摘要：該文針對(duì)地鐵車輛客室內(nèi)的低頻磁場(chǎng)輻射問題，重點(diǎn)考察車載設(shè)備以外的影響因素。雖然通常認(rèn)為車輛下方的線纜輻射會(huì)影響客室內(nèi)的磁場(chǎng)分布，但這方面的研究相對(duì)缺乏。該文借助Feko軟件平臺(tái)，以地鐵車輛的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了線槽和線纜布局的模型，并以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的諧波電流值作為模擬分析的激勵(lì)輸入。通過將線纜輻射作為唯一激勵(lì)源，對(duì)線纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并與型式試驗(yàn)實(shí)測(cè)磁場(chǎng)值進(jìn)行對(duì)比。通過仿真可知，線纜對(duì)客室內(nèi)磁場(chǎng)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)低于型式試驗(yàn)中在相同位置測(cè)得的總輻射量。這為處理類似問題提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；Feko；低頻磁場(chǎng)；線纜輻射

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.004

中圖分類號(hào)：TN 03；U 231 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：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

近幾年來，國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠越發(fā)重視車輛的電磁兼容仿真分析，低頻磁場(chǎng)問題更是其中的關(guān)鍵研究方向。從理論層面分析，客室車輛的低頻磁場(chǎng)激勵(lì)源，一方面來源于車下設(shè)備，另一方面來自車下功率線纜，其中設(shè)備的影響占主導(dǎo)作用。

目前，軌道交通電磁環(huán)境的主要研究?jī)?nèi)容缺乏對(duì)問題整體的預(yù)測(cè)對(duì)比，牽引電流的增大確實(shí)會(huì)增大車廂內(nèi)低頻磁場(chǎng)的強(qiáng)度等級(jí)。文獻(xiàn)[1]對(duì)柜內(nèi)大功率電纜的低頻電磁場(chǎng)分布進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

本文將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集功率線纜的諧波電流值，作為原始輸入仿真線纜的輻射情況，對(duì)比整車型式試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，評(píng)估線纜輻射量的占比。這便于對(duì)該類型仿真分析深度把控。

1 基本原理

本文采用電磁仿真軟件Altair FEKO進(jìn)行仿真軟件求解計(jì)算。FEKO軟件提供的全波數(shù)值算法與多導(dǎo)體傳輸線混合求解技術(shù)（如MoM/MTL、FEM/MTL、MLFMM/MTL等）是處理包含線纜在內(nèi)的任意結(jié)構(gòu)體EMC/EMI問題最為成熟和有效的方法，可分析得到空間的電磁場(chǎng)分布以及進(jìn)入或流出線纜束的端口電流。

2 模型及激勵(lì)輸入

2.1 車下線纜網(wǎng)絡(luò)建模

基于車輛設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合布線設(shè)計(jì)圖紙，搭建車下線纜網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)試驗(yàn)線車輛車下線纜布局進(jìn)行建模還原，如圖1所示。

2.2 線纜激勵(lì)數(shù)據(jù)采集

在上述對(duì)應(yīng)車輛中開展線纜諧波采集試驗(yàn)，如圖2所示?；诰€纜網(wǎng)絡(luò)建模階段中對(duì)線纜的選取，在車下相應(yīng)位點(diǎn)安裝電流傳感器，按照磁場(chǎng)強(qiáng)度等級(jí)試驗(yàn)要求的工況運(yùn)行條件動(dòng)車。諧波測(cè)試設(shè)備開啟最大值保持模式，捕獲車輛功率線纜的諧波電流值，作為線纜激勵(lì)的原始輸入。

2.3 整車模型處理

結(jié)合客室車廂結(jié)構(gòu)模型以及車下線纜網(wǎng)絡(luò)模型，并進(jìn)行一定程度的模型簡(jiǎn)化，完成整車低頻磁場(chǎng)仿真模型的搭建?？傮w來說，車廂結(jié)構(gòu)由車頂、左側(cè)墻、右側(cè)墻、車廂底板以及電氣柜組成，車底下有牽引電機(jī)、逆變器、制動(dòng)電阻、高壓箱等設(shè)備的抽象模型。由于本仿真重點(diǎn)關(guān)注線纜的輻射影響，不關(guān)注設(shè)備箱體的激勵(lì)情況，因此，整車模型不對(duì)設(shè)備箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。同時(shí)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化車身3D模型，將蜂窩鋁合金型材側(cè)墻簡(jiǎn)化為3 cm厚的單塊金屬板，進(jìn)一步壓縮計(jì)算量，如圖3所示。

參考型式試驗(yàn)位點(diǎn)選取，設(shè)置磁場(chǎng)計(jì)算位點(diǎn)，后者范圍做到對(duì)前者的全覆蓋。

3 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過計(jì)算得到不同頻率不同高度的磁場(chǎng)云圖分布情況。通過圖4可知，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨客室車廂內(nèi)監(jiān)測(cè)平面高度的增加快速衰減。本文重點(diǎn)關(guān)注0.3 m高度處的磁場(chǎng)情況，如圖5所示。

與車廂內(nèi)功率設(shè)備上方低頻磁場(chǎng)幅值采集如圖6～圖8所示。

通過對(duì)比可知，在低頻情況下，車廂內(nèi)部磁場(chǎng)值實(shí)測(cè)均在5 nT以上。而對(duì)于線纜輻射，在抽樣頻率下的輻射值均在0.1 nT以下，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)值。因此，建議在進(jìn)行低頻磁場(chǎng)仿真時(shí)視情況有選擇地考慮車下線纜的影響。

4 結(jié)束語

開展工程仿真應(yīng)注重把握關(guān)鍵對(duì)象、關(guān)鍵問題。軌道車輛低頻磁場(chǎng)仿真作為一個(gè)電大尺寸問題，前期的模型簡(jiǎn)化處理對(duì)后續(xù)工作影響深遠(yuǎn)。線纜的空間輻射經(jīng)過線槽以及車體的衰減，相對(duì)較為微弱，因此，項(xiàng)目實(shí)施過程中應(yīng)著重關(guān)注車載設(shè)備的空間輻射指標(biāo)，并開展相應(yīng)仿真分析。本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，論證了本文的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[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.