基于Ansoft Maxwell 的动车组高压线缆屏蔽仿真

牛晨旭，韩增盛，时 蕾，吕 蒙

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460）

0 引言

随着高速动车组技术发展，列车所应用的高功率、高灵敏度、高传输速率的电气及电子设备日趋智能化，连接各种设备的网络更加繁琐，导致动车组内的电磁环境复杂性逐渐提高[1]，从而导致系统产生的电磁兼容问题日趋显著。动车组牵引系统中主变压器、逆变器等高压电气设备均需通过高压线缆实现电力传输。连接不同功率设备的线缆长期处于复杂的电磁环境中，容易产生严重的电磁干扰现象。大量的电磁干扰能量如果耦合到与行车安全相关的设备，将会导致动车组系统异常工作，甚至系统瘫痪[2]。因此，对动车组高压线缆进行屏蔽仿真有很大的现实意义。

1 高压线缆布线分析

动车组中高压线缆通过车顶受电弓接受电能后，其输入线缆和回流线缆沿车体侧壁进入车内，使用专用的固定装置将线缆固定，如图1 所示。

图1 高压线缆布线示意图

高压线缆属于A 类强干扰源，由于通有低频的大电流，因此在周围空间内产生较强的交变磁场，极易对周围敏感设备及线缆产生影响，因此有必要对高压线缆进行防护处理[3]。首先对根据高压线缆和回流线的特点进行布线处理，然后对高压线缆进行屏蔽层的接地，最后利用屏蔽体对高压线缆和回流线进行再次屏蔽。

动车组内部电气及电子设备的电源以及信号都有电流从源端流经各自的通路进入负载，然后再沿返回通路返回到源端从而形成环路，这期间可能会发生电感耦合，其干扰强度主要和导线回路区域面积的大小有关[4-5]。如果能使环路所围成的面积尽可能小，则可以很好的改善电路的电磁兼容性。如图2 所示，图（2）的布线设计使回路面积缩小，因此具有较好的电磁兼容性能。

图2 发送和返回电流通路布线

动车组项目中高压线缆和回路线缆进入车内后，尽可能靠近整个动车组表面的地方并且保证线缆间的距离合适，减小回路面积[6]，从而改变高压线缆及其回路线缆之间的互感来降低耦合到相邻线缆的干扰电压，避免因为距离过大产生较大的电流回路，从而成为强磁场干扰源并产生涡流效应。

2 高压线缆屏蔽层接地分析

屏蔽层两端接地可以使电路的回流电流通过屏蔽层流回源端，由于芯线电流产生磁场方向与屏蔽层上回流电流产生的磁场方向相反，因此线缆芯线上可能产生的电磁干扰会被抵消或者减弱，而屏蔽层上的回流电流还可以防止外部磁场产生的电磁干扰对屏蔽线缆的干扰[7]。

动车组上的高压线缆由于其传输的低频大电流信号会产生很强的电磁干扰，极易影响到周围敏感设备以及线缆的工作，因此，通常在考虑其屏蔽线缆芯线内电流幅值和频率的前提下将其屏蔽层进行两端接地，从而不仅满足高压线缆的屏蔽效能，降低电磁辐射，还顾及到热效应对线缆自身的影响。

另外，临舱内的压力传感器线缆的屏蔽层也需要进行两端接地。其原因有两个方面：一是由于压力传感器线缆传输的高频信号会产生高频集肤效应，高频信号产生的交变磁场使线缆内电流都聚集在屏蔽层的内表面，而由于两点接地形成的回路电流会聚集在屏蔽层的外表面，且芯线电流和回流电流的方向相反，大小几乎相等，则产生的磁场干扰正好抵消，保证了线缆中信号的正常传输；另一方面则是由于压力传感器线缆内部传递的数据频率比较高，干扰频谱范围比较宽，单纯的滤波措施不能有效地提高数据通讯线缆的抗干扰能力。

最后在进行屏蔽层接地时需要注意的是如果选择线缆屏蔽层两点接地，则必须保证两个接地点为等电位的。因为如果两个接地点间存在电位差，屏蔽层就会出现干扰电流，影响线缆内部的信号。

3 高压线缆外加屏蔽体及仿真分析

在动车组布线过程中，将高压线缆和及其回流线尽可能的紧靠在一起，并且保证两根线缆的屏蔽层两点接地。然而为了进一步降低高压线缆向外辐射电磁干扰能量并且达到项目需求中要求的，距离高压线缆0.5 m 范围内磁场强度小于0.08 A/m。因此在保证高压线缆和回流线布线良好以及高压线缆屏蔽层两点接地的基础上，可以在高压线缆与回流线缆固定良好后，利用屏蔽金属管进行再次屏蔽，如图3 所示。由于高压线缆通有低频大电流，干扰耦合以磁场耦合为主，电场分量可以忽略，此时以磁场屏蔽为主，因此选用磁导率较高，并且成本比较适中的不锈钢管。除此之外，不锈钢管的厚度也应该适中，这是由于当不锈钢管较厚时，其吸收损耗较大，这样当电磁波穿过屏蔽体第一个分界面到达第二分界面时就会很小，再次反射回屏蔽体内部的电磁波能量将会更小，多次反射的影响也较小，电磁干扰能量容易泄露到外部空间；当金属屏蔽管很薄时，吸收损耗也会很小，此时多次反射损耗变大，也会有干扰能量的泄露，因此项目中将不锈钢管厚度定为0.5 mm。

图3 高压线缆加屏蔽钢管示意图

Ansoft Maxwell 是工业生产广泛采用的电磁场分析软件，可以用于静电场、静磁场、温度场等多场景问题的求解，功能强大，结果精确[8]。根据仿真需求，在Ansoft Maxwell 软件进行三维建模。将高压线缆及其回流线紧贴在一起，保证回路面积为零，并且在两根线缆的屏蔽层端面加0V 电压源，表示线缆两点接地。在此基础上分别对高压线缆不加屏蔽不锈钢管、加屏蔽不锈钢管但不锈钢管不接地、加屏蔽不锈钢管而且不锈钢管接地，这3 种情况进行仿真，对比每种情况的屏蔽效果。

仿真选择瞬态求解器。建立测量平面，通过平面的移动捕捉以高压线缆为圆心，不同半径内磁场强度最大值[9]，在ParametricSetup 中设置起始点Start 为0mm，终点Stop 为500 mm，步长Step 为10 mm。Solve Setup 中Start time 设置为0 s，Stop time 设置为0.2 s，Time step 设置为0.01 s。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。

为了满足方案二中屏蔽不锈钢管的接地，仿真采用Ansoft-Maxwell 中的外接电路模块Maxwell Circuit Edit。激励源由外接电路模块提供。为了保证方仿真条件一致性，方案一、方案二、方案三均采用同样模块仿真。

方案一：对高压线缆不加屏蔽措施直接进行仿真。方案一仿真模型示意图如图4 所示。

图4 方案一高压线缆仿真模型

将两根高压线缆芯线作为激励源设置为绕组激励LWinding1、LWinding2，绕组激励两端的近端电阻和远端电阻均设置为50 Ω，电流源设置为I= 500 A，且两个电流源电流方向相反。方案一外接电路示意图如图5 所示。

图5 方案一外接电路示意图

方案二：在高压线缆两根线外套上不锈钢屏蔽管（管厚0.5 mm）且不锈钢屏蔽管不接地再次进行仿真。由于不锈钢屏蔽管没有构成电路回路，所以方案二的外接电路示意图与方案一相同。方案二仿真模型示意图如图6 所示。

图6 方案二高压线缆仿真模型

方案三：在高压线缆两根线外套上不锈钢屏蔽管（管厚0.5 mm）且管的两端接地再次进行仿真。方案三与方案二仅在外接电路上有所不同，Ansoft 仿真模型示意图相同。

将两根高压线缆芯线和不锈钢屏蔽管作为激励源 设 置 为 绕 组 激 励LWinding1、LWinding2、LWinding3，绕组激励两端的近端电阻和远端电阻均设置为50 Ω，电流源设置为I= 500 A，且两个电流源电流方向相反，不锈钢屏蔽管两端分别接地。方案二外接电路示意图如图7 所示。

图7 方案三外接电路示意图

仿真计算得到高压线缆在不同水平距离处的磁场强度数据，通过Matlab 汇总整理，拟合出水平距离与磁场强度的关系曲线，如图8 所示。

图8 磁场强度随距离变化曲线

由图8 可以看出，高压线缆产生很强的磁场干扰，在高压线缆外加屏蔽金属管进行屏蔽能有效降低干扰磁场的强度，而将屏蔽金属管两端接地会进一步降低不同距离的干扰磁场强度。这是由于高压线缆对屏蔽金属管产生的感应电流，屏蔽金属管两端接地后会与大地形成回路，感应电流产生的磁场会与大地回流产生的磁场大小相等，方向相反，相互抵消，从而使高压线缆产生的强磁场屏蔽在金属管内。

通过对仿真数据的提取，3 种方案对应的高压线缆水平距离0.5 m 处磁场强度最大值见表1。

表1 高压线缆水平距离0.5 m 处磁场强度最大值

由表1 可知，当高压线缆不加任何外部屏蔽措施时，水平距离0.5 m 处磁场强度最大值为0.12977 A/m，无法满足项目需求，可能对周围敏感设备或线缆造成干扰；当加金属屏蔽管后，由于金属对干扰磁场的吸收，水平距离0.5 m 处磁场强度最大值降为0.0075076 A/m，大致满足项目需求；当将屏蔽金属管进行接地后，金属管内的感应电流沿接地导体流入大地，将干扰磁场全部限制在金属屏蔽管内，使得水平距离0.5 m 处磁场强度最大值降为0.003567 A/m，对高压线缆产生了非常好的屏蔽效果。

4 结论

动车组布线过程中，对于从车外进入车体内的高压线缆，通过加屏蔽金属管并且金属管接地可以有效地降低其磁场的干扰。这种方式可以推广到车内其他低频大电流线缆的布线。如果低频大电流线缆在走线过程中，由于车内结构、自身位置等特殊因素不能通过增大与敏感设备或线缆距离、改变自身排列方式、并入线槽等方式解决自身产生的电磁干扰，可以利用外加磁导率较高的屏蔽金属管并且两端接地来进行隔离。