線槽材質對高壓線纜屏蔽影響仿真分析

牛晨旭 楊辰飛

摘 要：高壓線纜連接動車組供電系統中主變壓器以及其他高壓電氣設備，是主要的電力傳輸線纜。高壓線纜布線不合理以及材質選擇不當，均會造成電磁干擾嚴重的現象，電磁干擾會影響信號系統中軌道電路、車上信號的分析。文章通過對所選的三種線槽材料進行磁場仿真，利用仿真結果對線纜線槽選取合適材質提供理論依據。

關鍵詞：高壓線纜；電磁干擾；線纜材質

中圖分類號：TM247 文獻標志碼：A 文章編號：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

高壓電纜是為動車組運行傳遞所需電能的主要電力傳輸線纜，動車組供電系統中主變壓器以及其他高壓電氣設備都是由高壓線纜連接的。在動車組運行過程中，車頂受電弓從接觸網獲取25kV高壓交流電能通過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牽引變流器供電線纜為牽引變流器供電。[1]電能經過牽引變流器內整流環節和逆變環節的轉換后，一部分轉變成頻率與電壓可調的交流電，各個牽引電機將這部分電能轉換為動車組的動能，從而牽引整個列車的運行；另一部分在牽引變流器中間環節處轉換為直流電，并為動車組上其它用電設備提供其正常工作需要的電能。

1 高壓線纜組成

動車組高壓電纜的結構主要由導體，內屏蔽層，絕緣層，外屏蔽層，屏蔽編織層以及外護套組成。高壓線纜在傳輸電能的過程中，內屏蔽層中的半導體材料可以與銅導體之間形成等電位，避免由于銅導體表面不光滑引起的電場集中，并且可以與絕緣層良好的接觸，避免銅導體和絕緣層之間發生局部放電，而外屏蔽層的半導體材料則是為了防止絕緣層和護套之間的局部放電，因此如果沒有內外屏蔽層的半導體材料，絕緣層就有可能被擊穿，從而導致安全事故。[2]屏蔽編織層，即銅屏蔽層，通常在工程中進行接地，是導體產生的感應電流流入大地，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，也可避免絕緣層薄弱處被擊穿。[3]

2 線槽對高壓線纜屏蔽仿真分析

根據動車組內部機械結構要求，高壓線纜中的高壓輸入線從高壓設備箱到牽引變壓器箱布線時，為了避免高壓輸入線纜懸置對其他設備以及線纜造成影響，布線時將高壓設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絡傳感類隔艙內。

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

3 線槽材質對高壓線纜屏蔽影響仿真分析

線槽材質的選擇要綜合考慮其價格、機械特性、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磁性和電磁兼容特性，因此對電磁干擾有更好的屏蔽效果。通過實驗證明，干擾頻率在1～100MHz范圍內時，金屬線槽對電磁干擾防護是使用非金屬線槽防護的大約50倍。因此整車布線通常會選擇金屬線槽。

3.1 仿真設置

本節仿真采用鋁，鋼，鐵氧體這三種常見的線槽材質。通過仿真對比三種不同材質線槽對高壓線纜的屏蔽效果，為后續實際應用中線槽的選取提供理論依據。首先在SolidWorks三維軟件中進行高壓線纜和線槽建模，然后將模型導入Ansoft Maxwell電磁場仿真軟件進行仿真。

仿真選用瞬態場求解器。激勵源大小設置為I=600*sin（100*3.14*t）（A），t為系統時間函數，電流頻率為50Hz。求解設置中起始時間設置為0s，仿真結束時間設置為0.2s，時間步長設置為0.01s。求解域設置為長方體求解域且長方體前后兩面與線槽和線纜截面重合。

3.2 不同材質仿真結果對比

將線纜線槽的材料設置為鋁，通過查詢相關資料，鋁的相對磁導率為1.000021。運行仿真軟件后，可以得到0-0.2s高壓線纜在電流峰值時周圍的磁場分布示意圖，如圖1所示。

將線纜線槽的材料設置為不銹鋼，其相對磁導率為1。運行仿真軟件后，可以得到高壓線纜在電流最大值時周圍的磁場分布示意圖，如圖2所示。

將線纜線槽的材料設置為鐵氧體，其相對磁導率為1000。運行仿真軟件后，可以得到高壓線纜在電流最大值時周圍的磁場分布示意圖，如圖3所示。

對不同材質線槽的空間磁場分布進行對比分析，由于不銹鋼和鋁的導磁率較低并且接近空氣的導磁率（空氣磁導率近似為1），因此高壓線纜產生的磁場會很均勻的分布在空間內，對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率，其磁導率大小是空氣磁導率的甚至近千倍甚至更大，線槽空間內磁感線分布不再是均勻擴散，磁場經過磁導率很高的鐵氧體材料時，會沿著磁阻很小地方分布，所以出現了磁感線終止于線槽中間擋板和線槽底板的現象。[5]

3.3 MATLAB數據匯總分析

仿真計算得到傳感器線纜芯線在不同時刻的感應電流密度數據，本文通過Matlab軟件的數據處理功能，對仿真數據進行匯總，擬合出感應電流密度隨時間變化的關系曲線。從電流密度變化曲線可以看出，在工頻 （50Hz）時，磁場在鐵氧體這樣的高磁導率的鐵磁材料中衰減比仿真中運用的鋁和不銹鋼材料大很多，傳感器線纜周圍的磁場被充分引導，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化為熱能和其他形式的能量而損耗掉。[7]

4 結束語

通過對以上三種材質的仿真結果分析可得出以下結論：由于通有低頻大電流的高壓線纜會產生很大的干擾磁場，因此線槽和隔板的材質需要選擇導磁率較高的金屬材料，這樣的材料更有利于引導和吸收干擾磁場。

由于金屬鋼的導磁率比鋁的高，而且傳輸阻抗相對較低，因此在對低頻磁場信號進行屏蔽時，鋼線槽的屏蔽效果要優于鋁線槽。但是金屬鋼的密度比鋁的密度大，因此相同結構的鋼質線槽的質量比鋁質線槽大得多，進而大大增加了整車的質量，影響了動車組的牽引和制動。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具有較高的導磁率，并且成本較高，因此在線槽材質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產生很強的磁場，在保證其接地良好、與敏感設備或線纜保持最大距離以及實際經濟問題的基礎上，盡可能選擇磁導率高、磁阻小、對磁場有引導作用的鐵磁性材料制作的屏蔽線槽對低頻大電流的高壓線纜進行磁場隔離屏蔽。

參考文獻：

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