地铁线缆串扰仿真分析与测试验证

谢莉凤 吕继方 蒋忠城 杨 颖 王先锋 张 俊 王远腾

(1.中车株洲电力机车有限公司技术中心,412001,株洲; 2.珠海格力电器股份有限公司,519070,珠海；3.北京经纬恒润科技有限公司，100192,北京∥工程师)



地铁线缆串扰仿真分析与测试验证

谢莉凤1吕继方2蒋忠城1杨 颖1王先锋1张 俊1王远腾3

(1.中车株洲电力机车有限公司技术中心,412001,株洲; 2.珠海格力电器股份有限公司,519070,珠海；3.北京经纬恒润科技有限公司，100192,北京∥工程师)

地铁车辆中各种线束之间的相互串扰问题已成为地铁电磁兼容设计的一个重要问题。通过仿真与测试相结合的手段进行线缆线束串扰研究,对辅助逆变器周围不同类型的线缆线束进行建模,进行频域、时域及S参数仿真,并通过试验验证该仿真方法的正确性与有效性。对地铁车辆线缆线束串扰进行仿真研究,能够有效指导地铁的布线设计,提高地铁设计水平。

地铁； 线缆线束; 串扰; 传输线

First-author′s address R & D Center,CRRC Zhuzhou Electric Locomotive Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地铁是一种集机械、电气及电子设备于一体的大型装置,电子电气系统之间、设备之间的互连结构复杂,走线空间小,且采用的电缆种类较多,(包括大功率主电路电缆、辅助电缆、控制电缆、信号线、通信线、数据总线等),各种线缆线束之间的相互串扰将使得车辆电磁环境变得异常复杂。这已成为地铁电磁兼容设计面临的一个重要问题[1]。

本文将以辅助逆变器输出电缆线作为干扰源,单线、双绞线、屏蔽双绞线作为敏感源,建立仿真模型,得到仿真结果,并进行试验验证。

本仿真是基于电磁仿真软件EMCstudio v7.0[2]进行的。EMCstudio是一款可发现线缆线束等实际工程EMC(电磁兼容)问题的精确分析工具,可混合使用矩量法、等效源、传输线、网格分析、物理光学等多种方法精确分析复杂综合大系统(如车辆、飞行器、船舶等)的电磁分布、串扰、耦合、敏感性、电磁干扰衣架虚拟电磁兼容测试等问题。

1 仿真模型建立

综合考虑该地铁中线缆线束传输信号类型及车辆布线的实际情况,选取辅助逆变器输出电缆线及周围线缆作为研究对象。串扰对象示意图如图1所示。

为了使仿真结果更接近真实值,对车身、辅助逆变器及周边部件进行建模。对于车身结构及部件模型的建模,采用从整车设计的三维图纸中提取车身模型。为了简化仿真时间,仅保留车身金属部分,因为非金属部分对电磁干扰的影响非常小。同时将车身模型简化为无厚度的金属表面,这可以大大降低网格数量[3]。车体和部件模型如图2所示。本文主要为线缆串扰仿真,因此需要考虑线缆两端的电气部件。对于电气部件，采用黑盒建模的方法建立频域等效电路模型,通过简单的测试获得所需模型参数。该等效模型包含干扰源、源阻抗、终端阻抗,它们都是频率的函数。该模型能够反映出该线缆对外的总干扰。

图2 车体、部件与线束模型

线束模型需要包括线束的结构信息和电气特性。结构信息包括线束长度、路径、布局等。将建立的线束路径段赋予电气特性,如线缆数量、类型、线径、材料等,形成完整的线束模型。对于本文研究对象,我们根据车辆实际布线情况,在软件中按照线束坐标手动添加线束模型,包括辅助逆变器输出端口的线束模型和与其平行的线束模型(分别建立1 m长单线、双绞线和屏蔽双绞线[4],并且与辅助逆变器输出线束距离约为5 mm),如图3所示。

图3 线束模型

在建好的线束模型中添加终端设备Dv_1、Dv_2、Dv_3,并在仿真软件中搭建仿真电路,在终端设备中添加相应的激励源与终端匹配电阻,并分别建立单线、双绞线与屏蔽双绞线的电路等效模型,如图4所示。

图4 仿真电路图

2 测试方案

图5为对实车进行线缆串扰测试方案图。测试时车辆的工况为静止升弓状态,并开启辅助逆变器及负载。在测试中,将电流卡钳放置在辅助逆变器输出端口,采集其端口处的射频电流,同时使用示波器测量受扰线上的电压。此次测试中,分别使用1 m长单线、双绞线、屏蔽双绞线作为受扰线,将其沿辅助逆变器输出一相平行走线,线距约为5 mm。由于车辆走线已经固定,无法轻易改变其走线,故采用上述方法进行测试验证。

图5 线缆串扰测试方案图

3 测试结果分析

3.1 时域干扰分析

本文所采用的辅助逆变器输出电压为50 Hz、380 V,故在仿真时设置辅助逆变器输出终端Dv_1为50 Hz、380 V电压源与50 Ω输入阻抗串联,分别对单线、双绞线、屏蔽双绞线进行仿真,仿真结果如图6所示。从图6中可以看出,单线上产生的耦合电压约为9 mV,双绞线上产生的耦合电压约为2.8 mV,屏蔽双绞线上产生的耦合电压约为0.35 mV,因而,对于50 Hz输出线,其对邻近线干扰作用很小。

图6 380 V干扰源仿真结果

该辅助逆变器的开关频率为16 kHz,故选用16 kHz 的PWM(脉宽调制)脉冲源模拟开关噪声,并将其设置为最恶劣情况,即PWM占空比接近100%,分别对辅助逆变器输出端口1 m平行单线、双绞线、屏蔽双绞线的串扰进行仿真。图7给出仿真与测试的对比图。从图7可以看到,仿真结果与测试结果符合较好。对于时域干扰,开关电源噪声对于附近线缆的影响远远大于50 Hz周期电压产生的影响,因此在以后设计中,需要对能够产生开关变量的部件进行重点考虑,对其周边线缆线束布局布线进行更好的优化[5]。

图7 时域仿真与测试对比图

3.2 频域干扰分析

由于实车测试环境与测试设备的限制,无法对受扰电缆进行频域干扰测试,故在本文中仅给出频域干扰的仿真结果。使用电流卡钳采集到的射频电流源做为仿真干扰源,由于电流卡钳的测试范围为9 k～2 MHz和2 M～30 MHz,故在仿真时分两次进行,图8为频域干扰仿真结果。对于同一干扰源,单线、双绞线和屏蔽双绞线上耦合电压的频率分布一致,且耦合电压的大小为：V屏蔽双绞线

图8 频域仿真结果图

3.3 频域S参数仿真

S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数,可用于评估二端口反射信号和传送信号的性能。对于线缆线束串扰分析,需要考虑参数S21(如果以Port1作为信号的输入端口,Port2作为信号的输出端口,S21参数为端口1匹配时,端口2到端口1的反向传输系数,即插入损耗,代表有多少能量被传输到目的端Port2)。一般来说S21参数小于-10 dB时,可认为无干扰风险。按照图所示的电路结构,建立S参数的二端口网络进行仿真,仿真频率范围为0～30 MHz,得到单线、双绞线及屏蔽双绞线的S21值,如图9所示。从图9中可以得到,对于单线在0～30 MHz频率范围内,S21参数大于-10 dB,故当380 V输出电压0～30 MHz范围内有较大干扰时,对邻近线平行线有干扰风险;对于双绞线,在30 MHz以内,S21参数均小于-10 dB,双绞线的抗扰性能比单线好;对于屏蔽双绞线,S21参数在30 MHz范围内很小,屏蔽和双绞均提高了传输线的抗扰性能。

图9 S参数仿真结果图

3.4 相关措施

通过上述仿真分析可知,屏蔽双绞线的抗干扰能力最好,双绞线次之,单线最差,因此在地铁线缆设计时,为了减少线缆间的串扰,需考虑线缆所在的电磁环境及所传输信号的属性。在地铁线缆线束布线设计和实施过程中,可采用如下措施[6]:

(1) 根据电缆应用的电压等级、功率及传输信号特点对电缆进行分类;

(2) 对于不同类别的电缆尽可能分开布置;

(3) 对于传输高频及敏感信号的线缆应进行屏蔽,且屏蔽层应进行多点接地。

(4) 对于强干扰线缆线束(如辅助逆变器、牵引逆变器等输入输出线)周边布线,可在设计时利用仿真计算出周边线缆线束的串扰大小,从而确定周边线缆线束的布线位置及线缆线束类型,提高布线水平,减少车辆成型后布线整改问题。

4 结语

对线缆线束间的串扰研究,能够得到线缆线束在电子电气设备中带来的干扰大小,从而为抑制这些干扰、正确使用各种线缆线束及合理布线提供可靠的依据。本文对地铁中特定的线缆线束进行了建模、仿真,并进行了试验验证,该方法能够较准确、快速地计算出线缆线束间的串扰,对地铁布线及排除故障具有指导意义。

[1] 邵志江.线缆线束串扰的时域特性研究[D].南京:南京航空航天大学,2010.

[2] 吕继方,蒋忠城,谢莉凤,等.地铁电磁兼容性的多级联合仿真[J].城市轨道交通研究,2014,17(6):121.

[4] Clayton R.Paul.电磁兼容导论[M].闻映红,译.北京:机械工业出版社,2006.

[5] 李国锋,王肃清.电磁兼容技术在机车变流器布线中的应用[J].机车电传动,2008,9(5):27.

[6] 李华祥.电磁兼容在电力机车布线中的设计[J].铁道机车车辆,2008,28(1):9.

Simulation Analysis and Test Verification of Metro Cable CrosstalkXIE Lifeng, LYU Jifang, JIANG Zhongcheng, YANG Ying, WANG Xianfeng, ZHANG Jun, WANG Yuanteng

In metro vehicle electromagnetic and capacity design, the cable crosstalk has become a serious problem.In this paper, simulation and experiment test are used in cable crosstalk research, different types of cable around the auxiliary inverter are modeled. Then, the time domain, frequency domain andSparameter are simulated to verify the effectiveness of this method. The result shows that the simulation could effectively guide the wiring design and enhance the design level for metro cable crosstalk.

metro; cable; crosstalk; transmission line

U 231.7

10.16037/j.1007-869x.2016.05.017

2014-09-02)