船用三相電纜電磁干擾傳輸特性研究＊

王 林 王東東 劉 義

（1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）（2.電磁兼容性重點實驗室，中國艦船研究中心 武漢 430064）

船用三相電纜電磁干擾傳輸特性研究＊

王 林1王東東2劉 義2

（1.海軍駐武漢七〇一所軍事代表室 武漢 430064）（2.電磁兼容性重點實驗室，中國艦船研究中心 武漢 430064）

論文通過對典型船用電力電網的建模與仿真，獲得了干擾源時變脈沖在電網中的共模傳導特性，分析了電纜長度、脈沖前沿和對地分布電容等主要參量變化對電纜傳導電磁干擾的影響程度。研究結果表明：電纜在傳輸高頻脈沖時會產生畸變，電纜越長畸變越嚴重。控制脈沖前沿和電纜對地電容可有效抑制電纜對電磁干擾的傳輸。

船用電力電網；共模傳導特性；電磁干擾

Class NumberTM15

1 引言

相較于以往船舶電力系統的設計，當今船舶設計較明顯的變化是裝備的成套電力與電子變流設備和裝置的數量和功率有較大增加［1］。大量使用大功率電力電子變流設備，一方面能夠大幅提高船舶在動力、驅動、探測等方面的性能，另一方面對船舶電力電網性能提出了更大的考驗。工作在非線性開關狀態下的電力電子開關器件不可避免地會產生各種電磁干擾，而這些產生的電磁干擾又會通過船上的電力電纜傳播到各個用電設備上，對整船電磁兼容性產生影響，由此可能對船舶的安全性和功能性構成一定威脅［2～4］。因此，研究船載電力電網系統中電纜的電磁干擾傳輸特性意義重大。

2 三相電纜電磁干擾傳導模型

船載電力電網系統中常用電纜為三芯電纜，通常還帶有屏蔽層或金屬護套［5］。對于此類多導體傳輸線系統，可以分別通過法拉第定律和電荷連續性方程推導出多導體傳輸線方程：

若能得到這樣的矩陣，使得T－1VZTI以及T－1IZTV都對角化，即

則可以實現多導體線纜方程解耦，并且容易數值求解。為求得以上方程可以構造矩陣

求解該矩陣，可以得到未知系數I＋m和I－m。將I＋m和I－m代入到方程（4），則可以求解任意線纜處的電壓和電流響應。

3 三相電纜結構及其共模干擾等效電路

在三相長電纜兩端增加脈沖源以及負載后，并考慮對地分布電容，則三相長電纜結構如圖1所示。

在考慮三相電纜共模干擾模型時，在將源端和負載端的對地分布電容考慮在內時，其等效電路如圖2所示。

圖1 三相電纜終端結構

圖2 三相電纜共模傳導干擾等效電路

4 仿真分析

4.1 仿真條件

三相電纜共模傳導仿真電路如下所示，包括三相電纜的PSpice等效參數電路模型、激勵源和電機模型。在三相電路，分布電容設定為3nF。

圖3 三相電纜與電機共模傳導仿真電路

由于三相電路中共模干擾源電壓可以為正脈沖或負脈沖，因此假設脈沖激勵源波形如圖4所示。正負脈寬各10μs，脈沖前后沿均為0.2μs，仿真時長40μs。

圖4 脈沖激勵源波形

4.2 仿真結果

以下分別假設三相電纜長度為2m、20m和200m，通過仿真得到電纜始端和終端的屏蔽層電流波形如圖5所示。三相電纜長度為20m時，電纜始端和終端的屏蔽層電流仿真結果如圖6所示。

圖5 三相電纜長度為2m時仿真圖

圖6 三相電纜長度為20m時仿真圖

三相電纜長度為200m時，電纜始端和終端的屏蔽層電流仿真結果如圖7所示。

圖7 三相電纜長度為200m時仿真圖

根據以上仿真結果可以看出：電纜長2m時，源端電流峰值為8.34A，終端為7.57A，衰減0.84dB；電纜長20m時，源端電流峰值為8.81A，終端為6.57A，衰減2.55dB；電纜長200m時，源端電流峰值為8.6A，終端為1.66A，衰減14.3dB。

以下將200m長電纜的源電壓脈沖中的正脈沖前／后沿從0.2μs減小到0.1μs，負脈沖前／后沿保持0.2μs不變，得到屏蔽層電流波形如圖8所示。

圖8 三相電纜長度為200m，脈沖上升沿從0.2μs減小到0.1μs后仿真圖

從上圖中的時域波形可以看出，對于正脈沖，源端屏蔽層電流從原來的8.61A增大到14.66A；負載端屏蔽層電流從原來的1.66A減小到1.32A。

假設源端和負載端對地分布電容從原來的3nF增大到300nF，仿真得到的屏蔽層電流波形如圖9所示。

圖9 三相電纜長度200m，源端和負載端對地分布電容從原來的1nF增大到100nF后仿真圖

從圖9可以看出，源端和負載端對地分布電容增大為原來的100倍后，始端屏蔽層電流幅度從原來的8.61A增大到42A，負載端電流從原來的1.66A增大到39.4A。

5 結語

根據以上船用三相電纜電磁干擾傳輸特性仿真得到以下結論：

1）當電纜終端連接電機以傳遞電壓脈沖時，由于高頻條件下電纜阻抗與電機阻抗、脈沖源阻抗難以匹配，會使電機側的電壓波形出現畸變?；兂潭扰c反射系數、電纜長度、脈沖前沿有關。

2）三相電纜源端和負載端對地分布電容為數nF至數十nF時，屏蔽層（地回路）耦合電流僅在源端電壓脈沖上升沿和下降沿時出現，且衰減較快；當互聯電纜兩端對地電容達到百nF量級時，共模電流持續時間將超過10μs，與源端電壓脈沖寬度基本相等。因此，在設備上船后，應控制長電纜兩端單相對地電容在100nF以內。

3）脈沖前沿越快，即電源的du／dt越大，對電纜始端分布電容的充電電流c·du／dt越大，因此在始端屏蔽層（地回路）中的電流越大。脈沖前沿每減小一半，始端屏蔽層（地回路）電流增大一倍；終端屏蔽層（地回路）電流基本不變。

4）針對船上電力電子設備，應盡量保證開通和關斷時間應不低于200ns，以有效控制共模電流的幅度，同時避免電纜磁場輻射發射對射頻設備構成干擾。

［1］L.Ran，S.Gokani，J.Clare，et al.Conducted electromagnetic emissions in inductionmotor drive systems.Ⅱ.Frequency domain models［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13（4）：768－776.

［2］羅昉.三相電機驅動系統中電磁干擾及其高功率密度濾波方案研究［D］.武漢：華中科技大學博士論文，2010.

［3］Henry W.Ott.Noise reduction techniques in electronic system［M］.Second edition.New Jersey：Published by Livingston Inc.，2012.

［4］See，K.Y.Network for conducted EMI diagnosis［J］.Electronic Letters，2009，35（17）：1446－1447.

［5］Ting Guo，Chen D.Y，Lee RC.Separation of the common－mode and differential－modeconducted EMI noise［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2010，11（3）：480－488.

Studyof EMI Transmission Characteristic of Marine Cable

WANG Lin1WANG Dongdong2LIU Yi2
（1.Navy Representative Office in 701Research Institute，Wuhan 430064）（2.The National Key Laboratory of EMC，China Ship Development and Design Centre，Wuhan 430064）

In this paper，the interference sources time－varying impulse common－mode transmission characteristics in power grid are obtained through modeling and simulation of a typical marine electric power grid.The influence degree of EMI transmission is analyzed through the cable when cable length，pulse front，distributed capacitance changed.The results show that distortion can be created when cable transmite high frequency pulse and the longer the more serious the distortion.Control pulse front and cable to ground capacitance can effectively inhibit EMI transmission.

marine power grid，common－mode transmission characteristics，EMI

TM15DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.045

2015年5月7日，

2015年625月 日

王林，男，工程師，研究方向：電氣自動化工程。