高鐵動(dòng)車(chē)組電磁兼容仿真技術(shù)

高速動(dòng)車(chē)組運行機制復雜，對電磁兼容性提出了更高要求?；陔姶怒h(huán)境對高速動(dòng)車(chē)組的影響，將傳感器信號線(xiàn)和車(chē)底高壓輸電線(xiàn)組成仿真系統，從串擾電壓、串擾耦合系數等因素全面開(kāi)展了電磁兼容技術(shù)仿真分析。分析結果表明：電磁干擾主要發(fā)生于10 MHz以上，其中在41 MHz附近最大，且隨著(zhù)信號線(xiàn)長(cháng)度的增加而增大。以上技術(shù)參數對高速動(dòng)車(chē)組行車(chē)安全和高速鐵路運營(yíng)有借鑒意義。

高速動(dòng)車(chē)組是集網(wǎng)絡(luò )通信、高壓、變頻、計算機控制技術(shù)于一體的系統設備，內含多種電纜線(xiàn)束和電子設備，不僅含有大功率輻射信號源，也存在高靈敏度通信設備和傳感器。在強弱電信號相互交織的空間內，高速動(dòng)車(chē)組電磁兼容性要求更高，有針對性地開(kāi)展技術(shù)分析至關(guān)重要。

高速動(dòng)車(chē)組作為集網(wǎng)絡(luò )通信、高壓、變頻、計算機控制技術(shù)于一體的復雜設備，內部布局非常緊密，尤其是電纜敷設密度較高，而大部分設備的電磁兼容問(wèn)題都是電纜故障引發(fā)的。車(chē)載電纜具有高效的電磁波接收及輻射天線(xiàn)，不僅為有效傳導形成了良好條件，也混入了干擾傳導。在高速動(dòng)車(chē)運營(yíng)過(guò)程中，傳感器大部分時(shí)間都在采集信號，形成了電磁干擾污染。據京廣線(xiàn)2012年統計數據，發(fā)生的115次故障大部分是由傳感器傳輸信號電磁干擾引起的。此外，高速動(dòng)車(chē)組在電氣化的鐵路線(xiàn)路上運行，也導致其電磁環(huán)境非常復雜。電磁環(huán)境干擾包含內部干擾和外部干擾兩部分。內部干擾包含設備內部的元件發(fā)熱、大功率和高電壓部件產(chǎn)生的磁場(chǎng)、電場(chǎng)耦合對其余部件產(chǎn)生的影響等；外部干擾包含高壓接觸網(wǎng)、移（動(dòng)）電話(huà)、手提電腦、空間電磁波、牽引電路、自然雷電沙暴等。高速動(dòng)車(chē)組電磁環(huán)境同時(shí)也會(huì )對外部環(huán)境產(chǎn)生干擾，例如，電磁波對帶有心臟起搏器的人產(chǎn)生的影響，以及對無(wú)線(xiàn)電通信造成的影響等。

仿真選擇基于CRH2研發(fā)的CRH2C動(dòng)車(chē)組，時(shí)速達到250 km。作為新的系統，必須做好電磁兼容性設計，確保各個(gè)部件滿(mǎn)足最（理）想的布局要求。

2.1 仿真模型

按照CRH2C動(dòng)車(chē)組的傳感器信號線(xiàn)布線(xiàn)方式、高壓輸電線(xiàn)布線(xiàn)方式，建立車(chē)底高壓電纜同轉向架傳感器線(xiàn)纜之間的相對位置，具體如圖1所示。兩根電纜距地面的距離分別為h1、h2，車(chē)底高壓輸電線(xiàn)半徑和傳感器信號線(xiàn)半徑分別為r1、r2。此外，車(chē)底高壓輸電線(xiàn)屏蔽層半徑和傳感器信號線(xiàn)屏蔽層半徑分別為r1p、r2p，兩導線(xiàn)的中心間距為d。在仿真系統中代入工程應用參數，即可開(kāi)展仿真分析。

2.2 仿真分析

2.2.1 傳感器信號線(xiàn)上的串擾電壓

設高壓輸電線(xiàn)上的騷擾電壓幅度為25 kV，隨著(zhù)電源工作頻率的變化，受到干擾的傳感器信號線(xiàn)上的電壓曲線(xiàn)如圖2所示?？梢钥闯?，信號線(xiàn)在41 MHz頻率附近出現最大的干擾電壓，其幅值為925 V；在10 MHz、20MHz及30 MHz等位置也會(huì )有較大的干擾電壓出現。

2.2.2 頻率對串擾耦合系數的影響

如果頻率低于10 MHz，串擾耦合系數最小為-190 dB，最大為-95 dB，對應于串擾感應電壓最小值7.9 μV和最大值0.445 V。處于50 Hz的市電時(shí)，串擾耦合系數為-168 dB，對應于串擾感應電壓99.5 μV。結合圖2和圖3的分析，表明高壓輸電線(xiàn)的干擾主要發(fā)生于10 MHz以上。

2.2.3 信號線(xiàn)長(cháng)度對串擾耦合系數的影響

串擾耦合系數總體上隨著(zhù)傳感器信號線(xiàn)長(cháng)度的增加而增大。據相關(guān)文獻指出，導線(xiàn)間部分參數的增大也會(huì )導致串擾電壓增大。所以，并行信號線(xiàn)長(cháng)度應盡量減小，實(shí)現串擾的合理控制。

隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，高速動(dòng)車(chē)組的應用越來(lái)越廣泛，電磁兼容問(wèn)題也越來(lái)越突出。所以，本文就高速動(dòng)車(chē)組電磁兼容仿真技術(shù)進(jìn)行了分析，得出結論包括：部件設計時(shí)要求布局科學(xué)；在高壓輸電線(xiàn)周?chē)O置屏蔽設施；最（大）程.度減少并行信號線(xiàn)長(cháng)度；在10MHz以上，特別是41 MHz附近頻段做好防護等。希望本文對高速動(dòng)車(chē)組行車(chē)和高速鐵路運營(yíng)全局安全提供一定的參考作用。