牛晨旭 楊辰飛

摘 要：高壓線纜連接動(dòng)車組供電系統(tǒng)中主變壓器以及其他高壓電氣設(shè)備，是主要的電力傳輸線纜。高壓線纜布線不合理以及材質(zhì)選擇不當(dāng)，均會(huì)造成電磁干擾嚴(yán)重的現(xiàn)象，電磁干擾會(huì)影響信號(hào)系統(tǒng)中軌道電路、車上信號(hào)的分析。文章通過(guò)對(duì)所選的三種線槽材料進(jìn)行磁場(chǎng)仿真，利用仿真結(jié)果對(duì)線纜線槽選取合適材質(zhì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高壓線纜；電磁干擾；線纜材質(zhì)

中圖分類號(hào)：TM247 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0073-02

Abstract： High-voltage cable connecting the main transformer and other high voltage electrical equipment in EMU power supply system is the main power transmission cable. The unreasonable wiring of high-voltage cables and the improper selection of materials will cause serious electromagnetic interference， which will affect the analysis of track circuit and vehicle signal in the signal system. This paper simulates the magnetic field of three kinds of wire slot materials， and provides theoretical basis for selecting suitable material of cable slot using the simulation results.

Keywords： high-voltage cable； electromagnetic interference； cable material

引言

高壓電纜是為動(dòng)車組運(yùn)行傳遞所需電能的主要電力傳輸線纜，動(dòng)車組供電系統(tǒng)中主變壓器以及其他高壓電氣設(shè)備都是由高壓線纜連接的。在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，車頂受電弓從接觸網(wǎng)獲取25kV高壓交流電能通過(guò)高壓線纜傳送給主變壓器，變壓器將高壓交流電降壓處理通過(guò)牽引變流器供電線纜為牽引變流器供電。[1]電能經(jīng)過(guò)牽引變流器內(nèi)整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換后，一部分轉(zhuǎn)變成頻率與電壓可調(diào)的交流電，各個(gè)牽引電機(jī)將這部分電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)車組的動(dòng)能，從而牽引整個(gè)列車的運(yùn)行；另一部分在牽引變流器中間環(huán)節(jié)處轉(zhuǎn)換為直流電，并為動(dòng)車組上其它用電設(shè)備提供其正常工作需要的電能。

1 高壓線纜組成

動(dòng)車組高壓電纜的結(jié)構(gòu)主要由導(dǎo)體，內(nèi)屏蔽層，絕緣層，外屏蔽層，屏蔽編織層以及外護(hù)套組成。高壓線纜在傳輸電能的過(guò)程中，內(nèi)屏蔽層中的半導(dǎo)體材料可以與銅導(dǎo)體之間形成等電位，避免由于銅導(dǎo)體表面不光滑引起的電場(chǎng)集中，并且可以與絕緣層良好的接觸，避免銅導(dǎo)體和絕緣層之間發(fā)生局部放電，而外屏蔽層的半導(dǎo)體材料則是為了防止絕緣層和護(hù)套之間的局部放電，因此如果沒有內(nèi)外屏蔽層的半導(dǎo)體材料，絕緣層就有可能被擊穿，從而導(dǎo)致安全事故。[2]屏蔽編織層，即銅屏蔽層，通常在工程中進(jìn)行接地，是導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電流流入大地，起到了屏蔽的效果，除此之外，銅屏蔽層可以在絕緣層之間形成等電勢(shì)，也可避免絕緣層薄弱處被擊穿。[3]

2 線槽對(duì)高壓線纜屏蔽仿真分析

根據(jù)動(dòng)車組內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)要求，高壓線纜中的高壓輸入線從高壓設(shè)備箱到牽引變壓器箱布線時(shí)，為了避免高壓輸入線纜懸置對(duì)其他設(shè)備以及線纜造成影響，布線時(shí)將高壓設(shè)備箱到牽引變壓器箱這部分高壓線纜置于緊鄰的低壓線槽的網(wǎng)絡(luò)傳感類隔艙內(nèi)。

首先保障高壓線纜不對(duì)臨艙的壓力傳感器線纜造成電磁干擾，同時(shí)保證通有低頻大電流的高壓線纜產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)不泄露到外部空間以影響周圍敏感設(shè)備的正常工作，因此在線槽接地良好的前提下，通過(guò)仿真分析線槽的材質(zhì)對(duì)屏蔽的影響進(jìn)而為線槽材質(zhì)選取提供理論依據(jù)。

3 線槽材質(zhì)對(duì)高壓線纜屏蔽影響仿真分析

線槽材質(zhì)的選擇要綜合考慮其價(jià)格、機(jī)械特性、電磁特性等因素。車載線槽通常分為金屬和非金屬兩類，相比非金屬線槽，金屬線槽具有更好的導(dǎo)磁性和電磁兼容特性，因此對(duì)電磁干擾有更好的屏蔽效果。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，干擾頻率在1～100MHz范圍內(nèi)時(shí)，金屬線槽對(duì)電磁干擾防護(hù)是使用非金屬線槽防護(hù)的大約50倍。因此整車布線通常會(huì)選擇金屬線槽。

3.1 仿真設(shè)置

本節(jié)仿真采用鋁，鋼，鐵氧體這三種常見的線槽材質(zhì)。通過(guò)仿真對(duì)比三種不同材質(zhì)線槽對(duì)高壓線纜的屏蔽效果，為后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中線槽的選取提供理論依據(jù)。首先在SolidWorks三維軟件中進(jìn)行高壓線纜和線槽建模，然后將模型導(dǎo)入Ansoft Maxwell電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行仿真。

仿真選用瞬態(tài)場(chǎng)求解器。激勵(lì)源大小設(shè)置為I=600*sin（100*3.14*t）（A），t為系統(tǒng)時(shí)間函數(shù)，電流頻率為50Hz。求解設(shè)置中起始時(shí)間設(shè)置為0s，仿真結(jié)束時(shí)間設(shè)置為0.2s，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.01s。求解域設(shè)置為長(zhǎng)方體求解域且長(zhǎng)方體前后兩面與線槽和線纜截面重合。

3.2 不同材質(zhì)仿真結(jié)果對(duì)比

將線纜線槽的材料設(shè)置為鋁，通過(guò)查詢相關(guān)資料，鋁的相對(duì)磁導(dǎo)率為1.000021。運(yùn)行仿真軟件后，可以得到0-0.2s高壓線纜在電流峰值時(shí)周圍的磁場(chǎng)分布示意圖，如圖1所示。

將線纜線槽的材料設(shè)置為不銹鋼，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1。運(yùn)行仿真軟件后，可以得到高壓線纜在電流最大值時(shí)周圍的磁場(chǎng)分布示意圖，如圖2所示。

將線纜線槽的材料設(shè)置為鐵氧體，其相對(duì)磁導(dǎo)率為1000。運(yùn)行仿真軟件后，可以得到高壓線纜在電流最大值時(shí)周圍的磁場(chǎng)分布示意圖，如圖3所示。

對(duì)不同材質(zhì)線槽的空間磁場(chǎng)分布進(jìn)行對(duì)比分析，由于不銹鋼和鋁的導(dǎo)磁率較低并且接近空氣的導(dǎo)磁率（空氣磁導(dǎo)率近似為1），因此高壓線纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)很均勻的分布在空間內(nèi)，對(duì)臨艙的傳感器線纜有一定影響。[6]由于鐵氧體作為鐵磁性的金屬氧化物具有很高的磁導(dǎo)率，其磁導(dǎo)率大小是空氣磁導(dǎo)率的甚至近千倍甚至更大，線槽空間內(nèi)磁感線分布不再是均勻擴(kuò)散，磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)磁導(dǎo)率很高的鐵氧體材料時(shí)，會(huì)沿著磁阻很小地方分布，所以出現(xiàn)了磁感線終止于線槽中間擋板和線槽底板的現(xiàn)象。[5]

3.3 MATLAB數(shù)據(jù)匯總分析

仿真計(jì)算得到傳感器線纜芯線在不同時(shí)刻的感應(yīng)電流密度數(shù)據(jù)，本文通過(guò)Matlab軟件的數(shù)據(jù)處理功能，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，擬合出感應(yīng)電流密度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。從電流密度變化曲線可以看出，在工頻 （50Hz）時(shí)，磁場(chǎng)在鐵氧體這樣的高磁導(dǎo)率的鐵磁材料中衰減比仿真中運(yùn)用的鋁和不銹鋼材料大很多，傳感器線纜周圍的磁場(chǎng)被充分引導(dǎo)，使得電磁干擾降低。鐵氧體作為典型的吸波材料，其能有效吸收入射的電磁干擾能量，并且將這部分干擾能量轉(zhuǎn)化為熱能和其他形式的能量而損耗掉。[7]

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上三種材質(zhì)的仿真結(jié)果分析可得出以下結(jié)論：由于通有低頻大電流的高壓線纜會(huì)產(chǎn)生很大的干擾磁場(chǎng)，因此線槽和隔板的材質(zhì)需要選擇導(dǎo)磁率較高的金屬材料，這樣的材料更有利于引導(dǎo)和吸收干擾磁場(chǎng)。

由于金屬鋼的導(dǎo)磁率比鋁的高，而且傳輸阻抗相對(duì)較低，因此在對(duì)低頻磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行屏蔽時(shí)，鋼線槽的屏蔽效果要優(yōu)于鋁線槽。但是金屬鋼的密度比鋁的密度大，因此相同結(jié)構(gòu)的鋼質(zhì)線槽的質(zhì)量比鋁質(zhì)線槽大得多，進(jìn)而大大增加了整車的質(zhì)量，影響了動(dòng)車組的牽引和制動(dòng)。鐵氧體材料作為一種具有鐵磁性的金屬氧化物，具有較高的介電性能，該材料通常在高頻時(shí)具有較高的導(dǎo)磁率，并且成本較高，因此在線槽材質(zhì)選擇上作為備選材料。

綜上所述，低頻大電流的高壓線纜在線槽內(nèi)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，在保證其接地良好、與敏感設(shè)備或線纜保持最大距離以及實(shí)際經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，盡可能選擇磁導(dǎo)率高、磁阻小、對(duì)磁場(chǎng)有引導(dǎo)作用的鐵磁性材料制作的屏蔽線槽對(duì)低頻大電流的高壓線纜進(jìn)行磁場(chǎng)隔離屏蔽。

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