地铁列车电缆布线的磁场研究

2014-06-21李保霞郭振通

城市轨道交通研究 2014年3期

李保霞郭振通

（中国南车南京浦镇车辆有限公司，210031，南京∥工程师）

随着城市轨道交通列车电气设备的增多，在进行功能设计的同时，电气设计已经开始更加注重电磁兼容及对人体安全方面的设计。欧洲标准EN 45502－2－1规定，可移植的心脏起博器能够承受的磁通量密度安全性限值为1 mT（直流）、0.1 mT（交流）［1］。在地铁列车的布线设计中应考虑该项要求，以保证佩戴心脏起搏器的乘客的人身安全。

1 地铁列车电缆分类

电流会产生磁场，现对产生磁场的地铁列车电缆进行分析。根据电缆不同的电压和电流情况，可将地铁列车车辆电缆分类如下：

1）DC 110V电缆：主要为列车电子设备电源线、输入输出信号线等。电流较大的母线位于车体底架下，一般从辅助变流器输出，经车体底架线槽的二位端穿线孔进入二位端电器柜内部，再分别接入各用电设备。底架下的电缆距离地板面约20cm。

2）DC 1 500V电缆：主要为列车高压供电母线等，位于车顶和底架，距离客室区域约50cm。

3）AC 380V、AC 220V电缆：主要为空调和空压机供电的三相电及正常照明的供电等。其从车下的辅助变流器输出，沿底架中部到每辆车的二位端，然后经过穿线孔进入空调柜和二位端电气柜，距离客室区域约30cm；

4）低于110V的低压小信号线：如传感器线、网络线、音频视频线等，主要位于客室电器柜内部。

在地铁列车中，以上电缆的防护方式主要是铝合金线槽。由于铝合金线槽导磁率低，对磁场的屏蔽效果不佳，故本文在仿真过程中考虑了最恶劣的条件，未添加防护材料。本文重点分析前3类电缆，第4类电缆由于电流极小，不会对外部产生较大磁场，故不作为研究重点。

2 地铁列车各类电缆的磁场分析

2.1 DC 110V供电电缆

单根DC 110V电源母线，按最大功率约为25 kW计算，其通过的最大电流为227.27A。以此作为输入，对此电缆进行了仿真计算，结果如图1所示。2根电流方向相反的DC 110V电缆的仿真结果如图2所示。

对于单根电缆，磁感应强度呈现规则分布，按比奥沙法尔定理可得铜心内、外部磁感应强度

式中：

图1 单根电缆周围产生磁场的仿真结果

图2 2根电流方向相反的DC 110V电缆周围产生磁场的仿真结果

μ0——真空磁导率；

ρ——距离铜心中心的距离；

Iρ——ρ处的电流强度；

I——电缆的电流强度；

R——铜心的半径。

铜心内部，磁感应强度随ρ的增大呈线性递增，在铜心表层达到最大值，符合通电导线的趋肤效应；铜心外部随着距离ρ的增大，磁感应强度呈现双曲线特性递减。

从图1、图2仿真结果可以看出，单根电缆周围磁通密度1mT的等势线在距离电缆中心18cm处；而如果将供电和回流线并排布置，2根电流相反的电缆周围产生磁通密度1mT的等势线在距离电缆中心7cm处，即2根电流方向相反的电缆周围产生的磁场远远小于单根电缆产生的磁场，原因是这2根供电电缆，电流大小相等，方向相反，产生磁场的合成磁感应强度相互抵消。

因此，在进行列车DC 110V母线布线时，正负电缆应捆扎在一起。由以上分析可知：布线时将DC 110V母线正负线布线时走同一个线槽并列布置，当线槽距离地板面超过7cm左右即可保证车内磁场达标；列车上其他的DC 110V信号线电流较小，产生的磁场也较小，这些电缆不会对车体内部磁场产生较大影响。因此，确保DC 110V母线同线槽并列布置是减少对磁场分布影响的关键。

2.2 AC 380V列车母线电缆

根据某地铁项目的列车参数，AC 380V列车母线线束为3根截面积为50mm2的三相交流列车母线。其最恶劣的负载工作情况即为所有的辅助设备（空调、压缩机、风机等）都同时正常工作。另外，在夏季情况下，AC 380V负载容量最大，全车负载总容量为196.25kVA，故最大负载情况下的电流最大值I为82.18A。由于是三相交流供电，各相电流相位相差为120°，所以只分析其中U相即可。现取U相电流为最小和最大值时进行仿真分析。图3、图4是AC 380V电缆的磁场仿真结果。

从图3、图4的仿真结果可以看出，三相交流380V供电母线满足交变磁场要求的区域为距离线束中心35cm外的空间。

图3 AC 380V列车母线周围磁场的仿真结果（U相电流为零）

图4 AC 380V列车母线周围磁场的仿真结果（U相电流为最大值）

因此，只要三相电缆走线相互靠近，尤其是确保三角形布置，这些电缆就不会对车体内部磁场产生较大的影响。

2.3 DC 1500V电缆

列车整车通过受电弓从接触网取电，接触网和轨道分别为DC 1 500V的正线和DC 1 500V的回流线，由于电流较大，并且两者无法捆扎在一起，故磁场无法抵消。因此，地铁列车DC 1 500V电缆是磁场分析的重点。

以某项目高压电缆设计参数为例，DC 1 500V列车母线线束在牵引工况下，最大通过总电流为1 706A，单根电缆最大通过电流为426.5A。其仿真结果如图5、图6所示。

从图5、图6仿真结果可得出：在牵引工况下，受电弓到熔断器箱的4根电缆能满足要求的空间范围为距电缆线束中心30cm以外的空间。

再生制动工况下，最大通过总电流为1 653.9 A，单根电缆最大通过电流为413.5A。其仿真结果如图7所示。

从图7仿真结果可得出：在制动工况下，受电弓到熔断器箱的4根电缆能满足要求的空间范围为距电缆线束中心30cm以外的空间。

用同样的方法，可以得出以下仿真结果：

1）熔断器箱到车底DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心40cm以外的空间；

2）熔断器箱到有受电弓的动车高压箱DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心20 cm以外的空间；

图5 DC 1 500V电缆模型及磁通密度1mT的磁场等势面分布图

图6 车顶受电弓到熔断器的DC 1 500V供电母线周围磁场的仿真结果（牵引工况下）

图7 车顶受电弓到熔断器的DC 1 500V供电母线周围磁场的仿真结果（制动工况下）

3）熔断器箱到无受电弓的动车高压箱DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心18cm以外的空间；

4）高压箱到牵引变流器箱DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心15cm以外的空间；

5）高压箱到辅助变流器箱DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心1.1cm以外的空间；

6）牵引变流器到制动电阻箱DC 1 500V电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心18cm以外的空间；

7）牵引变流器到电机电缆的磁场安全距离为离电缆线束中心6.5cm以外的空间。

3 地铁列车电缆布线磁场控制设计要点

1）对于DC 110V电缆：在进行电缆布线时，供电电缆应捆扎在一起布置，不要分开。这样，2根电缆产生的磁场方向相反，可以抵消对外部产生的磁场。

2）对于AC 380V、AC 220V电缆：在进行电缆布线时，应捆扎成一束布置，对于三相电缆捆扎的截面最好为等边三角形，这样可以最大限度地抵消对外部产生的磁场。

3）对于车上的DC 1 500V电缆：①由于进线从受电弓处取电，无法和负线布置在一起，可以根据计算结果，将电缆固定在合适的位置。低频磁场主要由电气设备中的导体电流在其周边感应而成，其强度随着与磁场源的距离增加而迅速衰减［2］。应合理布置，使电缆产生的磁通密度为1mT磁场的等势面不能侵入车厢内部。②若因空间所限，无法保证磁通密度为1mT的磁场不侵入车厢内，可以采用屏蔽的办法。具体可采用在电缆外部套上导磁率较高的屏蔽管，以确保强磁场无法侵入车厢。

4）对于车下的DC 1 500V电缆：由于DC 1 500V直接用电设备（如牵引变流器和辅助变流器）都在车下，使车下不仅有DC 1 500V进线，也有DC 1 500V的回流线。可以采用上述①、②条的办法，将正负线捆扎在一起，布置在一束线槽中，以最大限度地抵消对外产生的磁场。