地铁车辆线缆辐射对客室低频磁场影响的仿真

摘要：该文针对地铁车辆客室内的低频磁场辐射问题，重点考察车载设备以外的影响因素。虽然通常认为车辆下方的线缆辐射会影响客室内的磁场分布，但这方面的研究相对缺乏。该文借助Feko软件平台，以地铁车辆的设计参数为基础，构建了线槽和线缆布局的模型，并以现场实测的谐波电流值作为模拟分析的激励输入。通过将线缆辐射作为唯一激励源，对线缆产生的磁场进行了仿真分析，并与型式试验实测磁场值进行对比。通过仿真可知，线缆对客室内磁场的贡献远低于型式试验中在相同位置测得的总辐射量。这为处理类似问题提供了一定的参考。

关键词：轨道车辆；Feko；低频磁场；线缆辐射

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.004

中图分类号：TN 03；U 231 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2024）07-00-03

Simulation of the Influence of Subway Vehicle Cable Radiation on Low-Frequency Magnetic Field in Passenger Compartments

LIU Xiaojing1， FENG Lina1， MU Xiaotong2， XIA Xiatong3

（1. CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China; 2. Beihang University， Beijing 100191， China; 3. Shenzhen Beihang Testing Co.， Ltd.， Shenzhen 518052， China）

Abstract： This article focuses on the low-frequency magnetic field radiation problem in the passenger compartment of subway vehicles， with a focus on examining the influencing factors beyond onboard equipment. Although it is generally believed that the radiation from cables under vehicles can affect the magnetic field distribution in the passenger compartment， research in this area is relatively lacking. The article utilizes the Feko software platform， based on the design parameters of subway vehicles， to construct a model of cable tray and cable layout， and uses the on-site measured harmonic current values as the excitation input for simulation analysis. The magnetic field generated by the cable was simulated and analyzed by using cable radiation as the sole excitation source， and compared with the measured magnetic field values in type tests. Through simulation， it can be seen that the contribution of cables to the magnetic field in the passenger compartment is much lower than the total radiation measured at the same position in the type test. This provides a certain reference for dealing with similar problems.

Keywords： rail vehicles; Feko; low frequency magnetic field; cable radiation

0 引言

近几年来，国内各主机厂越发重视车辆的电磁兼容仿真分析，低频磁场问题更是其中的关键研究方向。从理论层面分析，客室车辆的低频磁场激励源，一方面来源于车下设备，另一方面来自车下功率线缆，其中设备的影响占主导作用。

目前，轨道交通电磁环境的主要研究内容缺乏对问题整体的预测对比，牵引电流的增大确实会增大车厢内低频磁场的强度等级。文献[1]对柜内大功率电缆的低频电磁场分布进行了预测。

本文将现场试验采集功率线缆的谐波电流值，作为原始输入仿真线缆的辐射情况，对比整车型式试验的测试结果，评估线缆辐射量的占比。这便于对该类型仿真分析深度把控。

1 基本原理

本文采用电磁仿真软件Altair FEKO进行仿真软件求解计算。FEKO软件提供的全波数值算法与多导体传输线混合求解技术（如MoM/MTL、FEM/MTL、MLFMM/MTL等）是处理包含线缆在内的任意结构体EMC/EMI问题最为成熟和有效的方法，可分析得到空间的电磁场分布以及进入或流出线缆束的端口电流。

2 模型及激励输入

2.1 车下线缆网络建模

基于车辆设计参数并结合布线设计图纸，搭建车下线缆网络模型，对试验线车辆车下线缆布局进行建模还原，如图1所示。

2.2 线缆激励数据采集

在上述对应车辆中开展线缆谐波采集试验，如图2所示。基于线缆网络建模阶段中对线缆的选取，在车下相应位点安装电流传感器，按照磁场强度等级试验要求的工况运行条件动车。谐波测试设备开启最大值保持模式，捕获车辆功率线缆的谐波电流值，作为线缆激励的原始输入。

2.3 整车模型处理

结合客室车厢结构模型以及车下线缆网络模型，并进行一定程度的模型简化，完成整车低频磁场仿真模型的搭建。总体来说，车厢结构由车顶、左侧墙、右侧墙、车厢底板以及电气柜组成，车底下有牵引电机、逆变器、制动电阻、高压箱等设备的抽象模型。由于本仿真重点关注线缆的辐射影响，不关注设备箱体的激励情况，因此，整车模型不对设备箱体内部结构进行建模。同时为了进一步简化车身3D模型，将蜂窝铝合金型材侧墙简化为3 cm厚的单块金属板，进一步压缩计算量，如图3所示。

参考型式试验位点选取，设置磁场计算位点，后者范围做到对前者的全覆盖。

3 仿真与试验数据对比

通过计算得到不同频率不同高度的磁场云图分布情况。通过图4可知，磁场强度随客室车厢内监测平面高度的增加快速衰减。本文重点关注0.3 m高度处的磁场情况，如图5所示。

与车厢内功率设备上方低频磁场幅值采集如图6～图8所示。

通过对比可知，在低频情况下，车厢内部磁场值实测均在5 nT以上。而对于线缆辐射，在抽样频率下的辐射值均在0.1 nT以下，远小于试验值。因此，建议在进行低频磁场仿真时视情况有选择地考虑车下线缆的影响。

4 结束语

开展工程仿真应注重把握关键对象、关键问题。轨道车辆低频磁场仿真作为一个电大尺寸问题，前期的模型简化处理对后续工作影响深远。线缆的空间辐射经过线槽以及车体的衰减，相对较为微弱，因此，项目实施过程中应着重关注车载设备的空间辐射指标，并开展相应仿真分析。本文从设计角度出发，通过现场的试验验证，论证了本文的内容。

参考文献

[1] Xie D， Lu J， Lei F， et al. Simulation and analysis of radiated electromagnetic environment from cable in cabin[C]//2013 5th IEEE International Symposium on Microwave， Antenna， Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications. IEEE， 2013.