CRH3G型高速動(dòng)車組電氣綜合柜電纜串?dāng)_問(wèn)題分析及建議措施

汪星華 郝明遠(yuǎn) 才 倩

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司技術(shù)研究中心， 063035， 唐山∥第一作者， 高級(jí)工程師)

在有限的空間中線纜布線對(duì)于軌道車輛的電磁兼容性而言是至關(guān)重要的。我國(guó)的高速動(dòng)車組布線一般根據(jù)EN 50343—2003《鐵路應(yīng)用 機(jī)車車輛布線規(guī)則》進(jìn)行設(shè)計(jì)。通常情況下，CRH3型動(dòng)車組電氣柜為110 V直流電壓線纜空開(kāi)，但CRH3G型高速動(dòng)車組的車載綜合電氣柜中裝有電壓為440 V/60 Hz的動(dòng)力單元水泵風(fēng)扇、變壓器油泵風(fēng)扇，且牽引通風(fēng)機(jī)空開(kāi)，此外還布置了110 V直流電壓空開(kāi)。雖然通過(guò)空開(kāi)、斷路器等開(kāi)關(guān)器件可對(duì)電路中的電流進(jìn)行控制，但當(dāng)電流超過(guò)一定的閾值時(shí)，電路中的斷路器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，以避免因通風(fēng)機(jī)溫度過(guò)高而造成通風(fēng)機(jī)損壞、牽引動(dòng)力系統(tǒng)故障等問(wèn)題。隨著電流和功率的增大，空開(kāi)和斷路器的接通與斷開(kāi)，以及通風(fēng)機(jī)電控設(shè)備、牽引動(dòng)力設(shè)備、變壓器及空開(kāi)等非線性設(shè)備的起動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生大量的瞬時(shí)突變電流，瞬時(shí)突變電路進(jìn)入電路后將形成電磁騷擾，影響低壓弱電設(shè)備的正常工作。因此，有必要對(duì)CRH3G動(dòng)車組的440 V電纜是否會(huì)與其他電纜之間發(fā)生串?dāng)_、進(jìn)而對(duì)綜合電氣柜內(nèi)的低壓弱電電纜造成干擾這一問(wèn)題進(jìn)行分析研究。

1 不同電壓線纜在綜合電氣柜內(nèi)的分布及所連接設(shè)備的電流與功率

1.1 不同電壓線纜所連接設(shè)備的電流與功率

110 V直流低壓弱電設(shè)備主要由TCU(牽引控制單元)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)脈沖觸發(fā)控制信號(hào)，其工作電流約為5 A，預(yù)充電階段的電流約為7 A(充電時(shí)間僅需幾秒)。交流440 V/60 Hz線纜連接的用電設(shè)備有變壓器冷卻泵和兩個(gè)動(dòng)力單元水泵風(fēng)扇，各設(shè)備的電流、功率如表1所示。

表1 交流 440 V/60 Hz連接設(shè)備的電流、功率

1.2 綜合電氣柜內(nèi)不同電壓線纜的布置情況

440 V交流電纜與110 V直流電纜在綜合電氣柜外兩線并行走線的長(zhǎng)度為1 500 mm，在綜合電氣柜內(nèi)兩線緊貼綜合電氣柜后面板布線，其平行走線長(zhǎng)度為1 640 mm。440 V交流電纜所連接的空開(kāi)安裝在綜合電氣柜右側(cè)壁上的屏蔽箱內(nèi)，該屏蔽箱長(zhǎng)、寬、高的尺寸分別為518 mm、317 mm、80 mm。

2 440 V交流電纜與110 V直流電纜的參數(shù)計(jì)算

2.1 線纜分布參數(shù)計(jì)算

在電路原理圖中傳輸線僅僅是一對(duì)理想的連接導(dǎo)線，但在實(shí)際使用中傳輸線具有電阻、電容、電感，如圖1所示，本文對(duì)440 V交流電纜與110 V直流電纜間傳輸線模型進(jìn)行分析。

注：rwG——440 V纜線的半徑；rwR——110 V纜線的半徑；S——兩根纜線間的距離；hG——440 V纜線距離地面的高度；hR——110 V纜線距離地面的高度；r1Sh——440 V纜線屏蔽層的半徑；r2Sh——110 V纜線屏蔽層的半徑；t1Sh——440 V纜線屏蔽層的厚度；t2Sh——110 V纜線屏蔽層的厚度。

2.1.1 分布電感計(jì)算

440 V纜線的分布電感可由地面上單根導(dǎo)線的分布電感求得：

(1)

式中：

lGG——440 V電纜單位長(zhǎng)度的自電感；

μ0——真空磁導(dǎo)率。

110 V纜線單位長(zhǎng)度的分布電感l(wèi)RR為：

(2)

440 V交流電纜與110 V直流電纜之間單位長(zhǎng)度的互電感l(wèi)GR為：

(3)

2.1.2 分布電容計(jì)算

110 V直流電纜屏蔽層與其芯線間電容CR2S為：

(4)

式中：

ε0——真空電容率；

εr——線芯電容率。

440 V電纜屏蔽層與其芯線間電容CG1S為：

(5)

2.2 440 V交流電纜與110 V直流電纜終端負(fù)載計(jì)算

已知440 V交流電纜所連接的負(fù)載中，最大功率為8 000 W，最小功率為2 000 W。根據(jù)公式P=U2/R(P為功率，U為電壓，R為電阻)，可計(jì)算出其負(fù)載阻抗的最大值為96.8 Ω，最小值為24.2 Ω。當(dāng)阻抗最小時(shí)，線路中的電流最大。

取110 V直流電纜兩端所連設(shè)備的阻抗為匹配阻抗50 Ω。因?yàn)?10 V直流電纜控制的空開(kāi)的額定電流為2 A，所以若110 V直流電纜上存在的干擾信號(hào)電流大于1 A，則空開(kāi)的控制電路將受到干擾，此時(shí)控制電路會(huì)因接收到非正常信號(hào)而動(dòng)作。

3 440 V交流電纜與110 V直流電纜間串?dāng)_分析

3.1 電氣柜外并行線纜串?dāng)_分析

在CST CABLE STUDIO(線纜仿真工作室)軟件中建立440 V/60 Hz和110 V線纜模型，分空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作、空開(kāi)動(dòng)作兩種情況，對(duì)兩線間的串?dāng)_進(jìn)行分析。

3.1.1 空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作

空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作情況下所建立的電路模型如圖2所示。設(shè)兩線間距為5 mm，在綜合電氣柜外兩線平行走線距離為1.5 m。其中：X440_P_1和X440_P_2分別為440 V交流電纜的輸入端和輸出端，在輸入端加440 V、60 Hz的交流激勵(lì)源；X110_P_1和X110_P_2分別為110 V直流電纜的輸入端和輸出端，在輸入端不加任何激勵(lì)。記錄110 V電纜輸入端因線間串?dāng)_所引起的端口電壓和電流。

圖2 綜合電氣柜外部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串?dāng)_分析電路模型

由上文可知，當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率(8 000 kW)負(fù)載時(shí)，經(jīng)計(jì)算其負(fù)載阻抗為24.2 Ω，線路中的電流最大。本文將此工況定義為最大功率負(fù)載，此時(shí)110 V電纜輸入端的串?dāng)_電流波形如圖3所示。由圖3可知，110 V直流電纜上串?dāng)_電流的最大值約為20 μA，遠(yuǎn)小于1 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)不動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜不會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

圖3 綜合電氣柜外部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜上承載最大功率負(fù)載時(shí)110 V直流電纜上的串?dāng)_電流波形

當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率(2 000 kW)負(fù)載時(shí)，其負(fù)載阻抗為96.8 Ω，線路中的電流最小。將此工況定義為最小功率負(fù)載，則此時(shí)110 V電纜輸入端的串?dāng)_電流波形如圖4所示。由圖4可知，串?dāng)_電流的最大值為20 μA左右，遠(yuǎn)小于1 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)不動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜不會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

圖4 綜合電氣柜外部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜上承載最小功率負(fù)載時(shí)110 V直流電纜上的串?dāng)_電流波形

3.1.2 空開(kāi)動(dòng)作時(shí)

若440 V交流電纜控制的空開(kāi)有瞬態(tài)干擾時(shí)，則線間串?dāng)_的仿真模型如圖5所示。設(shè)兩線間距為5 mm，在綜合電氣柜外兩線平行走線距離為 1.5 m。其中，X440_P_1與X440_P_2為440 V交流電纜空開(kāi)處的輸入端和輸出端；X110_P_1和 X110_P_2為110 V直流電纜的輸入端和輸出端。

圖5 綜合電氣柜外部空開(kāi)動(dòng)作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串?dāng)_分析電路模型

440 V交流電纜空開(kāi)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾可用電快速瞬變脈沖群信號(hào)來(lái)模擬。參照GB/T 17626.4—2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)》，車載設(shè)備控制端口對(duì)電快速瞬變脈沖群的抗擾度應(yīng)達(dá)到1 kV，脈沖重復(fù)頻率為5 kHz。因此，在X440_P_1與X440_P_2間加入快速脈沖群，在440 V交流輸入端記錄該快速脈沖群的電壓和電流；在110 V直流電纜的輸入端X110_P_1處不加任何激勵(lì)，記錄110 V電纜輸入端因線間串?dāng)_所引起的端口電壓和電流。

空開(kāi)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的1 kV模擬脈沖群信號(hào)如圖6所示。對(duì)其中的1個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，其結(jié)果如圖7所示。

圖6 綜合電氣柜外部空開(kāi)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的1 kV 模擬脈沖群信號(hào)

圖7 單個(gè)脈沖波形Fig.7 Single pulse waveform

當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在440 V電纜輸入端加上1 kV的快速脈沖群信號(hào)，分析110 V電纜輸入端得到因串?dāng)_引起的電流波形。

當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，在440 V電纜輸入端加上1 kV的快速脈沖群信號(hào)，分析110 V電纜輸入端得到由串?dāng)_引起的電流波形。

經(jīng)分析，空開(kāi)動(dòng)作下440 V交流電纜上分別承載最大功率、最小功率負(fù)載，在110 V電纜上出現(xiàn)的串?dāng)_電流的最大值均為4 A左右，均大于1 A。所以，當(dāng)空開(kāi)動(dòng)作時(shí)，440 V交流電纜可能會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

3.2 綜合電氣柜內(nèi)部線纜串?dāng)_分析

與電氣柜外線纜分析類同，綜合電氣柜內(nèi)部線纜串?dāng)_分析也分為空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作、空開(kāi)動(dòng)作兩種情況。

3.2.1 空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作

440 V交流電纜與110 V直流電纜在綜合電氣柜內(nèi)部有1 640 mm的并行走線，且兩線間隔很小(5 mm)，440 V交流電纜和110 V直流電纜均為1.5 mm2的細(xì)線?？臻_(kāi)沒(méi)有動(dòng)作情況下建立的串?dāng)_分析電路模型如圖8所示。其中：X440_P_1為440 V交流電纜的輸入端；X440_P_2為440 V交流電纜的輸出端；X110_P_1為110 V直流電纜的輸入端；X110_P_2為直流電纜的輸出端。在X440_P_1端加上60 Hz、440 V的交流激勵(lì)源，記錄此處的電壓和電流。在110 V直流電纜的輸入端X110_P_1處不加任何激勵(lì)，記錄此處因線間串?dāng)_所引起的端口電壓和電流。

圖8 綜合電氣柜內(nèi)部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜與110 V直流電纜兩線間的串?dāng)_分析電路模型

當(dāng)空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作時(shí)，當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在440 V交流電纜的輸入端加上440 V、60 Hz的交流激勵(lì)源，在110 V直流電纜的輸入端不加任何激勵(lì)，110 V電纜的輸入端得到因串?dāng)_引起的電流波形如圖9所示。由圖9可知，此時(shí)串?dāng)_電流的最大值約為30 μA，遠(yuǎn)小于1 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)不動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜不會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

圖9 綜合電氣柜內(nèi)部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜上承載最大功率負(fù)載時(shí)110 V直流電纜上的串?dāng)_電流波形

當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，110 V電纜輸入端得到由串?dāng)_引起的電流波形如圖10所示。由圖10可見(jiàn)，此時(shí)串?dāng)_電流的最大值約為15 μA，遠(yuǎn)小于1 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)不動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜不會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

圖10 綜合電氣柜內(nèi)部空開(kāi)沒(méi)有動(dòng)作下440 V交流電纜上承載最小功率負(fù)載時(shí)110 V直流電纜上的串?dāng)_電流波形

3.2.2 空開(kāi)動(dòng)作時(shí)

若440 V交流電纜控制的空開(kāi)有瞬態(tài)干擾時(shí)，則線間串?dāng)_的仿真模型如圖11所示。其中：X440_P_1表示440 V交流電纜控制的空開(kāi)瞬態(tài)操作點(diǎn)。記錄110 V直流電纜的輸入端由串?dāng)_引起的端口電壓及電流?？臻_(kāi)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)干擾依然采用1 kV的電快速瞬變脈沖群信號(hào)來(lái)模擬。

圖11 綜合電氣柜內(nèi)部空開(kāi)動(dòng)作下440 V交流電纜與 110 V直流電纜兩線間串?dāng)_分析電路模型

當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在440 V交流電纜輸入端加上1 kV、間隔為5 kHz的快速脈沖群信號(hào)，分析110 V電纜的輸入端得到因串?dāng)_引起的電流波形可知，串?dāng)_電流的最大值為1.8 A左右，大于1.0 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最大功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜可能會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，在440 V交流電纜輸入端加上電快速瞬變脈沖群信號(hào)為1 kV、間隔為5 kHz的快速脈沖群信號(hào)，分析110 V電纜輸入端得到由串?dāng)_引起的電流波形可知，此時(shí)串?dāng)_電流的最大值為1.8 A左右，大于1.0 A。所以，當(dāng)440 V交流電纜連接最小功率負(fù)載時(shí)，在空開(kāi)動(dòng)作的情況下，440 V交流電纜可能會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。

3.3 線纜間串?dāng)_問(wèn)題的解決方案

由上文可知，當(dāng)440 V交流電纜中傳輸60 Hz交流電信號(hào)時(shí)，110 V直流電纜上的串?dāng)_電流很小，不會(huì)對(duì)110 V直流電纜供電的設(shè)備造成干擾。但是，當(dāng)440 V交流電纜中出現(xiàn)瞬態(tài)脈沖信號(hào)時(shí)，110 V直流電纜上的串?dāng)_電流很大，可能會(huì)造成110 V直流電纜供電的設(shè)備誤動(dòng)作。針對(duì)這一問(wèn)題，可使用以下兩種方式解決。

3.3.1 分線槽布線

對(duì)綜合電氣柜外的1.5 m并行走線而言，根據(jù)線纜分類原則，將440 V交流電纜及110 V直流電纜分置于車底不同的線槽中。綜合電氣柜內(nèi)部的布線也可采取加槽處理，在機(jī)柜后面板內(nèi)部新增1個(gè)寬度、高度、長(zhǎng)度分別為40 mm、40 mm、1 640 mm的線槽，使其緊靠后面板布置，并距離右側(cè)壁50 mm。以440 V交流電纜的承載最大功率負(fù)載為例，在綜合電氣柜外部和內(nèi)部均進(jìn)行加槽處理后，分析110 V直流電纜上的串?dāng)_電流可知，分線槽布線后110 V直流電纜上串?dāng)_電流的最大值減小到0.25 A，小于1.00 A，可保證由110 V直流電纜供電的設(shè)備不受440 V電纜瞬態(tài)脈沖信號(hào)的干擾。

3.3.2 加大兩線間的距離

線間串?dāng)_問(wèn)題均可通過(guò)增加兩線間的距離來(lái)予以減弱。將并行布線的440 V交流電纜與110 V直流電纜的間距增加至10 mm，再次分析110 V直流電纜上的串?dāng)_電流可知，當(dāng)兩線間的距離增加至10 mm時(shí)，綜合電氣柜內(nèi)部110 V直流電纜上的串?dāng)_電流的最大值為0.7 A左右，綜合電氣柜外部110 V直流電纜上的串?dāng)_電流的最大值為0.9 A左右，均小于1.0 A。可見(jiàn)，當(dāng)兩線的間距為10 mm時(shí)，110 V直流電纜供電的設(shè)備能夠不受440 V交流電纜瞬態(tài)脈沖信號(hào)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

由上文分析可知，CRH3G型高速動(dòng)車組車載電氣柜內(nèi)存在不同電壓的線纜，在空開(kāi)不動(dòng)作或440 V交流電纜中不存在大的脈沖騷擾信號(hào)時(shí)，不會(huì)影響110 V弱電設(shè)備的正常工作，否則有可能導(dǎo)致110 V設(shè)備誤動(dòng)作。當(dāng)不同電壓的兩線之間的距離增大到10 mm時(shí)，可明顯降低瞬態(tài)騷擾信號(hào)的串?dāng)_，所以，在空間允許的情況下，應(yīng)適當(dāng)加大線纜之間的距離。若隔離距離無(wú)法滿足要求時(shí)，應(yīng)采用分線槽布線的方式，以盡可能減少線間串?dāng)_。