電磁仿真在機車電磁兼容中的應用

謝華君 董亮

摘 要：本文闡述了電磁仿真應用于機車設計中的理念和可行性，以某內燃機車的電氣線纜為例，借助電磁仿真軟件建立了內燃機車線纜模型，從而分析了線纜的屏蔽、放置情況不同下的電磁場情況，對內燃機車線纜的選用設計給出了相應建議。本文著重從機車布線、屏蔽和接地三方面進行了優化分析，從而減少相應的電磁干擾，降低了車廂內低頻磁場輻射強度。

關鍵詞：電磁兼容；電磁仿真；電氣線纜；機車

Abstract：The concept and feasibility of electromagnetic simulation applied to locomotive design are proposed.Taking the electric cable of a diesel locomotive as an example，the cable model of diesel locomotive is established by means of electromagnetic simulation software.The electromagnetic field conditions under different shielding and placement conditions of the cable are analyzed，and corresponding suggestions for the selection design of the diesel locomotive cable are given.This paper focuses on optimization analysis from three aspects of locomotive wiring，shielding and grounding，thus reducing the corresponding electromagnetic interference and reducing the low-frequency magnetic field radiation intensity in the cabin.

Key words：Electromagnetic compatibility；electromagnetic simulation；electrical cable；locomotive

眾所周知，機車內的電磁環境是復雜、惡劣的，強電弱電各種信號交織在一個有限的空間和面積內。在傳統的機車上，由于電力電子設備少，電磁環境對機車性能的影響不是那么的明顯。但是隨著電子技術的迅猛發展和機車可靠性、安全性能要求的提高，機車上已開始裝配有越來越多的電力電子設備和電氣設備，例如，高壓、變頻、網絡通訊、微機控制等多種電子設備和電纜線束等。由于機車惡劣的電磁環境，既有大功率的輻射信號源，又有高靈敏度的傳感器和通訊設備，這些設備裝車后，有的性能不穩定，在機車的某些工況下出現死機等故障，有的不能正常工作，導致竄車等險情，以至造成重大的經濟損失。[1]電磁兼容性是影響其性能可靠性的關鍵問題之一，因此必須將電磁兼容技術的應用貫穿于整個機車設計制造的流程之中。[2]

1 機車電磁仿真的意義

電磁兼容預測是一種通過理論計算對電子設備或系統的電磁兼容程度進行分析評估的方法。[3]通過對電磁干擾的預測和分析，可以對潛在的干擾進行定量的計算和估計，對電磁兼容措施與設計方法提供理論指導。[4]借助軟件手段對機車的電磁干擾和電磁兼容問題進行仿真分析，是電磁兼容分析預測的實現途徑之一。在機車設計階段進行有效的電磁兼容仿真與分析，能夠在系統和設備研制初期發現和解決出現的電磁兼容問題，保證機車研制的進度，提高產品質量。[5]將電磁兼容軟件仿真分析應用于具體型號任務，可以提高機車的電磁兼容設計水平。通過仿真，預測和分析不同設計階段的EMC問題，有效評估系統的性能是否達到要求，將無形的電磁場問題轉化為有形，如果存在問題可以在設計前期將其解決，減少實驗次數，控制設計風險，縮短研發周期并降低成本，提高機車的電磁兼容可靠性能。

2 機車電磁仿真的應用

2.1 機車電纜的建模

選取某內燃機車內的動力電纜，通過建立其三維模型，并設置相關的材料屬性進行電磁仿真。內燃機車動力電纜參數為：

故仿真所建線纜結構：內層銅導體為11.4mm和絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2.8mm。為檢驗屏蔽層在動力電纜上的效果，建立一帶屏蔽層結構的線纜：內層銅導體為11.4mm，內絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2mm，屏蔽層（鋁Aluminum）厚度為0.5mm和外絕緣層（聚氯乙烯PVC）厚度為2.8mm。兩根所建仿真線纜的長度均為1m。在仿真軟件中建立的電纜三維模型如下圖1所示。

2.2 機車電纜的仿真分析

添加工頻電源進行仿真，在線纜正上方1m處設置觀測點。圖2為電纜的電場分布圖，圖3為屏蔽線纜上方1m處的電場強度，從仿真結果中可以看出，無屏蔽層電纜上方1m處的電場強度約為5.8V/m，有屏蔽層電纜上方1m處的電場強度接近于0，帶有屏蔽層的電纜的電場分布顯然要比不帶屏蔽層的電纜的電場分布弱得多。由于機車內空間有限，強電、弱電設備眾多，線纜鋪設交織緊湊，輻射干擾會通過空間傳播進入到鄰近的電纜及電子設備，影響其正常使用。從仿真中可以看出，屏蔽電纜能有效的防止電磁輻射干擾，由于金屬對電磁波的反射、吸收和趨膚效應，能夠有效的降低電纜內傳輸信號對外的電磁輻射。

三相電纜芯線相對位置主要有兩種常見形式：并排直線布置和等邊三角形布置。針對上述兩種形式對屏蔽線纜進行仿真，結果如圖4所示。從圖中可知，三相屏蔽線纜平行放置的電場強度約為0.03V/m，而等邊三角形放置時的電場強度約為0.009V/m。相比于并排直線布置方式，當三相屏蔽電纜采用等邊三角形布置時，具有更佳的電場屏蔽效能。

影響屏蔽電纜屏蔽效果的主要因素是屏蔽層的接地形式。電纜屏蔽層接地方式主要有2種：單端接地和雙端接地。選取一500kHz諧波干擾信號對線纜的屏蔽性能進行仿真，仿真結果如圖5所示。圖中屏蔽層不接地時的電場強度約為2.75V/m，單端接地時的電場強度約為0.06V/m，而雙端接地時的電場強度接近于0。故對于電場屏蔽，屏蔽層電纜需要進行接地處理，單端接地與雙端接都能取得很好的結果，而雙端接地的效果更優。

線纜槽既可以對線纜進行物理防護，又可以對線纜的電磁輻射進行屏蔽，有無線纜槽的屏蔽效果如圖 6中（a）、（b）所示。圖中（a）無隔板兩個線纜間的電場相互交織影響，而在（b）加入隔板后兩根線纜的電場隔離開來。故線纜槽中間應加入隔板，不同類型的線纜敷設在不同的線槽格內，并盡可能地彼此遠離，這樣可以減少線纜彼此間的輻射干擾。

屏蔽線纜對于工頻磁場的屏蔽效果相對于電場屏蔽效果的作用相當有限。如圖7所示為屏蔽線纜上方1m處的磁場強度，兩者的磁場強度很接近。電纜的屏蔽層只對電場具有屏蔽作用，對工頻磁場的屏蔽效果很弱。

針對工頻磁場的屏蔽只能用具有一定厚度、磁導率高的鐵磁材料來約束磁力線在鐵磁材料內部運動，避免空間內的傳播。其屏蔽效果如圖8所示，不加高磁導率材料屏蔽的線纜上方1m處的磁場強度約為0.045A/m，而加高磁導率材料屏蔽層的線纜上方1m處的磁場強度約為0.005A/m。如圖9所示可知，磁場強度會隨著距離的增加而迅速地衰減。故為了保證電磁環境不對人體造成影響，在機車布線中應考慮電纜線束和乘客區域間保持盡可能大的間距。

3 結語

對于機車線纜線束的研究，可以為抑制線纜間的干擾、正確使用各種線纜線束及合理布線提供可靠的依據。本文對內燃機車中特定的線纜線束進行了建模、仿真分析，該電磁仿真方法能夠較準確、快速地計算出線纜線束間電磁場分布，對機車布線及排除故障具有指導意義。

參考文獻：

[1]劉玉文，王立德.內燃機車電氣設計中的電磁兼容性[J].鐵道機車車輛，2000（04）：37-39+5.

[2]熊明彬，廖忠文.電磁兼容技術在SDA1型交流傳動內燃機車中的應用[J].技術與市場，2015，22（01）：5-7+12.

[3]高攸綱.電磁兼容技術展望及建議（上），2005.

[4]高攸綱，張蘇慧.電磁兼容技術展望，2009.

[5]Frei S.Where we stand today with automotive EMC simulation[C].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE，2008：1-9.

[6]楊世武.鐵路信號電磁兼容技術[M].北京：中國鐵道出版社，2015.

[7]馮玉明，高世萍，徐躍，張博.三相屏蔽電纜布線對磁場屏蔽效能的影響[J].安全與電磁兼容，2017（06）：45-48.

[8]李保霞，郭振通.地鐵列車電纜布線的磁場研究[J].城市軌道交通研究，2014，17（03）：54-58.

項目名稱：無接觸網供電城軌車輛關鍵技術及裝備研制（2017YFB1201003）