CRH3G型高速动车组电气综合柜电缆串扰问题分析及建议措施

汪星华 郝明远 才 倩

(中车唐山机车车辆有限公司技术研究中心， 063035， 唐山∥第一作者， 高级工程师)

在有限的空间中线缆布线对于轨道车辆的电磁兼容性而言是至关重要的。我国的高速动车组布线一般根据EN 50343—2003《铁路应用 机车车辆布线规则》进行设计。通常情况下，CRH3型动车组电气柜为110 V直流电压线缆空开，但CRH3G型高速动车组的车载综合电气柜中装有电压为440 V/60 Hz的动力单元水泵风扇、变压器油泵风扇，且牵引通风机空开，此外还布置了110 V直流电压空开。虽然通过空开、断路器等开关器件可对电路中的电流进行控制，但当电流超过一定的阈值时，电路中的断路器会自动断开，以避免因通风机温度过高而造成通风机损坏、牵引动力系统故障等问题。随着电流和功率的增大，空开和断路器的接通与断开，以及通风机电控设备、牵引动力设备、变压器及空开等非线性设备的起动均会产生大量的瞬时突变电流，瞬时突变电路进入电路后将形成电磁骚扰，影响低压弱电设备的正常工作。因此，有必要对CRH3G动车组的440 V电缆是否会与其他电缆之间发生串扰、进而对综合电气柜内的低压弱电电缆造成干扰这一问题进行分析研究。

1 不同电压线缆在综合电气柜内的分布及所连接设备的电流与功率

1.1 不同电压线缆所连接设备的电流与功率

110 V直流低压弱电设备主要由TCU(牵引控制单元)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)脉冲触发控制信号，其工作电流约为5 A，预充电阶段的电流约为7 A(充电时间仅需几秒)。交流440 V/60 Hz线缆连接的用电设备有变压器冷却泵和两个动力单元水泵风扇，各设备的电流、功率如表1所示。

表1 交流 440 V/60 Hz连接设备的电流、功率

1.2 综合电气柜内不同电压线缆的布置情况

440 V交流电缆与110 V直流电缆在综合电气柜外两线并行走线的长度为1 500 mm，在综合电气柜内两线紧贴综合电气柜后面板布线，其平行走线长度为1 640 mm。440 V交流电缆所连接的空开安装在综合电气柜右侧壁上的屏蔽箱内，该屏蔽箱长、宽、高的尺寸分别为518 mm、317 mm、80 mm。

2 440 V交流电缆与110 V直流电缆的参数计算

2.1 线缆分布参数计算

在电路原理图中传输线仅仅是一对理想的连接导线，但在实际使用中传输线具有电阻、电容、电感，如图1所示，本文对440 V交流电缆与110 V直流电缆间传输线模型进行分析。

注：rwG——440 V缆线的半径；rwR——110 V缆线的半径；S——两根缆线间的距离；hG——440 V缆线距离地面的高度；hR——110 V缆线距离地面的高度；r1Sh——440 V缆线屏蔽层的半径；r2Sh——110 V缆线屏蔽层的半径；t1Sh——440 V缆线屏蔽层的厚度；t2Sh——110 V缆线屏蔽层的厚度。

2.1.1 分布电感计算

440 V缆线的分布电感可由地面上单根导线的分布电感求得：

(1)

式中：

lGG——440 V电缆单位长度的自电感；

μ0——真空磁导率。

110 V缆线单位长度的分布电感lRR为：

(2)

440 V交流电缆与110 V直流电缆之间单位长度的互电感lGR为：

(3)

2.1.2 分布电容计算

110 V直流电缆屏蔽层与其芯线间电容CR2S为：

(4)

式中：

ε0——真空电容率；

εr——线芯电容率。

440 V电缆屏蔽层与其芯线间电容CG1S为：

(5)

2.2 440 V交流电缆与110 V直流电缆终端负载计算

已知440 V交流电缆所连接的负载中，最大功率为8 000 W，最小功率为2 000 W。根据公式P=U2/R(P为功率，U为电压，R为电阻)，可计算出其负载阻抗的最大值为96.8 Ω，最小值为24.2 Ω。当阻抗最小时，线路中的电流最大。

取110 V直流电缆两端所连设备的阻抗为匹配阻抗50 Ω。因为110 V直流电缆控制的空开的额定电流为2 A，所以若110 V直流电缆上存在的干扰信号电流大于1 A，则空开的控制电路将受到干扰，此时控制电路会因接收到非正常信号而动作。

3 440 V交流电缆与110 V直流电缆间串扰分析

3.1 电气柜外并行线缆串扰分析

在CST CABLE STUDIO(线缆仿真工作室)软件中建立440 V/60 Hz和110 V线缆模型，分空开没有动作、空开动作两种情况，对两线间的串扰进行分析。

3.1.1 空开没有动作

空开没有动作情况下所建立的电路模型如图2所示。设两线间距为5 mm，在综合电气柜外两线平行走线距离为1.5 m。其中：X440_P_1和X440_P_2分别为440 V交流电缆的输入端和输出端，在输入端加440 V、60 Hz的交流激励源；X110_P_1和X110_P_2分别为110 V直流电缆的输入端和输出端，在输入端不加任何激励。记录110 V电缆输入端因线间串扰所引起的端口电压和电流。

图2 综合电气柜外部空开没有动作下440 V交流电缆与110 V直流电缆两线间的串扰分析电路模型

由上文可知，当440 V交流电缆连接最大功率(8 000 kW)负载时，经计算其负载阻抗为24.2 Ω，线路中的电流最大。本文将此工况定义为最大功率负载，此时110 V电缆输入端的串扰电流波形如图3所示。由图3可知，110 V直流电缆上串扰电流的最大值约为20 μA，远小于1 A。所以，当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在空开不动作的情况下，440 V交流电缆不会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

图3 综合电气柜外部空开没有动作下440 V交流电缆上承载最大功率负载时110 V直流电缆上的串扰电流波形

当440 V交流电缆连接最小功率(2 000 kW)负载时，其负载阻抗为96.8 Ω，线路中的电流最小。将此工况定义为最小功率负载，则此时110 V电缆输入端的串扰电流波形如图4所示。由图4可知，串扰电流的最大值为20 μA左右，远小于1 A。所以，当440 V交流电缆连接最小功率负载时，在空开不动作的情况下，440 V交流电缆不会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

图4 综合电气柜外部空开没有动作下440 V交流电缆上承载最小功率负载时110 V直流电缆上的串扰电流波形

3.1.2 空开动作时

若440 V交流电缆控制的空开有瞬态干扰时，则线间串扰的仿真模型如图5所示。设两线间距为5 mm，在综合电气柜外两线平行走线距离为 1.5 m。其中，X440_P_1与X440_P_2为440 V交流电缆空开处的输入端和输出端；X110_P_1和 X110_P_2为110 V直流电缆的输入端和输出端。

图5 综合电气柜外部空开动作下440 V交流电缆与110 V直流电缆两线间的串扰分析电路模型

440 V交流电缆空开动作时产生的瞬态干扰可用电快速瞬变脉冲群信号来模拟。参照GB/T 17626.4—2006《电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验》，车载设备控制端口对电快速瞬变脉冲群的抗扰度应达到1 kV，脉冲重复频率为5 kHz。因此，在X440_P_1与X440_P_2间加入快速脉冲群，在440 V交流输入端记录该快速脉冲群的电压和电流；在110 V直流电缆的输入端X110_P_1处不加任何激励，记录110 V电缆输入端因线间串扰所引起的端口电压和电流。

空开动作时产生的1 kV模拟脉冲群信号如图6所示。对其中的1个脉冲信号进行放大，其结果如图7所示。

图6 综合电气柜外部空开动作时产生的1 kV 模拟脉冲群信号

图7 单个脉冲波形Fig.7 Single pulse waveform

当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在440 V电缆输入端加上1 kV的快速脉冲群信号，分析110 V电缆输入端得到因串扰引起的电流波形。

当440 V交流电缆连接最小功率负载时，在440 V电缆输入端加上1 kV的快速脉冲群信号，分析110 V电缆输入端得到由串扰引起的电流波形。

经分析，空开动作下440 V交流电缆上分别承载最大功率、最小功率负载，在110 V电缆上出现的串扰电流的最大值均为4 A左右，均大于1 A。所以，当空开动作时，440 V交流电缆可能会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

3.2 综合电气柜内部线缆串扰分析

与电气柜外线缆分析类同，综合电气柜内部线缆串扰分析也分为空开没有动作、空开动作两种情况。

3.2.1 空开没有动作

440 V交流电缆与110 V直流电缆在综合电气柜内部有1 640 mm的并行走线，且两线间隔很小(5 mm)，440 V交流电缆和110 V直流电缆均为1.5 mm2的细线。空开没有动作情况下建立的串扰分析电路模型如图8所示。其中：X440_P_1为440 V交流电缆的输入端；X440_P_2为440 V交流电缆的输出端；X110_P_1为110 V直流电缆的输入端；X110_P_2为直流电缆的输出端。在X440_P_1端加上60 Hz、440 V的交流激励源，记录此处的电压和电流。在110 V直流电缆的输入端X110_P_1处不加任何激励，记录此处因线间串扰所引起的端口电压和电流。

图8 综合电气柜内部空开没有动作下440 V交流电缆与110 V直流电缆两线间的串扰分析电路模型

当空开没有动作时，当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在440 V交流电缆的输入端加上440 V、60 Hz的交流激励源，在110 V直流电缆的输入端不加任何激励，110 V电缆的输入端得到因串扰引起的电流波形如图9所示。由图9可知，此时串扰电流的最大值约为30 μA，远小于1 A。所以，当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在空开不动作的情况下，440 V交流电缆不会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

图9 综合电气柜内部空开没有动作下440 V交流电缆上承载最大功率负载时110 V直流电缆上的串扰电流波形

当440 V交流电缆连接最小功率负载时，110 V电缆输入端得到由串扰引起的电流波形如图10所示。由图10可见，此时串扰电流的最大值约为15 μA，远小于1 A。所以，当440 V交流电缆连接最小功率负载时，在空开不动作的情况下，440 V交流电缆不会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

图10 综合电气柜内部空开没有动作下440 V交流电缆上承载最小功率负载时110 V直流电缆上的串扰电流波形

3.2.2 空开动作时

若440 V交流电缆控制的空开有瞬态干扰时，则线间串扰的仿真模型如图11所示。其中：X440_P_1表示440 V交流电缆控制的空开瞬态操作点。记录110 V直流电缆的输入端由串扰引起的端口电压及电流。空开动作时产生瞬态干扰依然采用1 kV的电快速瞬变脉冲群信号来模拟。

图11 综合电气柜内部空开动作下440 V交流电缆与 110 V直流电缆两线间串扰分析电路模型

当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在440 V交流电缆输入端加上1 kV、间隔为5 kHz的快速脉冲群信号，分析110 V电缆的输入端得到因串扰引起的电流波形可知，串扰电流的最大值为1.8 A左右，大于1.0 A。所以，当440 V交流电缆连接最大功率负载时，在空开动作的情况下，440 V交流电缆可能会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

当440 V交流电缆连接最小功率负载时，在440 V交流电缆输入端加上电快速瞬变脉冲群信号为1 kV、间隔为5 kHz的快速脉冲群信号，分析110 V电缆输入端得到由串扰引起的电流波形可知，此时串扰电流的最大值为1.8 A左右，大于1.0 A。所以，当440 V交流电缆连接最小功率负载时，在空开动作的情况下，440 V交流电缆可能会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。

3.3 线缆间串扰问题的解决方案

由上文可知，当440 V交流电缆中传输60 Hz交流电信号时，110 V直流电缆上的串扰电流很小，不会对110 V直流电缆供电的设备造成干扰。但是，当440 V交流电缆中出现瞬态脉冲信号时，110 V直流电缆上的串扰电流很大，可能会造成110 V直流电缆供电的设备误动作。针对这一问题，可使用以下两种方式解决。

3.3.1 分线槽布线

对综合电气柜外的1.5 m并行走线而言，根据线缆分类原则，将440 V交流电缆及110 V直流电缆分置于车底不同的线槽中。综合电气柜内部的布线也可采取加槽处理，在机柜后面板内部新增1个宽度、高度、长度分别为40 mm、40 mm、1 640 mm的线槽，使其紧靠后面板布置，并距离右侧壁50 mm。以440 V交流电缆的承载最大功率负载为例，在综合电气柜外部和内部均进行加槽处理后，分析110 V直流电缆上的串扰电流可知，分线槽布线后110 V直流电缆上串扰电流的最大值减小到0.25 A，小于1.00 A，可保证由110 V直流电缆供电的设备不受440 V电缆瞬态脉冲信号的干扰。

3.3.2 加大两线间的距离

线间串扰问题均可通过增加两线间的距离来予以减弱。将并行布线的440 V交流电缆与110 V直流电缆的间距增加至10 mm，再次分析110 V直流电缆上的串扰电流可知，当两线间的距离增加至10 mm时，综合电气柜内部110 V直流电缆上的串扰电流的最大值为0.7 A左右，综合电气柜外部110 V直流电缆上的串扰电流的最大值为0.9 A左右，均小于1.0 A。可见，当两线的间距为10 mm时，110 V直流电缆供电的设备能够不受440 V交流电缆瞬态脉冲信号的影响。

4 结语

由上文分析可知，CRH3G型高速动车组车载电气柜内存在不同电压的线缆，在空开不动作或440 V交流电缆中不存在大的脉冲骚扰信号时，不会影响110 V弱电设备的正常工作，否则有可能导致110 V设备误动作。当不同电压的两线之间的距离增大到10 mm时，可明显降低瞬态骚扰信号的串扰，所以，在空间允许的情况下，应适当加大线缆之间的距离。若隔离距离无法满足要求时，应采用分线槽布线的方式，以尽可能减少线间串扰。