高速動車組強輻射場下屏蔽電纜感應電流研究

郭樹楷 呂 哲 馬通邊

（1.中國電子科技集團公司第三十三研究所，山西太原030006；2.電磁防護技術山西省重點實驗室，山西太原030006）

0 引言

高速動車組在運行中，由于牽引系統的工作電壓高、電流大，會產生比較明顯的低頻電磁騷擾；牽引供電系統工作時伴有整流、逆變等非線性過程，會產生幅度很大、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到射頻頻段。這都會對機車上的微電子系統造成干擾，其中，最重要的耦合路徑是分布在機車中的電纜[1]。強輻射場在電纜上產生感應電壓和感應電流，通過電纜對弱信號的傳輸造成干擾，會導致信號失常或失靈。因此，有必要研究電纜在強輻射場下的感應電壓和電流及其消除方法，以保證弱信號正常和機車安全。

1 實驗原理

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

1.1 強輻射場表達形式

假定強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的方向為電磁波入射方向與電纜徑向構成的平面內。則強輻射場可表示為：

式中，E0為幅度系數。

介質中的相移常數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合處的電磁場邊界條件可以獲得屏蔽層耦合電流。當電纜較長時，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表面轉移阻抗。由于芯線的耦合電流遠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生散射，散射場與入射場的迭加場構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為電纜上的分布電壓E（z），是表面耦合電流的函數。引入屏蔽層外表面到內表面的轉移阻抗Zb′a，其表達式為：

2 實驗模型

試驗中，采用6 m×1.5 m的金屬銅板模擬機車殼體。電纜為單導體傳輸線，一端端接50 Ω負載，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，實驗電纜的長度為：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。外部強輻射場為50 V/m。試驗設備有：信號源、功率放大器、頻譜儀、場強儀、場強探頭。

3 實驗結果

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電流隨著長度增加而增大。電纜中最大感應電流與輻照頻率相關，較長的電纜在低頻時就可感應出較大的電流。

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電流差異較大，鐵質單層87%編織和鍍銀屏蔽熱縮管的屏蔽效能大體相當，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 結語

本文模擬了列車上信號電纜在機車受電過程中產生的強輻射場條件下的電纜耦合效應。實驗表明：屏蔽電纜可以有效減小外部強輻射場在電纜上的耦合電壓和耦合電流。實際使用中，應綜合考慮頻率、電纜長度、信號大小選擇合適的電纜。屏蔽電纜在安裝時，應采取360°環接的形式，并做好兩端接地，必要時應多點接地。機車中應采用屏蔽熱縮管對電纜進行屏蔽，這是因為網狀屏蔽層的屏蔽絲可能刺破電纜造成短路，引起安全風險。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.不同電磁脈沖對細導線的耦合[J].強激光與粒子束，2000，12（1）：91-94.

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

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