电磁仿真在机车电磁兼容中的应用

谢华君 董亮

摘 要：本文阐述了电磁仿真应用于机车设计中的理念和可行性，以某内燃机车的电气线缆为例，借助电磁仿真软件建立了内燃机车线缆模型，从而分析了线缆的屏蔽、放置情况不同下的电磁场情况，对内燃机车线缆的选用设计给出了相应建议。本文着重从机车布线、屏蔽和接地三方面进行了优化分析，从而减少相应的电磁干扰，降低了车厢内低频磁场辐射强度。

关键词：电磁兼容；电磁仿真；电气线缆；机车

Abstract：The concept and feasibility of electromagnetic simulation applied to locomotive design are proposed.Taking the electric cable of a diesel locomotive as an example，the cable model of diesel locomotive is established by means of electromagnetic simulation software.The electromagnetic field conditions under different shielding and placement conditions of the cable are analyzed，and corresponding suggestions for the selection design of the diesel locomotive cable are given.This paper focuses on optimization analysis from three aspects of locomotive wiring，shielding and grounding，thus reducing the corresponding electromagnetic interference and reducing the low-frequency magnetic field radiation intensity in the cabin.

Key words：Electromagnetic compatibility；electromagnetic simulation；electrical cable；locomotive

众所周知，机车内的电磁环境是复杂、恶劣的，强电弱电各种信号交织在一个有限的空间和面积内。在传统的机车上，由于电力电子设备少，电磁环境对机车性能的影响不是那么的明显。但是随着电子技术的迅猛发展和机车可靠性、安全性能要求的提高，机车上已开始装配有越来越多的电力电子设备和电气设备，例如，高压、变频、网络通讯、微机控制等多种电子设备和电缆线束等。由于机车恶劣的电磁环境，既有大功率的辐射信号源，又有高灵敏度的传感器和通讯设备，这些设备装车后，有的性能不稳定，在机车的某些工况下出现死机等故障，有的不能正常工作，导致窜车等险情，以至造成重大的经济损失。[1]电磁兼容性是影响其性能可靠性的关键问题之一，因此必须将电磁兼容技术的应用贯穿于整个机车设计制造的流程之中。[2]

1 机车电磁仿真的意义

电磁兼容预测是一种通过理论计算对电子设备或系统的电磁兼容程度进行分析评估的方法。[3]通过对电磁干扰的预测和分析，可以对潜在的干扰进行定量的计算和估计，对电磁兼容措施与设计方法提供理论指导。[4]借助软件手段对机车的电磁干扰和电磁兼容问题进行仿真分析，是电磁兼容分析预测的实现途径之一。在机车设计阶段进行有效的电磁兼容仿真与分析，能够在系统和设备研制初期发现和解决出现的电磁兼容问题，保证机车研制的进度，提高产品质量。[5]将电磁兼容软件仿真分析应用于具体型号任务，可以提高机车的电磁兼容设计水平。通过仿真，预测和分析不同設计阶段的EMC问题，有效评估系统的性能是否达到要求，将无形的电磁场问题转化为有形，如果存在问题可以在设计前期将其解决，减少实验次数，控制设计风险，缩短研发周期并降低成本，提高机车的电磁兼容可靠性能。

2 机车电磁仿真的应用

2.1 机车电缆的建模

选取某内燃机车内的动力电缆，通过建立其三维模型，并设置相关的材料属性进行电磁仿真。内燃机车动力电缆参数为：

故仿真所建线缆结构：内层铜导体为11.4mm和绝缘层（聚氯乙烯PVC）厚度为2.8mm。为检验屏蔽层在动力电缆上的效果，建立一带屏蔽层结构的线缆：内层铜导体为11.4mm，内绝缘层（聚氯乙烯PVC）厚度为2mm，屏蔽层（铝Aluminum）厚度为0.5mm和外绝缘层（聚氯乙烯PVC）厚度为2.8mm。两根所建仿真线缆的长度均为1m。在仿真软件中建立的电缆三维模型如下图1所示。

2.2 机车电缆的仿真分析

添加工频电源进行仿真，在线缆正上方1m处设置观测点。图2为电缆的电场分布图，图3为屏蔽线缆上方1m处的电场强度，从仿真结果中可以看出，无屏蔽层电缆上方1m处的电场强度约为5.8V/m，有屏蔽层电缆上方1m处的电场强度接近于0，带有屏蔽层的电缆的电场分布显然要比不带屏蔽层的电缆的电场分布弱得多。由于机车内空间有限，强电、弱电设备众多，线缆铺设交织紧凑，辐射干扰会通过空间传播进入到邻近的电缆及电子设备，影响其正常使用。从仿真中可以看出，屏蔽电缆能有效的防止电磁辐射干扰，由于金属对电磁波的反射、吸收和趋肤效应，能够有效的降低电缆内传输信号对外的电磁辐射。

三相电缆芯线相对位置主要有两种常见形式：并排直线布置和等边三角形布置。针对上述两种形式对屏蔽线缆进行仿真，结果如图4所示。从图中可知，三相屏蔽线缆平行放置的电场强度约为0.03V/m，而等边三角形放置时的电场强度约为0.009V/m。相比于并排直线布置方式，当三相屏蔽电缆采用等边三角形布置时，具有更佳的电场屏蔽效能。

影响屏蔽电缆屏蔽效果的主要因素是屏蔽层的接地形式。电缆屏蔽层接地方式主要有2种：单端接地和双端接地。选取一500kHz谐波干扰信号对线缆的屏蔽性能进行仿真，仿真结果如图5所示。图中屏蔽层不接地时的电场强度约为2.75V/m，单端接地时的电场强度约为0.06V/m，而双端接地时的电场强度接近于0。故对于电场屏蔽，屏蔽层电缆需要进行接地处理，单端接地与双端接都能取得很好的结果，而双端接地的效果更优。

线缆槽既可以对线缆进行物理防护，又可以对线缆的电磁辐射进行屏蔽，有无线缆槽的屏蔽效果如图 6中（a）、（b）所示。图中（a）无隔板两个线缆间的电场相互交织影响，而在（b）加入隔板后两根线缆的电场隔离开来。故线缆槽中间应加入隔板，不同类型的线缆敷设在不同的线槽格内，并尽可能地彼此远离，这样可以减少线缆彼此间的辐射干扰。

屏蔽线缆对于工频磁场的屏蔽效果相对于电场屏蔽效果的作用相当有限。如图7所示为屏蔽线缆上方1m处的磁场强度，两者的磁场强度很接近。电缆的屏蔽层只对电场具有屏蔽作用，对工频磁场的屏蔽效果很弱。

针对工频磁场的屏蔽只能用具有一定厚度、磁导率高的铁磁材料来约束磁力线在铁磁材料内部运动，避免空间内的传播。其屏蔽效果如图8所示，不加高磁导率材料屏蔽的线缆上方1m处的磁场强度约为0.045A/m，而加高磁导率材料屏蔽层的线缆上方1m处的磁场强度约为0.005A/m。如图9所示可知，磁场强度会随着距离的增加而迅速地衰减。故为了保证电磁环境不对人体造成影响，在机车布线中应考虑电缆线束和乘客区域间保持尽可能大的间距。

3 结语

对于机车线缆线束的研究，可以为抑制线缆间的干扰、正确使用各种线缆线束及合理布线提供可靠的依据。本文对内燃机车中特定的线缆线束进行了建模、仿真分析，该电磁仿真方法能够较准确、快速地计算出线缆线束间电磁场分布，对机车布线及排除故障具有指导意义。

参考文献：

[1]刘玉文，王立德.内燃机车电气设计中的电磁兼容性[J].铁道机车车辆，2000（04）：37-39+5.

[2]熊明彬，廖忠文.电磁兼容技术在SDA1型交流傳动内燃机车中的应用[J].技术与市场，2015，22（01）：5-7+12.

[3]高攸纲.电磁兼容技术展望及建议（上），2005.

[4]高攸纲，张苏慧.电磁兼容技术展望，2009.

[5]Frei S.Where we stand today with automotive EMC simulation[C].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility.IEEE，2008：1-9.

[6]杨世武.铁路信号电磁兼容技术[M].北京：中国铁道出版社，2015.

[7]冯玉明，高世萍，徐跃，张博.三相屏蔽电缆布线对磁场屏蔽效能的影响[J].安全与电磁兼容，2017（06）：45-48.

[8]李保霞，郭振通.地铁列车电缆布线的磁场研究[J].城市轨道交通研究，2014，17（03）：54-58.

项目名称：无接触网供电城轨车辆关键技术及装备研制（2017YFB1201003）