线槽材质对高压线缆屏蔽影响仿真分析

牛晨旭 杨辰飞

摘 要：高压线缆连接动车组供电系统中主变压器以及其他高压电气设备，是主要的电力传输线缆。高压线缆布线不合理以及材质选择不当，均会造成电磁干扰严重的现象，电磁干扰会影响信号系统中轨道电路、车上信号的分析。文章通过对所选的三种线槽材料进行磁场仿真，利用仿真结果对线缆线槽选取合适材质提供理论依据。

关键词：高压线缆；电磁干扰；线缆材质

中图分类号：TM247 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0073-02

Abstract： High-voltage cable connecting the main transformer and other high voltage electrical equipment in EMU power supply system is the main power transmission cable. The unreasonable wiring of high-voltage cables and the improper selection of materials will cause serious electromagnetic interference， which will affect the analysis of track circuit and vehicle signal in the signal system. This paper simulates the magnetic field of three kinds of wire slot materials， and provides theoretical basis for selecting suitable material of cable slot using the simulation results.

Keywords： high-voltage cable； electromagnetic interference； cable material

引言

高壓电缆是为动车组运行传递所需电能的主要电力传输线缆，动车组供电系统中主变压器以及其他高压电气设备都是由高压线缆连接的。在动车组运行过程中，车顶受电弓从接触网获取25kV高压交流电能通过高压线缆传送给主变压器，变压器将高压交流电降压处理通过牵引变流器供电线缆为牵引变流器供电。[1]电能经过牵引变流器内整流环节和逆变环节的转换后，一部分转变成频率与电压可调的交流电，各个牵引电机将这部分电能转换为动车组的动能，从而牵引整个列车的运行；另一部分在牵引变流器中间环节处转换为直流电，并为动车组上其它用电设备提供其正常工作需要的电能。

1 高压线缆组成

动车组高压电缆的结构主要由导体，内屏蔽层，绝缘层，外屏蔽层，屏蔽编织层以及外护套组成。高压线缆在传输电能的过程中，内屏蔽层中的半导体材料可以与铜导体之间形成等电位，避免由于铜导体表面不光滑引起的电场集中，并且可以与绝缘层良好的接触，避免铜导体和绝缘层之间发生局部放电，而外屏蔽层的半导体材料则是为了防止绝缘层和护套之间的局部放电，因此如果没有内外屏蔽层的半导体材料，绝缘层就有可能被击穿，从而导致安全事故。[2]屏蔽编织层，即铜屏蔽层，通常在工程中进行接地，是导体产生的感应电流流入大地，起到了屏蔽的效果，除此之外，铜屏蔽层可以在绝缘层之间形成等电势，也可避免绝缘层薄弱处被击穿。[3]

2 线槽对高压线缆屏蔽仿真分析

根据动车组内部机械结构要求，高压线缆中的高压输入线从高压设备箱到牵引变压器箱布线时，为了避免高压输入线缆悬置对其他设备以及线缆造成影响，布线时将高压设备箱到牵引变压器箱这部分高压线缆置于紧邻的低压线槽的网络传感类隔舱内。

首先保障高压线缆不对临舱的压力传感器线缆造成电磁干扰，同时保证通有低频大电流的高压线缆产生的干扰磁场不泄露到外部空间以影响周围敏感设备的正常工作，因此在线槽接地良好的前提下，通过仿真分析线槽的材质对屏蔽的影响进而为线槽材质选取提供理论依据。

3 线槽材质对高压线缆屏蔽影响仿真分析

线槽材质的选择要综合考虑其价格、机械特性、电磁特性等因素。车载线槽通常分为金属和非金属两类，相比非金属线槽，金属线槽具有更好的导磁性和电磁兼容特性，因此对电磁干扰有更好的屏蔽效果。通过实验证明，干扰频率在1～100MHz范围内时，金属线槽对电磁干扰防护是使用非金属线槽防护的大约50倍。因此整车布线通常会选择金属线槽。

3.1 仿真设置

本节仿真采用铝，钢，铁氧体这三种常见的线槽材质。通过仿真对比三种不同材质线槽对高压线缆的屏蔽效果，为后续实际应用中线槽的选取提供理论依据。首先在SolidWorks三维软件中进行高压线缆和线槽建模，然后将模型导入Ansoft Maxwell电磁场仿真软件进行仿真。

仿真选用瞬态场求解器。激励源大小设置为I=600*sin（100*3.14*t）（A），t为系统时间函数，电流频率为50Hz。求解设置中起始时间设置为0s，仿真结束时间设置为0.2s，时间步长设置为0.01s。求解域设置为长方体求解域且长方体前后两面与线槽和线缆截面重合。

3.2 不同材质仿真结果对比

将线缆线槽的材料设置为铝，通过查询相关资料，铝的相对磁导率为1.000021。运行仿真软件后，可以得到0-0.2s高压线缆在电流峰值时周围的磁场分布示意图，如图1所示。

将线缆线槽的材料设置为不锈钢，其相对磁导率为1。运行仿真软件后，可以得到高压线缆在电流最大值时周围的磁场分布示意图，如图2所示。

将线缆线槽的材料设置为铁氧体，其相对磁导率为1000。运行仿真软件后，可以得到高压线缆在电流最大值时周围的磁场分布示意图，如图3所示。

对不同材质线槽的空间磁场分布进行对比分析，由于不锈钢和铝的导磁率较低并且接近空气的导磁率（空气磁导率近似为1），因此高压线缆产生的磁场会很均匀的分布在空间内，对临舱的传感器线缆有一定影响。[6]由于铁氧体作为铁磁性的金属氧化物具有很高的磁导率，其磁导率大小是空气磁导率的甚至近千倍甚至更大，线槽空间内磁感线分布不再是均匀扩散，磁场经过磁导率很高的铁氧体材料时，会沿着磁阻很小地方分布，所以出现了磁感线终止于线槽中间挡板和线槽底板的现象。[5]

3.3 MATLAB数据汇总分析

仿真计算得到传感器线缆芯线在不同时刻的感应电流密度数据，本文通过Matlab软件的数据处理功能，对仿真数据进行汇总，拟合出感应电流密度随时间变化的关系曲线。从电流密度变化曲线可以看出，在工频 （50Hz）时，磁场在铁氧体这样的高磁导率的铁磁材料中衰减比仿真中运用的铝和不锈钢材料大很多，传感器线缆周围的磁场被充分引导，使得电磁干扰降低。铁氧体作为典型的吸波材料，其能有效吸收入射的电磁干扰能量，并且将这部分干扰能量转化为热能和其他形式的能量而损耗掉。[7]

4 结束语

通过对以上三种材质的仿真结果分析可得出以下结论：由于通有低频大电流的高压线缆会产生很大的干扰磁场，因此线槽和隔板的材质需要选择导磁率较高的金属材料，这样的材料更有利于引导和吸收干扰磁场。

由于金属钢的导磁率比铝的高，而且传输阻抗相对较低，因此在对低频磁场信号进行屏蔽时，钢线槽的屏蔽效果要优于铝线槽。但是金属钢的密度比铝的密度大，因此相同结构的钢质线槽的质量比铝质线槽大得多，进而大大增加了整车的质量，影响了动车组的牵引和制动。铁氧体材料作为一种具有铁磁性的金属氧化物，具有较高的介电性能，该材料通常在高頻时具有较高的导磁率，并且成本较高，因此在线槽材质选择上作为备选材料。

综上所述，低频大电流的高压线缆在线槽内产生很强的磁场，在保证其接地良好、与敏感设备或线缆保持最大距离以及实际经济问题的基础上，尽可能选择磁导率高、磁阻小、对磁场有引导作用的铁磁性材料制作的屏蔽线槽对低频大电流的高压线缆进行磁场隔离屏蔽。

参考文献：

[1]樊友文，阎毓杰，许荣 .屏蔽电缆的耦合影响分析[J].舰船科学技术，2011（07）.

[2]娄鑫霞.电磁兼容中的测试与处理的若干关键技术研究[D].南京：南京师范大学，2013.

[3]史国中.综合布线系统设计与实现[D].重庆：重庆大学，2004.

[4]安利全，郑建明.三维布线技术在工艺中的应用[J].航天制造技术，2009，15（3）：22-26.

[5]孙治国.布线设计的模型和算法研究进展[J].系统工程与电子技术，2003，8（15）：1536-1541.

[6]蔡仁刚.电磁兼容原理设计和预测技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1997：31-39.

[7]欧健昌.电子设备的电磁兼容性设计[M].北京：电子工业出版社，2003：55-65.