chǎn)生.

散射阻抗近似為：

(8)

編織線纜的互電感近似值為：

2.3 芯線輻射耦合響應(yīng)

根據(jù)前面計(jì)算的屏蔽層電流響應(yīng)I(x)和轉(zhuǎn)移阻抗ZT，得內(nèi)傳輸線系統(tǒng)的分布電壓源為：

(10)

外場(chǎng)激勵(lì)下的通信線纜輻射耦合響應(yīng)FDTD迭代公式為：

(11)

3 帶孔線槽內(nèi)耦合電場(chǎng)計(jì)算

通過(guò)前面分析可知，要求解線槽內(nèi)通信線纜芯線輻射耦合響應(yīng)，需計(jì)算線槽內(nèi)耦合電場(chǎng).

3.1 等效磁流源模型

動(dòng)車組常用線槽上均為寬孔，即長(zhǎng)寬比小于10大于等于1，為了簡(jiǎn)化分析，孔的形狀選取為矩形孔，采用三角脈沖基函數(shù)法TPF[4- 6]，求孔上的等效磁流.

寬孔上的等效磁流可表示為[5]：

(12)

(13)

式中，Mxpq和Mypq為待定系數(shù).

Ψpq(x,y)=Tp(x-xa)Pq(y-yb)

Φpq(x,y)=Pp(x-xa)Tq(y-yb)

孔長(zhǎng)為l，孔寬為w；P，Q分別為剖分孔長(zhǎng)和寬的個(gè)數(shù)，Δx=l/p，Δy=w/Q分別為孔網(wǎng)格剖分后的小網(wǎng)格的長(zhǎng)、寬；定義Tp(t)和Pq(t)為三角函數(shù)和脈沖函數(shù).

3.2 等效磁流源及內(nèi)部耦合電場(chǎng)的確定

利用矩形腔體的并矢格林函數(shù)[6]，可得腔內(nèi)耦合電場(chǎng)為：

sin(kyny)sin(kmn(z+c))

(14)

cos(kyny)sin(kmn(z+c))

(15)

sin(kxmx)sin(kyny)cos(kmn(z+c))

(16)

由文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[7]可得，腔內(nèi)耦合磁場(chǎng)Hinner(-M)和孔上的等效磁流的散射磁Hsca(M)根據(jù)總的磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量在孔縫上的切線分量必須連續(xù)，即：

ez×|Hsca(M)+Hinc|=ez×Hinner(-M),z=0

(17)

對(duì)上式利用伽遼金方法可解出等效磁流的待定系數(shù)Mxpq和Mypq，進(jìn)而求出等效磁流源及線槽內(nèi)耦合電場(chǎng). 之后，由式(11)即可求得通信線纜上的耦合響應(yīng).

4 仿真及結(jié)果分析

通過(guò)求解可知，空間電磁場(chǎng)耦合到矩形腔內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度與平面電磁波的入射方向和孔縫的尺寸等有關(guān)，且間接地影響矩形屏蔽腔內(nèi)置線纜的電磁耦合響應(yīng).

選用動(dòng)車組上的典型通信線纜線槽，建立如圖2所示的仿真模型.其中，矩形線槽的腔體尺寸為1 000 mm×388 mm×178.5 mm，壁厚t=1.5 mm，觀測(cè)點(diǎn)P坐標(biāo)(500，194，-75)位于腔體中心，設(shè)置有電場(chǎng)探頭.內(nèi)置通信線纜長(zhǎng)度為900 mm，距帶孔平面75 mm.平面波激勵(lì)源為雙指數(shù)脈沖，取E0=10 kV/m為文獻(xiàn)[8]中測(cè)得弓網(wǎng)離線最大輻射騷擾值，k=1.2，α=2×109s-1，β=7×108s-1，上升時(shí)間為0.001 67 us，下降時(shí)間為0.025 us.

圖2 仿真模型

(1)極化方向的影響

在平面波垂直入射平面上開(kāi)4×6個(gè)長(zhǎng)方形孔，孔的尺寸為32 mm×18 mm.平面波的入射角為0°，方位角為0°，分別取極化角為0°(電場(chǎng)極化方向與孔的長(zhǎng)邊垂直)和90°(電場(chǎng)極化方向與孔的長(zhǎng)邊平行)進(jìn)行仿真，并變換到頻域.

由圖3可以看出，當(dāng)電場(chǎng)極化方向與長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)邊平行時(shí)，耦合進(jìn)入矩形線槽的電場(chǎng)強(qiáng)度較小，衰減下降了大約10 dB；而當(dāng)電場(chǎng)極化方向與長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)邊垂直時(shí)，線槽的屏蔽效果最差.據(jù)此可推斷，極化方向與矩形孔的長(zhǎng)邊夾角越小，線槽的屏蔽效果越好.產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：電場(chǎng)極化方向與長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)邊垂直時(shí)開(kāi)孔截?cái)嗑€槽表面電流分布的作用更加顯著，屏蔽體的散射場(chǎng)與入射場(chǎng)不能抵消，屏蔽體渦流反磁場(chǎng)的屏蔽作用減弱.

圖3 觀測(cè)點(diǎn)P處的場(chǎng)強(qiáng)

(2)孔長(zhǎng)、寬尺寸的影響

平面波的入射角為0°，方位角為0°，極化角為0°(電場(chǎng)極化方向與孔的長(zhǎng)邊垂直).分兩種情況進(jìn)行分析：

情況一：長(zhǎng)方形孔的寬度不變，只改變其長(zhǎng)度，分別為size1=32 mm，size2=52 mm，size3=72 mm和size4=92 mm.由圖4可以看出，隨著長(zhǎng)邊的增大，線槽內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，大約為2～3 dB.

圖4 觀測(cè)點(diǎn)P處的場(chǎng)強(qiáng)

情況二：長(zhǎng)方形孔的長(zhǎng)度不變，只改變其寬度，分別為size1=18 mm，size2=22 mm和size3=26 mm.

由圖5可以看出，寬度改變時(shí)，線槽內(nèi)耦合的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不明顯.

圖5 觀測(cè)點(diǎn)P處的場(chǎng)強(qiáng)

(3)孔陣數(shù)量的影響

平面波的入射角為0°，方位角為0°，極化角為0°(電場(chǎng)極化方向與孔的長(zhǎng)邊垂直).保持開(kāi)孔總面積不變(面積為2 880 mm2)，將尺寸為30 mm×4 mm的孔沿長(zhǎng)邊方向n等分，這里取n=1,3,5.由圖6可以看出，在開(kāi)孔總面積不變時(shí)，隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加耦合到線槽內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱.

圖6 觀測(cè)點(diǎn)P處的場(chǎng)強(qiáng)

5 結(jié)論

(1)在動(dòng)車組通信線纜線槽的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不論哪種開(kāi)口方向都破壞了線槽的表面電流分布，因此，合理開(kāi)孔的方向設(shè)計(jì)是提高線槽電磁兼容性的良好辦法.通常情況下線槽上的開(kāi)孔方向還要與線纜敷設(shè)方向相同；

(2)對(duì)于矩形孔來(lái)說(shuō)，與電場(chǎng)極化方向垂直的邊長(zhǎng)變化，對(duì)線槽屏蔽效果的影響更大；

(3)在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量增加線槽的開(kāi)孔數(shù)量.但這并不意味著隨著開(kāi)孔數(shù)量的增加，線槽內(nèi)耦合的電場(chǎng)可一直減小，當(dāng)孔的數(shù)量增加到一定程度后，線槽內(nèi)耦合電場(chǎng)衰減程度也將逐漸降低，因此進(jìn)行線槽設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況綜合考慮.