高 暢 李重陽 楊 明 武玉新 康麗齊 高 雅

(1. 中車長春軌道客車股份有限公司工程技術(shù)中心， 130062， 長春；2. 長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司， 130062， 長春∥第一作者， 高級工程師)

CR400BF智能型動車組是我國高速鐵路復(fù)興號的車型之一，它采用單弓受流方式，由受電弓從接觸網(wǎng)接收25 kV/50 Hz單相交流電，通過帶有接地開關(guān)的真空斷路器傳輸給牽引變壓器，牽引變壓器降壓輸出1 500 V單相交流電供給牽引輔助變流器，脈沖整流器將單相交流電變換成直流電，經(jīng)中間直流電路將DC 2 600～3 000 V的直流電輸出至牽引逆變器，為其提供電能，并對牽引電機進行變頻調(diào)速，進而將驅(qū)動力矩通過帶過載保護裝置的柔性聯(lián)軸節(jié)傳遞給輪對，驅(qū)動列車運行，如圖1所示。CR400BF智能型動車組采用大功率IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)構(gòu)成的牽引系統(tǒng)。

注：M為電機； Tp為帶受電弓的拖車； Mh為帶殘疾人設(shè)施的動車； Mb為帶餐吧設(shè)施的動車。圖1 CR400BF智能型動車組牽引系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of CR400BF intelligent EMU traction system

CR400BF智能型動車組牽引系統(tǒng)采用150平硅橡膠絕緣耐高溫動力電纜來承載中間直流環(huán)節(jié)電壓(DC 2 700～3 600 V)。該電纜自由、平行地布設(shè)在鋁合金車底三角型腔中，且僅在端部設(shè)備處對其進行固定，沒有多余的活動量，以防其在動車運行中發(fā)生拉伸或磨擦，并且防止其在無支撐的狀態(tài)下被拉伸過長。動力電纜所產(chǎn)生的磁場強度對車內(nèi)環(huán)境、旅客舒適度、車下設(shè)備運行都存在著間接影響。采用ANSYS有限元分析軟件中的靜磁場分析功能對動車組車體建立模型，分析動力電纜的磁場分布[1]。

1 CR400BF智能型動車組車體模型的建立

動車組車體模型的建立包括參數(shù)定義、實體建模和劃分網(wǎng)絡(luò)。以CR400BF智能型動車組為模板建立車體模型，如圖2所示。車體材料采用以鎂和硅為主、Mg2Si為主要強化項的6系鋁合金型材，三角型腔采用厚6.7 mm的6系鋁合金型材。車體材料的工藝性能較好，便于焊接。

圖2 CR400BF智能型動車組車體模型Fig.2 Car body model of CR400BF intelligent EMU

因動力電纜的導(dǎo)體材料、橫截面形狀和尺寸在線路中的確定性，以及動力電纜與型腔中相對位置的穩(wěn)定性，并且在布設(shè)路徑中周圍介質(zhì)未隨著運動和時間有所變化，因此，可將動力電纜稱為均勻傳輸線。為了便于研究動力電纜的電場和磁場，將動力電纜擬定為理想導(dǎo)體。按照設(shè)置車體材料屬性的方法，設(shè)置導(dǎo)體屬性。

因動力電纜自由平行布設(shè)在鋁合金車底三角型腔中，故將車體模型截取出車體底架三角型腔區(qū)域，并將動力電纜模型放置其中，形成完整的有限元模型[2]，如圖3所示。

圖3 CR400BF智能型動車組車體有限元模型Fig.3 Finite element model of CR400BF intelligent EMU

考慮計算結(jié)果的精度和效率，使用ANSYS軟件自帶的智能網(wǎng)格劃分工具對該模型進行有限元網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格單元為三角形單元，在控制SmartSizing水平后，設(shè)置單元尺寸，進而達到最優(yōu)解，使得磁場分布趨于真實化。

根據(jù)動力電纜在車輛運行工況下所承載的電流，在模型上給動力電纜施加載荷(電流)[3]，以此來分析動力電纜在工作時所產(chǎn)生的磁場對車輛環(huán)境的影響[4]。同時選擇車體上所有的節(jié)點，然后添加邊界條件，以提升邊界的模擬性。

2 動力電纜磁場二維數(shù)值模擬分析

對動車組車體底架三角型腔模型中動力電纜的磁場進行了二維數(shù)值模擬研究。動力電纜所產(chǎn)生的磁場對車輛環(huán)境的影響，如圖4～5所示。

a) 磁力線分布圖

由圖4～5可知，動力電纜在額定電流工況下產(chǎn)生了一定的靜態(tài)磁場。隨著監(jiān)測點在y軸上離動力電纜中心的距離不斷增加，動力電纜的磁感應(yīng)強度逐漸減弱；在0.1 m范圍內(nèi)磁感應(yīng)強度大于0.5 mT；在1.5 m處磁感應(yīng)強度為0.1 mT；距離2.0 m后，磁感應(yīng)強度幾乎為零。

圖5 動力電纜的磁場波形圖Fig.5 Magnetic field waveform of power cable

3 結(jié)論

1) 動力電纜在額定電流工況下產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度隨其在y軸上離動力電纜中心的距離趨近于正態(tài)分布。

2) 我國目前采用的低頻電磁場公眾暴露限值為低頻磁感應(yīng)強度100 μT，長期生活在此環(huán)境中對人體是有危害的，尤其對老人、兒童、孕婦等人群有一定影響。此外，在此基礎(chǔ)上，可嘗試對車體型腔結(jié)構(gòu)或者動力電纜電氣參數(shù)進行優(yōu)化，并對相關(guān)模型進行二次仿真及分析，以減少電磁感應(yīng)對車內(nèi)環(huán)境的污染。