动车组线槽内通信线缆电磁辐射干扰分析

刘洋

(大连交通大学 现代轨道交通研究院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

高速动车组与普通的电力机车相比，具有牵引设备更多、牵引功率更大、电气设备密度更高等特点.其中，主断路器、主变压器、滤波电抗器、主变流器、各种辅助电机、牵引电动机、控制电源、冷却风机等大功率设备共同存在于有限的空间中，这些高功率器件的电磁发射无疑成了主要的电磁辐射干扰源[1].在复杂电磁环境中，动车组网络控制通信线缆就会成为外界电磁能量的收集器，干扰会在线缆中激励起瞬态电流和电压，从而影响动车组网络数据传输的正确性和有效性.虽然动车组通信线缆在布线时大部分敷设在线槽内，但由于通风、散热、走线的需要，线槽上都开有形状各异、尺寸不同的孔缝，它们将成为外来电磁辐射直接耦合的通道，并引起通信线缆上的电磁干扰.因此，精确预测线槽内的电磁场分布，以及通信线缆上的耦合响应是十分重要的.

本文将线槽看做矩形屏蔽腔，采用等效源原理，借助孔缝上的等效磁流源作为中间量，求解线槽内耦合电场及通信线缆上电磁耦合响应.并对影响线槽内通信线缆辐射干扰的因素进行仿真分析，研究有助于动车组网络控制通信线缆的线槽和布线设计.

1 通信线缆辐射耦合模型

动车组通信线缆均采用屏蔽双绞线，现将空间电磁脉冲EMP与通信线缆的耦合问题分解成如下两个传输线系统进行分析[2]：一是由线缆屏蔽层与芯线组成的内传输线系统；二是由线缆屏蔽层与地平面组成的外传输线系统，如图1所示.

图1 空间电磁场照射下屏蔽双绞线耦合模型

通信线缆辐射耦合计算流程可概括如下：

第一步，计算出外传输线系统在空间EMP激励下的屏蔽层电流响应；

第二步，将上一步求解出来的电流与屏蔽层的转移阻抗相乘，从而求得内传输线系统的分布电压激励源；

第三步，求解分布源激励下的内传输线系统方程，从而最终得到线缆芯线在空间EMP作用下的响应.

2 辐射耦合响应求解

2.1 基于Agrawal模型的屏蔽层电流响应

本文选用Agrawal模型对动车组通信线缆的电磁耦合进行分析研究，其传输线方程为：

(1)

传输线上电流分布可以用格林函数来表示[3]：

(2)

格林函数GI写成如下形式：

沿线的分布电压源为：

式中，θ为入射角，且ψ+θ=π/2；φ为方位角；α为极化角；k=2π/λ，kd≪1.

终端负载集总电压源V1，V2分别如下所示：

(5)

(6)

将上述结果代入式(2)中，即可得到屏蔽层上的电流响应.

2.2 编织屏蔽体转移阻抗

目前动车组控制网络中使用的通信线缆釆用编织网状屏蔽层.描述编织层结构的参数包括：编织体半径a，编织层中每根编织线的直径d，编织的股数B，每股中的导线数n，编织结距p，编织角α，编织覆盖率K.

转移阻抗计算公式如下[4]：

ZT=Zd+jωM12

(7)

式中，Zd为散射阻抗;互感M12为穿越菱形缝隙的磁通产生.

散射阻抗近似为：

(8)

编织线缆的互电感近似值为：

2.3 芯线辐射耦合响应

根据前面计算的屏蔽层电流响应I(x)和转移阻抗ZT，得内传输线系统的分布电压源为：

(10)

外场激励下的通信线缆辐射耦合响应FDTD迭代公式为：

(11)

3 带孔线槽内耦合电场计算

通过前面分析可知，要求解线槽内通信线缆芯线辐射耦合响应，需计算线槽内耦合电场.

3.1 等效磁流源模型

动车组常用线槽上均为宽孔，即长宽比小于10大于等于1，为了简化分析，孔的形状选取为矩形孔，采用三角脉冲基函数法TPF[4- 6]，求孔上的等效磁流.

宽孔上的等效磁流可表示为[5]：

(12)

(13)

式中，Mxpq和Mypq为待定系数.

Ψpq(x,y)=Tp(x-xa)Pq(y-yb)

Φpq(x,y)=Pp(x-xa)Tq(y-yb)

孔长为l，孔宽为w；P，Q分别为剖分孔长和宽的个数，Δx=l/p，Δy=w/Q分别为孔网格剖分后的小网格的长、宽；定义Tp(t)和Pq(t)为三角函数和脉冲函数.

3.2 等效磁流源及内部耦合电场的确定

利用矩形腔体的并矢格林函数[6]，可得腔内耦合电场为：

sin(kyny)sin(kmn(z+c))

(14)

cos(kyny)sin(kmn(z+c))

(15)

sin(kxmx)sin(kyny)cos(kmn(z+c))

(16)

由文献[5]和文献[7]可得，腔内耦合磁场Hinner(-M)和孔上的等效磁流的散射磁Hsca(M)根据总的磁场强度矢量在孔缝上的切线分量必须连续，即：

ez×|Hsca(M)+Hinc|=ez×Hinner(-M),z=0

(17)

对上式利用伽辽金方法可解出等效磁流的待定系数Mxpq和Mypq，进而求出等效磁流源及线槽内耦合电场. 之后，由式(11)即可求得通信线缆上的耦合响应.

4 仿真及结果分析

通过求解可知，空间电磁场耦合到矩形腔内的电场强度与平面电磁波的入射方向和孔缝的尺寸等有关，且间接地影响矩形屏蔽腔内置线缆的电磁耦合响应.

选用动车组上的典型通信线缆线槽，建立如图2所示的仿真模型.其中，矩形线槽的腔体尺寸为1 000 mm×388 mm×178.5 mm，壁厚t=1.5 mm，观测点P坐标(500，194，-75)位于腔体中心，设置有电场探头.内置通信线缆长度为900 mm，距带孔平面75 mm.平面波激励源为双指数脉冲，取E0=10 kV/m为文献[8]中测得弓网离线最大辐射骚扰值，k=1.2，α=2×109s-1，β=7×108s-1，上升时间为0.001 67 us，下降时间为0.025 us.

图2 仿真模型

(1)极化方向的影响

在平面波垂直入射平面上开4×6个长方形孔，孔的尺寸为32 mm×18 mm.平面波的入射角为0°，方位角为0°，分别取极化角为0°(电场极化方向与孔的长边垂直)和90°(电场极化方向与孔的长边平行)进行仿真，并变换到频域.

由图3可以看出，当电场极化方向与长方形孔的长边平行时，耦合进入矩形线槽的电场强度较小，衰减下降了大约10 dB；而当电场极化方向与长方形孔的长边垂直时，线槽的屏蔽效果最差.据此可推断，极化方向与矩形孔的长边夹角越小，线槽的屏蔽效果越好.产生上述现象的原因是：电场极化方向与长方形孔的长边垂直时开孔截断线槽表面电流分布的作用更加显著，屏蔽体的散射场与入射场不能抵消，屏蔽体涡流反磁场的屏蔽作用减弱.

图3 观测点P处的场强

(2)孔长、宽尺寸的影响

平面波的入射角为0°，方位角为0°，极化角为0°(电场极化方向与孔的长边垂直).分两种情况进行分析：

情况一：长方形孔的宽度不变，只改变其长度，分别为size1=32 mm，size2=52 mm，size3=72 mm和size4=92 mm.由图4可以看出，随着长边的增大，线槽内电场强度增强，大约为2～3 dB.

图4 观测点P处的场强

情况二：长方形孔的长度不变，只改变其宽度，分别为size1=18 mm，size2=22 mm和size3=26 mm.

由图5可以看出，宽度改变时，线槽内耦合的电场强度变化不明显.

图5 观测点P处的场强

(3)孔阵数量的影响

平面波的入射角为0°，方位角为0°，极化角为0°(电场极化方向与孔的长边垂直).保持开孔总面积不变(面积为2 880 mm2)，将尺寸为30 mm×4 mm的孔沿长边方向n等分，这里取n=1,3,5.由图6可以看出，在开孔总面积不变时，随着开孔数量的增加耦合到线槽内的电场强度减弱.

图6 观测点P处的场强

5 结论

(1)在动车组通信线缆线槽的设计过程中，不论哪种开口方向都破坏了线槽的表面电流分布，因此，合理开孔的方向设计是提高线槽电磁兼容性的良好办法.通常情况下线槽上的开孔方向还要与线缆敷设方向相同；

(2)对于矩形孔来说，与电场极化方向垂直的边长变化，对线槽屏蔽效果的影响更大；

(3)在保证机械强度的前提下，应尽量增加线槽的开孔数量.但这并不意味着随着开孔数量的增加，线槽内耦合的电场可一直减小，当孔的数量增加到一定程度后，线槽内耦合电场衰减程度也将逐渐降低，因此进行线槽设计时应结合实际情况综合考虑.