CRH3G型动车组电磁兼容性的仿真分析

2014-03-17王艳琴郝明远汪星华张秋敏高永亮

城市轨道交通研究 2014年6期

王艳琴郝明远汪星华张秋敏高永亮

(唐山轨道客车有限责任公司产品技术研究中心，063035，唐山∥第一作者，工程师)

目前，高速动车组大都采用先进的大功率变频变压逆变器、整流器和各种先进的控制系统，运行在电气化铁路线上，故电磁环境非常复杂。高速动车组不仅是干扰源，同时也是潜在的易被干扰的对象。CRH3G型动车组是在CRH3型动车组项目的基础上研发的时速250 km的动车组。作为一个新的系统，有必要对其进行电磁兼容性设计，以达到各部件最合理布局的目的。

1 CRH3G型动车组的电磁环境介绍

1.1 司机室过于密集的电器柜布置

在CRH3型动车组中1、8车的ATP(列车自动保护)机柜与综合电气柜在车辆尾部放置，远离CCU(中央控制单元)、司机操作台。而在CRH3G型动车组中ATP、LKJ(列车运营监控装置)机柜和综合电气柜安置在司机室后部，临近CCU，与司机室操纵台、HMI(人机接口界面)、DMI(车载人机接口)、司机室左右电气柜的距离较近。因此，对这些设备的电磁兼容性问题需要评估分析。

1.2 不同电压等级线缆由同一入口进入综合柜

在CRH3G型动车组上，综合电气柜中设置动力单元水泵风扇、变压器油泵风扇及牵引通风机的空气开关，交流电压为440 V、60 Hz;同时也布置有交流电压230 V、50 Hz和直流电压110 V的电器件。因此，交流电压440 V的走线对综合柜内其他较低电压等级的线缆和模块构成了潜在的干扰威胁，需要进行电磁兼容性评估分析。在CRH3型动车组上，此类交流电压440 V中压硬线被安置在车下的车载电源箱内。

1.3 靠近转向架传感器线缆的主变压器车底布线

在CRH3型动车组中从车顶受电弓至主变压器的大线，由车体端墙向下铺设至车下，后由车体型腔送往主变压器，车体型腔会发挥一定的屏蔽作用。在CRH3G型动车组中，主变压器的大线虽是沿车体端墙向下至车下后，但未经车体型腔，而是从车下经过转向架区域送至主变压器的。转向架区域有丰富的传感器(如速度传感器、温度传感器、加速度传感器等)类线缆，如图1所示。主变压器大线的经过对其它线缆会造成一定的干扰，需要对其进行电磁兼容性分析。

图1 转向架附近布线

2 车下布线模型建立

电磁兼容性设计主要包括设备布局设计、布线设计、屏蔽设计、接地设计和滤波设计等，考虑分析车底高压布线及传感器布线间的兼容性具有代表性，因此，本文针对车底部位电磁兼容性进行深入研究。

2.1 串扰计算

根据传输线理论，可得时谐均匀传输线的方程为:

式中:

U(x)——电路中x处的电压值;

I(x)——电路中x处的电流值;

Z——单位长度的串联阻抗;

Y——单位长度的并联导纳。

式中:

R——单位长度串联的电阻;

L——单位长度串联的电感;

C——单位长度串联的电容;

ω——角频率。

根据传输线理论，电缆两端电压和电流之间可通过链参数矩阵建立联系，以对传输线方程进行求解。

定义串扰系数S为传感器信号线近端串扰电压UNE与骚扰源电压US的比值，即

设高压布线和传感器布线屏蔽层末端所连软辫线的长度Lp为5 cm，根据工程布线的相关数据取高压输电线长度L1=10 m，信号线长度L2=5 m，终端阻抗采用相同的阻值50Ω。将计算得到的相关分布参数矩阵及根据工程应用所提取的相关参数代入仿真计算软件，即可计算传感器信号线上的串扰电压。

2.2 转向架传感器布线模型

转向架传感器的布线模型如图2所示。由图2可见:车下高压布线附近，二位端转向架3轴与4轴的温度传感器通过底板孔进入车内，沿着车内底板线槽进入电器柜;3轴的速度传感器通过车下线槽沿着标记线进入BCU(制动控制单元)。

图2 转向架传感器布线模型

2.3 仿真模型

根据目前CRH3G型动车组的高压输电线、传感器信号线的布线方式及相关参数，建立车底高压线缆及转向架传感器线缆之间的相对位置关系，如图3所示。

图3的电缆模型中，两根电缆距离地面的高度分别为h1和h2，车底高压输电线的半径为r1，传感器信号线的半径为r2，r1p为高压输电线屏蔽层的半径，r2p为传感器信号线屏蔽层的半径，两导线中心间距为d。将工程应用中所提取的这些参数值代入仿真软件，可建立仿真串扰模型如图4所示。

图3 车底高压线缆及转向架传感器线缆之间的相对位置

图4 软件仿真串扰模型

3 仿真分析

3.1 传感器布线上的串扰电压

若高压输电线上的骚扰电压幅度为25 kV，则被干扰的传感器信号线上电压随电源工作频率变化的曲线如图5所示。由图5可见:传感器信号线上在41 MHz附近出现了一个最大的干扰电压，幅值为 925 V;其它在10 MHz、20 MHz、30 MHz附近也都出现了较大的干扰电压。

图5 传感器线上的干扰电压仿真

图6为传感器信号线屏蔽层双端接地时的串扰耦合系数仿真。由图6可见:在频率小于10 MHz时线间串扰系数最大为－95 dB，最小为－190 dB;在50 Hz时，线间串扰系数为－168 dB。即，当骚扰信号电压为25 kV时，频率小于10 MHz时，传感器信号线上通过线间串扰感应的电压最大值为0.445 V，最小值为7.9μV;在频率为50 Hz时，感应的干扰电压值为99.5μV。结合图5和图6可知，传感器信号线受高压输电线的干扰影响主要在10 MHz以上。