基于Ansoft Maxwell 的動車組高壓線纜屏蔽仿真

牛晨旭，韓增盛，時 蕾，呂 蒙

（鄭州鐵路職業技術學院，河南 鄭州 451460）

0 引言

隨著高速動車組技術發展，列車所應用的高功率、高靈敏度、高傳輸速率的電氣及電子設備日趨智能化，連接各種設備的網絡更加繁瑣，導致動車組內的電磁環境復雜性逐漸提高[1]，從而導致系統產生的電磁兼容問題日趨顯著。動車組牽引系統中主變壓器、逆變器等高壓電氣設備均需通過高壓線纜實現電力傳輸。連接不同功率設備的線纜長期處于復雜的電磁環境中，容易產生嚴重的電磁干擾現象。大量的電磁干擾能量如果耦合到與行車安全相關的設備，將會導致動車組系統異常工作，甚至系統癱瘓[2]。因此，對動車組高壓線纜進行屏蔽仿真有很大的現實意義。

1 高壓線纜布線分析

動車組中高壓線纜通過車頂受電弓接受電能后，其輸入線纜和回流線纜沿車體側壁進入車內，使用專用的固定裝置將線纜固定，如圖1 所示。

圖1 高壓線纜布線示意圖

高壓線纜屬于A 類強干擾源，由于通有低頻的大電流，因此在周圍空間內產生較強的交變磁場，極易對周圍敏感設備及線纜產生影響，因此有必要對高壓線纜進行防護處理[3]。首先對根據高壓線纜和回流線的特點進行布線處理，然后對高壓線纜進行屏蔽層的接地，最后利用屏蔽體對高壓線纜和回流線進行再次屏蔽。

動車組內部電氣及電子設備的電源以及信號都有電流從源端流經各自的通路進入負載，然后再沿返回通路返回到源端從而形成環路，這期間可能會發生電感耦合，其干擾強度主要和導線回路區域面積的大小有關[4-5]。如果能使環路所圍成的面積盡可能小，則可以很好的改善電路的電磁兼容性。如圖2 所示，圖（2）的布線設計使回路面積縮小，因此具有較好的電磁兼容性能。

圖2 發送和返回電流通路布線

動車組項目中高壓線纜和回路線纜進入車內后，盡可能靠近整個動車組表面的地方并且保證線纜間的距離合適，減小回路面積[6]，從而改變高壓線纜及其回路線纜之間的互感來降低耦合到相鄰線纜的干擾電壓，避免因為距離過大產生較大的電流回路，從而成為強磁場干擾源并產生渦流效應。

2 高壓線纜屏蔽層接地分析

屏蔽層兩端接地可以使電路的回流電流通過屏蔽層流回源端，由于芯線電流產生磁場方向與屏蔽層上回流電流產生的磁場方向相反，因此線纜芯線上可能產生的電磁干擾會被抵消或者減弱，而屏蔽層上的回流電流還可以防止外部磁場產生的電磁干擾對屏蔽線纜的干擾[7]。

動車組上的高壓線纜由于其傳輸的低頻大電流信號會產生很強的電磁干擾，極易影響到周圍敏感設備以及線纜的工作，因此，通常在考慮其屏蔽線纜芯線內電流幅值和頻率的前提下將其屏蔽層進行兩端接地，從而不僅滿足高壓線纜的屏蔽效能，降低電磁輻射，還顧及到熱效應對線纜自身的影響。

另外，臨艙內的壓力傳感器線纜的屏蔽層也需要進行兩端接地。其原因有兩個方面：一是由于壓力傳感器線纜傳輸的高頻信號會產生高頻集膚效應，高頻信號產生的交變磁場使線纜內電流都聚集在屏蔽層的內表面，而由于兩點接地形成的回路電流會聚集在屏蔽層的外表面，且芯線電流和回流電流的方向相反，大小幾乎相等，則產生的磁場干擾正好抵消，保證了線纜中信號的正常傳輸；另一方面則是由于壓力傳感器線纜內部傳遞的數據頻率比較高，干擾頻譜范圍比較寬，單純的濾波措施不能有效地提高數據通訊線纜的抗干擾能力。

最后在進行屏蔽層接地時需要注意的是如果選擇線纜屏蔽層兩點接地，則必須保證兩個接地點為等電位的。因為如果兩個接地點間存在電位差，屏蔽層就會出現干擾電流，影響線纜內部的信號。

3 高壓線纜外加屏蔽體及仿真分析

在動車組布線過程中，將高壓線纜和及其回流線盡可能的緊靠在一起，并且保證兩根線纜的屏蔽層兩點接地。然而為了進一步降低高壓線纜向外輻射電磁干擾能量并且達到項目需求中要求的，距離高壓線纜0.5 m 范圍內磁場強度小于0.08 A/m。因此在保證高壓線纜和回流線布線良好以及高壓線纜屏蔽層兩點接地的基礎上，可以在高壓線纜與回流線纜固定良好后，利用屏蔽金屬管進行再次屏蔽，如圖3 所示。由于高壓線纜通有低頻大電流，干擾耦合以磁場耦合為主，電場分量可以忽略，此時以磁場屏蔽為主，因此選用磁導率較高，并且成本比較適中的不銹鋼管。除此之外，不銹鋼管的厚度也應該適中，這是由于當不銹鋼管較厚時，其吸收損耗較大，這樣當電磁波穿過屏蔽體第一個分界面到達第二分界面時就會很小，再次反射回屏蔽體內部的電磁波能量將會更小，多次反射的影響也較小，電磁干擾能量容易泄露到外部空間；當金屬屏蔽管很薄時，吸收損耗也會很小，此時多次反射損耗變大，也會有干擾能量的泄露，因此項目中將不銹鋼管厚度定為0.5 mm。

圖3 高壓線纜加屏蔽鋼管示意圖

Ansoft Maxwell 是工業生產廣泛采用的電磁場分析軟件，可以用于靜電場、靜磁場、溫度場等多場景問題的求解，功能強大，結果精確[8]。根據仿真需求，在Ansoft Maxwell 軟件進行三維建模。將高壓線纜及其回流線緊貼在一起，保證回路面積為零，并且在兩根線纜的屏蔽層端面加0V 電壓源，表示線纜兩點接地。在此基礎上分別對高壓線纜不加屏蔽不銹鋼管、加屏蔽不銹鋼管但不銹鋼管不接地、加屏蔽不銹鋼管而且不銹鋼管接地，這3 種情況進行仿真，對比每種情況的屏蔽效果。

仿真選擇瞬態求解器。建立測量平面，通過平面的移動捕捉以高壓線纜為圓心，不同半徑內磁場強度最大值[9]，在ParametricSetup 中設置起始點Start 為0mm，終點Stop 為500 mm，步長Step 為10 mm。Solve Setup 中Start time 設置為0 s，Stop time 設置為0.2 s，Time step 設置為0.01 s。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。

為了滿足方案二中屏蔽不銹鋼管的接地，仿真采用Ansoft-Maxwell 中的外接電路模塊Maxwell Circuit Edit。激勵源由外接電路模塊提供。為了保證方仿真條件一致性，方案一、方案二、方案三均采用同樣模塊仿真。

方案一：對高壓線纜不加屏蔽措施直接進行仿真。方案一仿真模型示意圖如圖4 所示。

圖4 方案一高壓線纜仿真模型

將兩根高壓線纜芯線作為激勵源設置為繞組激勵LWinding1、LWinding2，繞組激勵兩端的近端電阻和遠端電阻均設置為50 Ω，電流源設置為I= 500 A，且兩個電流源電流方向相反。方案一外接電路示意圖如圖5 所示。

圖5 方案一外接電路示意圖

方案二：在高壓線纜兩根線外套上不銹鋼屏蔽管（管厚0.5 mm）且不銹鋼屏蔽管不接地再次進行仿真。由于不銹鋼屏蔽管沒有構成電路回路，所以方案二的外接電路示意圖與方案一相同。方案二仿真模型示意圖如圖6 所示。

圖6 方案二高壓線纜仿真模型

方案三：在高壓線纜兩根線外套上不銹鋼屏蔽管（管厚0.5 mm）且管的兩端接地再次進行仿真。方案三與方案二僅在外接電路上有所不同，Ansoft 仿真模型示意圖相同。

將兩根高壓線纜芯線和不銹鋼屏蔽管作為激勵源 設 置 為 繞 組 激 勵LWinding1、LWinding2、LWinding3，繞組激勵兩端的近端電阻和遠端電阻均設置為50 Ω，電流源設置為I= 500 A，且兩個電流源電流方向相反，不銹鋼屏蔽管兩端分別接地。方案二外接電路示意圖如圖7 所示。

圖7 方案三外接電路示意圖

仿真計算得到高壓線纜在不同水平距離處的磁場強度數據，通過Matlab 匯總整理，擬合出水平距離與磁場強度的關系曲線，如圖8 所示。

圖8 磁場強度隨距離變化曲線

由圖8 可以看出，高壓線纜產生很強的磁場干擾，在高壓線纜外加屏蔽金屬管進行屏蔽能有效降低干擾磁場的強度，而將屏蔽金屬管兩端接地會進一步降低不同距離的干擾磁場強度。這是由于高壓線纜對屏蔽金屬管產生的感應電流，屏蔽金屬管兩端接地后會與大地形成回路，感應電流產生的磁場會與大地回流產生的磁場大小相等，方向相反，相互抵消，從而使高壓線纜產生的強磁場屏蔽在金屬管內。

通過對仿真數據的提取，3 種方案對應的高壓線纜水平距離0.5 m 處磁場強度最大值見表1。

表1 高壓線纜水平距離0.5 m 處磁場強度最大值

由表1 可知，當高壓線纜不加任何外部屏蔽措施時，水平距離0.5 m 處磁場強度最大值為0.12977 A/m，無法滿足項目需求，可能對周圍敏感設備或線纜造成干擾；當加金屬屏蔽管后，由于金屬對干擾磁場的吸收，水平距離0.5 m 處磁場強度最大值降為0.0075076 A/m，大致滿足項目需求；當將屏蔽金屬管進行接地后，金屬管內的感應電流沿接地導體流入大地，將干擾磁場全部限制在金屬屏蔽管內，使得水平距離0.5 m 處磁場強度最大值降為0.003567 A/m，對高壓線纜產生了非常好的屏蔽效果。

4 結論

動車組布線過程中，對于從車外進入車體內的高壓線纜，通過加屏蔽金屬管并且金屬管接地可以有效地降低其磁場的干擾。這種方式可以推廣到車內其他低頻大電流線纜的布線。如果低頻大電流線纜在走線過程中，由于車內結構、自身位置等特殊因素不能通過增大與敏感設備或線纜距離、改變自身排列方式、并入線槽等方式解決自身產生的電磁干擾，可以利用外加磁導率較高的屏蔽金屬管并且兩端接地來進行隔離。