船用三相电缆电磁干扰传输特性研究＊

王 林 王东东 刘 义

（1.海军驻武汉七〇一所军事代表室 武汉 430064）（2.电磁兼容性重点实验室，中国舰船研究中心 武汉 430064）

船用三相电缆电磁干扰传输特性研究＊

王 林1王东东2刘 义2

（1.海军驻武汉七〇一所军事代表室 武汉 430064）（2.电磁兼容性重点实验室，中国舰船研究中心 武汉 430064）

论文通过对典型船用电力电网的建模与仿真，获得了干扰源时变脉冲在电网中的共模传导特性，分析了电缆长度、脉冲前沿和对地分布电容等主要参量变化对电缆传导电磁干扰的影响程度。研究结果表明：电缆在传输高频脉冲时会产生畸变，电缆越长畸变越严重。控制脉冲前沿和电缆对地电容可有效抑制电缆对电磁干扰的传输。

船用电力电网；共模传导特性；电磁干扰

Class NumberTM15

1 引言

相较于以往船舶电力系统的设计，当今船舶设计较明显的变化是装备的成套电力与电子变流设备和装置的数量和功率有较大增加［1］。大量使用大功率电力电子变流设备，一方面能够大幅提高船舶在动力、驱动、探测等方面的性能，另一方面对船舶电力电网性能提出了更大的考验。工作在非线性开关状态下的电力电子开关器件不可避免地会产生各种电磁干扰，而这些产生的电磁干扰又会通过船上的电力电缆传播到各个用电设备上，对整船电磁兼容性产生影响，由此可能对船舶的安全性和功能性构成一定威胁［2～4］。因此，研究船载电力电网系统中电缆的电磁干扰传输特性意义重大。

2 三相电缆电磁干扰传导模型

船载电力电网系统中常用电缆为三芯电缆，通常还带有屏蔽层或金属护套［5］。对于此类多导体传输线系统，可以分别通过法拉第定律和电荷连续性方程推导出多导体传输线方程：

若能得到这样的矩阵，使得T－1VZTI以及T－1IZTV都对角化，即

则可以实现多导体线缆方程解耦，并且容易数值求解。为求得以上方程可以构造矩阵

求解该矩阵，可以得到未知系数I＋m和I－m。将I＋m和I－m代入到方程（4），则可以求解任意线缆处的电压和电流响应。

3 三相电缆结构及其共模干扰等效电路

在三相长电缆两端增加脉冲源以及负载后，并考虑对地分布电容，则三相长电缆结构如图1所示。

在考虑三相电缆共模干扰模型时，在将源端和负载端的对地分布电容考虑在内时，其等效电路如图2所示。

图1 三相电缆终端结构

图2 三相电缆共模传导干扰等效电路

4 仿真分析

4.1 仿真条件

三相电缆共模传导仿真电路如下所示，包括三相电缆的PSpice等效参数电路模型、激励源和电机模型。在三相电路，分布电容设定为3nF。

图3 三相电缆与电机共模传导仿真电路

由于三相电路中共模干扰源电压可以为正脉冲或负脉冲，因此假设脉冲激励源波形如图4所示。正负脉宽各10μs，脉冲前后沿均为0.2μs，仿真时长40μs。

图4 脉冲激励源波形

4.2 仿真结果

以下分别假设三相电缆长度为2m、20m和200m，通过仿真得到电缆始端和终端的屏蔽层电流波形如图5所示。三相电缆长度为20m时，电缆始端和终端的屏蔽层电流仿真结果如图6所示。

图5 三相电缆长度为2m时仿真图

图6 三相电缆长度为20m时仿真图

三相电缆长度为200m时，电缆始端和终端的屏蔽层电流仿真结果如图7所示。

图7 三相电缆长度为200m时仿真图

根据以上仿真结果可以看出：电缆长2m时，源端电流峰值为8.34A，终端为7.57A，衰减0.84dB；电缆长20m时，源端电流峰值为8.81A，终端为6.57A，衰减2.55dB；电缆长200m时，源端电流峰值为8.6A，终端为1.66A，衰减14.3dB。

以下将200m长电缆的源电压脉冲中的正脉冲前／后沿从0.2μs减小到0.1μs，负脉冲前／后沿保持0.2μs不变，得到屏蔽层电流波形如图8所示。

图8 三相电缆长度为200m，脉冲上升沿从0.2μs减小到0.1μs后仿真图

从上图中的时域波形可以看出，对于正脉冲，源端屏蔽层电流从原来的8.61A增大到14.66A；负载端屏蔽层电流从原来的1.66A减小到1.32A。

假设源端和负载端对地分布电容从原来的3nF增大到300nF，仿真得到的屏蔽层电流波形如图9所示。

图9 三相电缆长度200m，源端和负载端对地分布电容从原来的1nF增大到100nF后仿真图

从图9可以看出，源端和负载端对地分布电容增大为原来的100倍后，始端屏蔽层电流幅度从原来的8.61A增大到42A，负载端电流从原来的1.66A增大到39.4A。

5 结语

根据以上船用三相电缆电磁干扰传输特性仿真得到以下结论：

1）当电缆终端连接电机以传递电压脉冲时，由于高频条件下电缆阻抗与电机阻抗、脉冲源阻抗难以匹配，会使电机侧的电压波形出现畸变。畸变程度与反射系数、电缆长度、脉冲前沿有关。

2）三相电缆源端和负载端对地分布电容为数nF至数十nF时，屏蔽层（地回路）耦合电流仅在源端电压脉冲上升沿和下降沿时出现，且衰减较快；当互联电缆两端对地电容达到百nF量级时，共模电流持续时间将超过10μs，与源端电压脉冲宽度基本相等。因此，在设备上船后，应控制长电缆两端单相对地电容在100nF以内。

3）脉冲前沿越快，即电源的du／dt越大，对电缆始端分布电容的充电电流c·du／dt越大，因此在始端屏蔽层（地回路）中的电流越大。脉冲前沿每减小一半，始端屏蔽层（地回路）电流增大一倍；终端屏蔽层（地回路）电流基本不变。

4）针对船上电力电子设备，应尽量保证开通和关断时间应不低于200ns，以有效控制共模电流的幅度，同时避免电缆磁场辐射发射对射频设备构成干扰。

［1］L.Ran，S.Gokani，J.Clare，et al.Conducted electromagnetic emissions in inductionmotor drive systems.Ⅱ.Frequency domain models［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1998，13（4）：768－776.

［2］罗昉.三相电机驱动系统中电磁干扰及其高功率密度滤波方案研究［D］.武汉：华中科技大学博士论文，2010.

［3］Henry W.Ott.Noise reduction techniques in electronic system［M］.Second edition.New Jersey：Published by Livingston Inc.，2012.

［4］See，K.Y.Network for conducted EMI diagnosis［J］.Electronic Letters，2009，35（17）：1446－1447.

［5］Ting Guo，Chen D.Y，Lee RC.Separation of the common－mode and differential－modeconducted EMI noise［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，2010，11（3）：480－488.

Studyof EMI Transmission Characteristic of Marine Cable

WANG Lin1WANG Dongdong2LIU Yi2
（1.Navy Representative Office in 701Research Institute，Wuhan 430064）（2.The National Key Laboratory of EMC，China Ship Development and Design Centre，Wuhan 430064）

In this paper，the interference sources time－varying impulse common－mode transmission characteristics in power grid are obtained through modeling and simulation of a typical marine electric power grid.The influence degree of EMI transmission is analyzed through the cable when cable length，pulse front，distributed capacitance changed.The results show that distortion can be created when cable transmite high frequency pulse and the longer the more serious the distortion.Control pulse front and cable to ground capacitance can effectively inhibit EMI transmission.

marine power grid，common－mode transmission characteristics，EMI

TM15DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.045

2015年5月7日，

2015年625月 日

王林，男，工程师，研究方向：电气自动化工程。