郭樹楷 呂 哲 馬通邊

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十三研究所，山西太原030006；2.電磁防護(hù)技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030006）

0 引言

高速動車組在運(yùn)行中，由于牽引系統(tǒng)的工作電壓高、電流大，會產(chǎn)生比較明顯的低頻電磁騷擾；牽引供電系統(tǒng)工作時伴有整流、逆變等非線性過程，會產(chǎn)生幅度很大、頻帶很寬的脈沖干擾；此外，牽引電流中還包含了豐富的諧波和高頻成分，使得騷擾源的頻率延續(xù)到射頻頻段。這都會對機(jī)車上的微電子系統(tǒng)造成干擾，其中，最重要的耦合路徑是分布在機(jī)車中的電纜[1]。強(qiáng)輻射場在電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，通過電纜對弱信號的傳輸造成干擾，會導(dǎo)致信號失常或失靈。因此，有必要研究電纜在強(qiáng)輻射場下的感應(yīng)電壓和電流及其消除方法，以保證弱信號正常和機(jī)車安全。

1 實(shí)驗(yàn)原理

電纜在空間強(qiáng)輻射場環(huán)境中，其芯線會感應(yīng)出電壓，產(chǎn)生耦合電流。其原理是：屏蔽層的表面電流通過轉(zhuǎn)移阻抗或者轉(zhuǎn)移導(dǎo)納在屏蔽層形成的傳輸回路上感應(yīng)出分布電壓，進(jìn)而在電纜芯線上產(chǎn)生耦合電流[2]。利用傳輸線模型，將電纜分解為內(nèi)外兩個傳輸線系統(tǒng)對其進(jìn)行分析。外傳輸線系統(tǒng)由屏蔽層與機(jī)車殼體（大地）組成，內(nèi)傳輸線系統(tǒng)由屏蔽層與芯線組成。首先計算外傳輸線系統(tǒng)中屏蔽層電流及電壓響應(yīng)，通過轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納計算得到內(nèi)傳輸線系統(tǒng)的分布電壓和激勵電流，最終得到電纜芯線在外部強(qiáng)輻射場下的響應(yīng)[3]。

1.1 強(qiáng)輻射場表達(dá)形式

假定強(qiáng)輻射場照射屏蔽電纜時的入射電磁場為平面波，其入射方向n?與電纜徑向z?的夾角為α，電場E的方向?yàn)殡姶挪ㄈ肷浞较蚺c電纜徑向構(gòu)成的平面內(nèi)。則強(qiáng)輻射場可表示為：

式中，E0為幅度系數(shù)。

介質(zhì)中的相移常數(shù)k3與波阻抗η3分別為：

其中，z3=jωμ3，y3=σ3+jωε3。

1.2 電纜屏蔽層耦合電流

通過屏蔽層和大氣結(jié)合處的電磁場邊界條件可以獲得屏蔽層耦合電流。當(dāng)電纜較長時，邊界條件為：

其中，Zb′b′為屏蔽層外表面阻抗；Zb′a為屏蔽層外表面到內(nèi)表面轉(zhuǎn)移阻抗。由于芯線的耦合電流遠(yuǎn)小于屏蔽層外表面耦合電流，計算時忽略芯線耦合電流。

入射電磁波在屏蔽電纜表面會發(fā)生散射，散射場與入射場的迭加場構(gòu)成屏蔽層的總電磁場。其邊界條件為：

1.3 芯線耦合電流

芯線上的耦合電流是因?yàn)殡娎|上的分布電壓E（z），是表面耦合電流的函數(shù)。引入屏蔽層外表面到內(nèi)表面的轉(zhuǎn)移阻抗Zb′a，其表達(dá)式為：

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

試驗(yàn)中，采用6 m×1.5 m的金屬銅板模擬機(jī)車殼體。電纜為單導(dǎo)體傳輸線，一端端接50 Ω負(fù)載，另一端端接頻譜分析儀，用于觀察電纜耦合的頻譜成分。電纜與銅板平行，實(shí)驗(yàn)電纜的長度為：5 m、3 m、1 m；接地方式為：不接地、單端接地、兩端接地；屏蔽方式為：裸線（不屏蔽）、屏蔽線。外部強(qiáng)輻射場為50 V/m。試驗(yàn)設(shè)備有：信號源、功率放大器、頻譜儀、場強(qiáng)儀、場強(qiáng)探頭。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同長度電纜的耦合電流

如圖1所示，非屏蔽電纜芯線上的感應(yīng)電流隨著長度增加而增大。電纜中最大感應(yīng)電流與輻照頻率相關(guān)，較長的電纜在低頻時就可感應(yīng)出較大的電流。

圖1 不同長度電纜的耦合電流

3.2 不同接地方式的耦合電流

如圖2所示，不同的接地方式其芯線上的感應(yīng)電流在兩端接地時明顯小于單端接地。單端接地時，接地端的耦合電流要明顯小于另一端。

圖2 不同接地方式的耦合電流

3.3 不同屏蔽材料的耦合電流

如圖3所示，不同屏蔽材料的電纜其芯線上的感應(yīng)電流差異較大，鐵質(zhì)單層87%編織和鍍銀屏蔽熱縮管的屏蔽效能大體相當(dāng)，而鋁制屏蔽電纜的屏蔽效能較低。

圖3 不同屏蔽材料的耦合電流

4 結(jié)語

本文模擬了列車上信號電纜在機(jī)車受電過程中產(chǎn)生的強(qiáng)輻射場條件下的電纜耦合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明：屏蔽電纜可以有效減小外部強(qiáng)輻射場在電纜上的耦合電壓和耦合電流。實(shí)際使用中，應(yīng)綜合考慮頻率、電纜長度、信號大小選擇合適的電纜。屏蔽電纜在安裝時，應(yīng)采取360°環(huán)接的形式，并做好兩端接地，必要時應(yīng)多點(diǎn)接地。機(jī)車中應(yīng)采用屏蔽熱縮管對電纜進(jìn)行屏蔽，這是因?yàn)榫W(wǎng)狀屏蔽層的屏蔽絲可能刺破電纜造成短路，引起安全風(fēng)險。同時，屏蔽熱縮管使用時兩個端口需要特別處理，才能保證電纜的屏蔽效能最好。

[1]程引會，周輝，李寶忠，等.不同電磁脈沖對細(xì)導(dǎo)線的耦合[J].強(qiáng)激光與粒子束，2000，12（1）：91-94.

[2]郭琳.空間電磁場對屏蔽電纜電磁干擾機(jī)理的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2003.

[3]衣斌，王澤忠.屏蔽電纜參數(shù)計算及屏蔽層與芯線間的串?dāng)_[J].高電壓技術(shù)，2008，34（4）：804-808.