关键词：线槽；线缆；电磁兼容；电磁屏蔽；HFSS

【中图分类号】TM15 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2019）03-0000-00

1 引言

在列车运行过程中，故障的来源大多是传感器采集信号受到干扰的原因，曾经京广铁路线产生的故障，多次是由于传输线缆受到电磁干扰所致^[1]。因此，研究线缆对整车电磁兼容具有指导EMC设计、降低EMC风险、预测EMC问题，并提出相应措施的实用价值。

从整车布线角度分析，研究线缆的电磁兼容特性，可以有效减少甚至避免因线缆放置杂乱、铺设不合理而产生的EMC问题，因此，合理布线对列车运行起着至关重要作用。

首先，根据线槽和线缆实际尺寸，利用三维软件Solidworks建立仿真模型，线缆选择具有代表的两种线缆；然后，选择列车正常工况下的最大电流作为激励，采用ANSYS HFSS进行模拟仿真，其仿真内容为线缆之间的串扰；最终，根据仿真结果对比分析线缆干扰情况。

2 国内外研究现状

目前，随着中国列车快速稳定的发展，不少电磁兼容专家就列车线缆串扰问题做了相关研究，为列车电磁兼容做出了诸多贡献。例如：刘建强等专家对CRH3动车组通讯系统中TCN总线相互间的近端EMC进行了研究^[2]；贺德强等人对列车的网络控制系统进行了研究，得出了网络控制系统遵循EMC标准^[3]。此外，有研究者在《电力牵引电流对25Hz相敏轨道信号电流的影响分析》中，针对大功率电缆影响通讯信号进行了理论说明，并对可能产生的结果，做出了相应的解决方案。

国外文献《电信网中有电力线路和电气化铁路引起的干扰》中研究了牵引电流对信号线缆EMC的影响^[4]。

3 研究理论基础

麦克斯韦在前人的基础上学习总结发现了电磁波的存在，并进行研究得出了电磁场的麦克斯韦方程组^[5]：

其中：B——是磁感应强度；D——是电通量；H——是磁场强度；E——是电场强度；J——是电流密度。

随着科学技术的发展，电磁问题一直是科学家学者关注的热点，在航海、航空、军事等方面应用相当广泛。虽然电磁场中的麦克斯韦方程组应用相当成熟，由于电磁场看不见给研究者带来了挑战，但就电磁技术问题一直在研究进行，不曾被忽视。

4 建模仿真

4.1 建模

在三维软件SolidWorks中建立线缆和线槽模型，尺寸以实际为准。其中，本文线缆选用影响EMC明显的具有代表性的线缆，如1500V大功率的动力线缆和通讯系统中的MVB总线，大功率线缆主要由外护套、绝缘层、导体几部分组成，是主要的干扰源；而MVB线缆是双绞线，从内至外依次为导体，绝缘层，绕包，屏蔽层，外护套，对外界环境极其敏感。

本文线槽选用常见的线槽，分别建立不含隔板的线槽和含有隔板的线槽两种。

两种线槽模型如下：

（1）无隔板线槽中，左边是动力线缆，右边是MVB线缆，铺设位置如图1所示。

图1 不含隔板线槽和线缆

（2）含有隔板线槽中，左边是动力线缆，右边是MVB线缆，中间是3mm厚度的铜质（Copper）隔板，铺设位置如图2所示。

图2 含有隔板线槽和线缆

4.2 激励分析

地铁列车实际工作情况下，干扰（骚扰）源的线缆有动力类和控制类线缆，由于动力类线缆比控制类线缆产生的干扰更大，本文只针对动力类线缆激励进行分析。1500V大动力线缆在牵引工作条件下通过的总电流最大值为1706A，单根电流最大值为426A，在再生制动情况下，通过线缆的最大总电流为1654A^[6]，单根线缆电流最大值为414A，本文选择最大值426A作为动力线缆的激励。MVB通讯线缆电压电流较小，对外界产生的干扰较小，在本文仿真中可忽略不计。

4.3 仿真

在SolidWorks建立的模型导入到ANSYS HFSS中，在HFSS中进行以下设置：

（1）仿真采用ANSYS HFSS 3D模块；

（2）选择实际工况下最大电流为激励；

（3）网格剖分选择自适应。

两种线槽仿真结果如图3-图4所示。

（1）不含隔板线槽中，动力线缆对MVB线缆的磁场强度分布效果图如图3所示。

图3 不含隔板线槽MVB受扰磁场图

最大磁场强度大小为：H=2.4740*10^-2A/m。

（2）含有隔板线槽中，动力线缆对MVB线缆的磁场强度分布效果图如图4所示。

图4 含有隔板线槽MVB受扰磁场图

最大磁场强度大小为：H=8.3429*10^-3A/m。

4.4 结果分析

从上述含有隔板线槽和不含隔板的线槽仿真结果可以得出，MVB线缆在不含有隔板的线槽中受到动力线缆的最大磁场强度为H=2.4740*10^-2A/m，而MVB线缆在含有隔板的线槽中受到大动力线缆的最大磁场强度为H=8.3429*10^-3A/m，明显看出前者比后者大，两种结果在数值上差了一个数量级。两种仿真模型中，只是相差一个隔板，说明隔板在后者中起到了电磁屏蔽的作用。

因此，整车布线过程中，在干扰源与受扰设备（或线缆）之间可以通过添加隔板的方式，可以达到减小电磁场干扰的作用。

5 结论

本文主要建立了线槽线缆耦合仿真模型，对其电磁兼容特性进行了研究， 为整车的布线提供了强有力的理论支撑，为指导整车EMC设计、评估EMC风险有很好的帮助。主要工作成果如下:

（1）通过电磁兼容的理论分析和仿真原理的理解，完成了线槽线缆建模仿真。

（2）若线缆电磁场超标，可以将同类线缆捆扎在一起，合理敷设在线槽中，并在线槽中加入适当厚度的金属隔板，从而提高其电磁兼容特性。