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j e 塞銮运太堂亟堂僮论塞旦墨ib ! a bs t r a c t a b s t r a c t :i nr e c e n ty e a r s ,d u et 0t h ed e v e l o p m e n to fr a j l w a y 仃趾s p o 似i o n 晰m h e a v yl o a d s 柚da tl l i 曲s p e e d ,r e q u n m e n t sf o r 位瞄i v ep o w e rb e c o m el l i 曲e r i t f o l l o w sd i i l e c n y 吐l a tm o r e1 1 i 曲一p o w e r 眦i o na p p a r a :t u s e sw 1 1 i c hs p r e a d 、) l ,i d e l ya r e u s e d nl e a d st 0t l l ed e t e r i o r a t i o no fe l e c t r o m a g l l e t i ce n v i r o i l m e n ti n c a r r i a g e m e 锄w h i l e ,m o r e 锄dm o r ea :t t e n t i o i l ss h o u l db ep a i dt 0p r o t e c tm ei i l i c r o e l e c t r o m c d e v i c e sl o c a t e di i ic 硎a g e ,w h j c hi su s e df o rc o m m u i l i c a t i o n0 rc o n 臼d 1 1 i 1 1 9 丘o m e l e c 仃o m a 印e t i ci i l t e 疵r e n c e o t l l e r 、) ,i s e ,l ei i i l p r o p e r l yo p e r a t i n go fm e s ed e v i c e s c a _ u s e db ye l e c 仃o m a 印e t i c 砷= e r f e r e n c ew o u l db e c o m e 廿l em o s ts 丽o u sp r o b l e mw m c h 廿l r e a t e n st l l es a f e t ) ,o fr a i l w a y 仃a n s p o r t a t i o n p r e v i o u s l y ,i i i l p r o v i i l gt h ee x 侧i l i 】哑u 舶l i 锣o fo n - b o a r ds e n s i t i v ee q u i p m e n tt 0 e l e c t i 。o m a g n e t i c i l l t e r f e r e n c ea i l d r e s 仃a i n 血g t h e e l e c t m m 呵l e t i c e 耐s s i o no f m 曲- p o w e r 协l c t i o n 印p a r 咖s e sa r em em 勾o rp a n so fi i i u ) f o v 访gc o u m e 肌e a u s u r ef o r e l e c t r o m 姆l e t i c v i r 0 珈n e n ti i l s i d em e 谢a g e t h o s et w os o l u t i o n sa r eb a s e do n ”s e n s i t i v ee q u i p m e n t ”a n d ”d i m 曲a n c es o u r c e ”i i l “sd i s s e n a t i o 玛r e s e a r c hw 邪 d o n et ob l o c kt l l e”t i 锄s m i s s i o np a t h ”o fe l e c 拄o m 姆1 e t i cd i s t u r b 锄c e t h e e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o l l 】m e n to fc 硎a g ei sc 0 n s i d e r e da saw h o l e a n a l y s i so fs 1 1 i e l d i r 培 e f r e c t i v e n e s si i lc a i 订a g ew 嬲p e 墒珊e dt 0s e a r c hf o rp o t e n t i a li i 】1 p a c tf a c t o r st 0 e l e c 仃o m a 印e t i cs l l i e l d i n g ,诵t l lp u 甲o s eo fi n c r e a s i n gt h es h i e l d i n ge 恐c t i v e l l e s so f e l e c 仃i cm u l t i p l eu 1 1 i t s ( e m u s ) a i l dm a l ( i n gt h ee l e c 佃o m a _ 伊e t i ce n v i r o i l n l e n t 锄e l i o r a t e i i lt l l i sd i s s e 僦i o 玛m e c h a l l i s mo fe l e c 仃o m a 印e t i cs h i e l d i n gw a sa i l a l y z e d 血s t t h e n e m ct e s t s0 fe l e 酏r o m a g i l e t i ce l 的n m e mi i le m u s 舡l di i le q u i p m e m 仇m ku n d e rm e c 秭a g ew e r ed o n e d a t ao fd i s t r i b u t i o no fe l e c 臼o m a 印e t i cf i e l da n dl o w 矗e q u e n c y m a g i l e t i cf i e l dw e r ec o l l e c t e ds 0 嬲t of i n dm em a i ns o u s eo fe l e c t r o m 孵l e t i c d i s t u r b a l l c eo fc a r r i a g e f u r t l l e n n o r e ,am o d e lo fe m u sw a u ss e tt 0s i i l l l l l a t et l l ef i e l d d i s t r i b u t i o ni i l s i d et l l ec a r r i a g eu n d e rd i 妇f e r e n t 丘e q u e n c y 啪g e 研n lal 【i i l do fs o 脚a r e , w h i c hi s 谢d e l yu s e d2 l ss i m u l a t i o ns o r 眦矾a i l dh a se x c e l l e n ta p p l i c a t i o ni ns h u l a t i n g p r o b l e mo fe l e 碱cl 鹕es i z e n l e 幽e l d 啦e 丘t i v e n e s so f8d i 触n tp o i n t si i l2 4 m o d e l s 谢t l ld i 疵r e n c ei ns h a p eo f 岫d o w s ,s i z eo fw i l l d o w sa i l d 肌m b e ro f 淅n d o w s 、e r ei i l t e r c o m p a r e da 1 1 da i l a l y z e dt 0f i n do u tw h a ti s 廿l ek e yf a c t o rt 0i i l f l u e n c e s l l i e l d i n ge 虢c t i v e n e s s n l ec o n f o m 时o fe x p e 曲1 e n t a t i o na n ds h u l a t i o nh a db e e n v 耐f i e dm er a t i o 叫时o fm es i 舢l a t i o nm o d e l r e s u l t so f 龇e x p e 曲l e n t a t i o n c o i n p a r e dw i t l lm es i m u l a t i o ne x h i b i t e dt l l eu 唱e n c ya 1 1 d 曲p o r t a i l c eo fi m p r o v i n g e l e c 仃0 m a g n e t i ce i 血删m e n ti ne m u s h lt 1 1 el a s tp a r to f l i sp a p e r ,s o m ea d v i s e sw 嬲 g i v e nf 0 rm ep u l p o s eo fi m p r o v i n ge l e c t r o m a g n e t i ce i l v i r o r m l e m k e y w o i m s :h i 曲一s p e e de m u s ;s h j e l d i n ge 行e c t i v e n e s s ;s i m u l a t i o n c l a s s n o :t m l5 v 致谢 经过一年的努力,本论文终告完成,在此仅对指导和帮助过我的老师以及同 学们表示衷心的感谢。 本论文的工作是在我的导师闻映红教授的悉心指导下完成的,闻映红教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。每当研究工作遭遇瓶 颈的时候,闻老师总能以她渊博的知识和高屋建瓴的视角为我拨开迷雾,指明前 进的方向。而在生活上,闻老师更是尽其所能,给予我最大的帮助,所谓亦师亦 友,正是如此。衷心感谢闻映红老师对我的关心和指导,您对我的勉励和教诲我 将永远铭记在心。 在这两年半的研究生求学期间,电磁兼容实验室的其他老师也给了我很多的 关心和帮助,在此要对沙斐老师、周克生老师、王凤兰老师、朱云老师、王国栋 老师、陈嵩老师和崔勇老师表示衷心的感谢,你们细心的教诲和严谨的治学态度 让我受益匪浅,不仅在课业和科研工作上指导、督促我,在生活上也给了我很大 的关心和帮助,在此向各位老师表示感谢。 此外还要感谢张小燕师姐和单秦师兄,以及在一起共同学习生活了两年半时 间的霍宏艳、于晓丹、张强、叶畅、冯玉明、杨永亮等同学,论文的顺利完成和 你们的无私帮助是分不开的。 最后要特别感谢我的家人,爸爸妈妈,你们是我前进的最大动力,你们的理 解和支持使我能够在学校专心完成我的学业,谢谢你们。 1 引言 1 1选题的背景 随着2 0 0 7 年全国铁路第六次大提速,我国的高速铁路事业开始迅速发展,c r h 系列高速动车组广泛应用于全国各铁路干线。与普通火车机车相比,高速动车组 的动力分散,编组固定,具有双向运行能力,并配备有现代化的服务设施,是铁 路旅客运输的重要装备【l 】【2 】。 高速动车组的内部结构极其复杂,是集高压、变频、计算机控制、网络通信 于一体的大型系统田j 。它的顶部是2 5 万伏的高压输电线,车厢内部集中了大量的 电子设备与电缆线束,车厢下方的设备箱内又放置了大量的大功率牵引设备。各 种强弱电信号交织在有限的车厢空间内,电磁环境十分恶劣,势必会对车厢内部 的通信设备、信号设备以及音视频设备等弱电设备造成影响,轻则影响旅客的正 常服务需求,重则危及行车安全。此外,车厢内部的电磁骚扰还可能对人体产生 不良影响,例如,动车内外产生的低频磁场和电缆电线中电流产生的低频磁场都 可能对心脏病人佩戴的心脏起搏器造成干扰,使其不能完成起搏工作,危及病人 的生命安全。所以,高速动车组车厢内部的电磁环境是非常值得关注的。 传导( 电源线、互连线) 骚 一 敏 扰 感 设 源 备 lj衲口门丽鄹 l, 图1 1 电磁干扰形成的三要素 f i g u r e1 1n u n e ee s s e n t i a l 触o r so fe l e c 仃姗a 驴舐c 砷e 彘r e n c e ( e m i ) 电磁干扰的产生,必须具备三个要素:骚扰源、耦合途径和敏感设备,如图 1 1 所示。耦合途径有两条:一条是通过线缆传播,即骚扰信号通过设备的电源线、 信号线、控制线等直接侵入敏感设备;另一条是通过空间传播,一方面骚扰源附 近的空间中存在着电场和磁场,会对其周围的敏感设备造成干扰,这种传播方式 叫做近场耦合干扰;另一方面,骚扰能量还能够以电磁波的形式向远处传播,从 而影响到远处的敏感设备,这种传播方式叫做远场辐射干扰【3 】。与电磁干扰形成的 三要素相对应,控制电磁骚扰传播的基本措施也包含抑制骚扰源的电磁发射、切 断电磁骚扰的传播途径、提高敏感设备的抗干扰能力这三种。 从空间的角度来看,高速动车系统内汇集了来自空中、车顶、车内及车底的 诸多电磁信号和噪声,如图1 2 所示。 来自空中的电磁信号包括各种移动通信信号( 无线列调信号、g s m r 铁路专 用通信系统、g s m c d m a 公众无线通信系统等) 、g p s 全球定位系统卫星的信号、 各种无线电广播系统的信号以及各种环境电磁噪声。 来自车顶的电磁信号包含接触网噪声、隧道内的通信漏缆信号、列车数传信 号等。 来自车内的电磁信号包含车厢内的各种通信控制信号、空调等车内系统发出 的电磁信号以及下层设备箱内的牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机、辅助变 流器等大功率设备发出的骚扰信号。 来自车底的电磁信号则包含牵引回流、轨道信号、点式应答器( 1 心i d ) 等信 号或噪声。 繇 莎 争 穗 :趱 。 饕 :,鼋艮 叠。 7 ,一 - o 霹纠 图1 2 动车组电磁骚扰源的位置分布图 f i g u r e1 2d i s t “b u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c es o u r c et oe l e c t cm u i t j p l eu n i t s ( e m u s ) 针对高速动车的车厢而言( 不包括车底设备箱) ,其主要骚扰源及传输途径如 下【2 1 】: ( 1 ) 各种公共通信信号和广播信号等,通过空间传输的方式进入车厢。 ( 2 ) 在受电弓附近,电弓与接触网接触不良所导致的火花放电产生的电磁骚扰; 过分相过程中产生的过电压过电流现象引发的电磁骚扰,这些骚扰通过空间和高 压电气系统两条途径传输到动车车厢的内部。 ( 3 ) 车下设备箱内的各种大功率设备,如牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等, 在工作时所产生的电场、磁场,通过空间向车厢传输;大功率设备通过其供电线 路,将骚扰信号传输至车厢内的弱电设备。 2 獗 ( 3 ) 车下设备箱内的各种大功率设备,如牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等, 在工作时所产生的电场、磁场,通过空间向车厢传输;大功率设备通过其供电线 路,将骚扰信号传输至车厢内的弱电设备。 1 2国内外发展现状 高速动车组的车厢可以看作一个大型的开孔金属腔体。以往对于金属腔体的 屏蔽效能研究,仅仅局限于小型的开孔金属腔体和大型的闭合金属腔体。对于小 型开孔金属腔体的屏蔽效能( 尤其是单侧开孔) ,无论是理论推导、计算机仿真还 是实际测量,前人都已作了大量的研究,相对比较成熟,如文献 1 6 h 2 0 】、【2 5 】- 3 6 】 等。而对于大型闭合金属腔体,也有相应的屏蔽效能测试标准,如i e e es t d2 9 9 ( 参考文献 4 1 】) 或是g b1 2 1 9 0 2 0 0 6 ( 参考文献【2 4 】) ,详细规定了各边尺寸不小 于2 0 m 的电磁屏蔽室屏蔽效能的测量和计算方法。 但是,对于大型开孔金属腔体的屏蔽效能,无论是理论分析、计算机仿真还 是实地测量方法,相关的研究资料极少。 目前查阅的正式出版的文献中还未发现有关高速动车组车厢屏蔽效能的研 究。 1 3本文的章节安排 本文通过实际测试与计算机仿真计算相结合的方法,对高速动车组车厢的屏 蔽效能进行研究,具体的章节安排如下: 第一章:引言部分,介绍选题的背景、意义、前人的工作等。 第二章:屏蔽原理分析,详细分析了电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽的原 理,为后续的实测与仿真部分奠定了理论基础。 第三章:实测部分,对动车组车厢内部及车厢下方设备箱内的电磁环境做现 场测试,具体测试项目如下( 1 ) 动车车厢内部的电磁环境,包括4 0 h z 4 0 0 h z 低频 交流磁场测试、9 k h z 3 0 m i z 磁场测试、3 0 m h z 一4 5 g h z 电磁场测试。( 2 ) 车下设 备箱内的电磁环境,包括两大部分,第一部分是牵引变压器附近的磁场分布,第 二部分是牵引变流器下方的磁场分布。 第四章:仿真部分,利用某种以矩量法为主的仿真软件进行仿真。将动车车 厢看作一个整体,根据第三章的测试结果确定骚扰源的类型和具体位置,计算车 厢内各点在特定频率范围内的屏蔽效能,并分析车厢上开不同形状、不同尺寸、 不同数量的车窗时,其屏蔽效能的变化规律和相互差异。具体内容如下:( 1 ) 以 3 现有动车为参考蓝本,建立2 4 个车体模型,其车窗形状、车窗尺寸、车窗数量不 尽相同。( 2 ) 以1 个仿真模型为例,计算其内部不同测试点处的屏蔽效能在仿真 频率范围内的差异,为后续进行的不同模型之间的对比奠定基础。( 3 ) 计算1 个 模型内的测试点在特定频率范围内的屏蔽效能,得出其屏蔽效能随频率变化的特 性曲线,初步分析屏蔽效能随频率变化的趋势。( 4 ) 对比不同模型内同一测试点 处及同一模型内不同测试点的屏蔽效能差异,探讨这种差异与动车车窗形状、车 窗尺寸、车窗数量的关系。( 5 ) 根据分析结果,提出若干提高动车车厢高屏蔽效 能的建议,以期从根源上改善动车车厢内部的电磁环境。 第五章:结论部分,对研究成果进行总结并对下一步的研究方向进行展望。 4 2 屏蔽原理分析 屏蔽技术是利用导电性材料或导磁性材料将电磁骚扰限制在特定空间范围 内,从而阻止或减小电磁能量向特定空间外扩散的一种技术。屏蔽理论以电磁场 理论为基础,横跨信息、电工电子、通信、材料、结构等多个学科,是抑制电磁 噪声沿空间传播,实现空间电磁辐射防护的基本方法之一。 屏蔽分为“主动屏蔽”和“被动屏蔽 两种:“主动屏蔽”是对骚扰源本身的 屏蔽,利用金属材料或磁性材料将骚扰源包围起来,从而抑制了骚扰源对周围敏 感设备的影响;“被动屏蔽 是对敏感设备的屏蔽,是将敏感设备用屏蔽材料包围 起来,以防止屏蔽层外部空间的电磁骚扰对敏感设备造成影响。 电磁骚扰沿空间的传播是以“场 的方式实现的,场又可分为远场和近场。 如果将骚扰源与敏感设备之间的距离用d 表示,电磁骚扰的波长用五表示的话,如 果二者满足d 力2 万,那么骚扰源在敏感设备处形成的场为远场。 远场也可称作电磁场,此时的电场与磁场相互垂直,且二者同时垂直于电磁波的 传播方向。电场和磁场的比值是固定不变的,即波阻抗z 0 = 驯h = 1 2 0 万= 3 7 7 ( q ) , 所以只要测量出电场就可以直接计算出磁场,反之亦然。 2 1屏蔽效能的定义 电场、磁场和电磁场的屏蔽原理及采用的屏蔽方法各不相同。通常用屏蔽效 能来衡量屏蔽作用的大小【6 】: 趿( 如) = 2 0 l g ( 巨巨) ( 2 一1 ) ( 翘) = 2 0 l g ( 马q ) ( 2 2 ) 式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 中,e 、q 表示加上屏蔽措施后待测点的电场强度和磁 场强度;岛、4 表示未加屏蔽措施之前待测点的电场强度和磁场强度;观、 表示电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能。 对于远场而言,电场与磁场之间有固定的关系驯日= z o ,而波阻抗z 0 仅仅与 媒质的特性有关,所以电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是一致的,统称电磁屏蔽效 能,即 舾e = 蹁= 舡 ( 2 3 ) 2 2电场屏蔽 电场屏蔽是为了抑制骚扰源与敏感设备之间通过电场耦合而产生的干扰,分 为静电场屏蔽和交变电场屏蔽两种。 2 2 1 静电场屏蔽原理 在静电场中,处于静电平衡状态的导体有如下性质【g 】:( 1 ) 导体内部电场为零; ( 2 ) 导体表面上各点的电场强度矢量都和导体表面垂直;( 3 ) 导体表面等电位; ( 4 ) 电荷只分布在导体表面上。 电力线起于正电荷终于负电荷,所以静电屏蔽的目的就是使电力线终止于屏 蔽体的表面上。 对于“主动屏蔽”的情况,除了要用屏蔽腔体将带电体屏蔽起来之外,还必 须将腔体接地。图2 1 ( a ) 所示为屏蔽腔体不接地状态下的电力线的分布情况,此时, 屏蔽腔体的内表面感应出与被屏蔽带电体等量异号的电荷,而外表面则感应出与 被屏蔽带电体等量同号的电荷。屏蔽腔外的空间依然存在着由感应电荷产生的静 电场,所以,不接地的屏蔽腔体是不能起到静电屏蔽作用的。 如像图2 1 ( b ) 所示,将屏蔽腔体做接地处理后,腔体外表面上感应到的电荷就 都通过地线流入了大地,外部电场随之消失,电力线就被限制在了屏蔽腔体的内 部,也就起到了静电屏蔽的作用。 ( a )( b ) 图2 1 静电场屏蔽( 主动屏蔽) f i g u r e2 1p r i n c i p l eo fs h i e l d i n gt oe l e c l 嚏0 姗i cf i e l d ( a c t i v es h i e l d i n g ) 下图2 2 所示为静电场的“被动屏蔽”。将屏蔽腔体置于外电场中,当达到静 电平衡状态时,屏蔽腔体的外表面两侧感应出等量异号的电荷,电力线终止于腔 体的外表面上,整个屏蔽腔是一个等位体,腔体内没有电力线,从而实现了保护 6 置于屏蔽腔内的物体不受外电场影响的目的。 图2 2 静电场屏蔽( 被动屏蔽) f i g u r e2 2p 血c i p l eo fs h i e l d i n gt oe l e c 仃d s t a t i cf i e l d ( p a s s i v es h i e l d i n g ) 2 2 2 交变电场屏蔽原理 静电场的场源是静止的电荷,其电量和位置不随时间的变化而变化。而许多 实际电路中的电流是交变电流,其周围的电场也是交变的,因此交变电场的屏蔽 研究具有实际意义。 交变电场的屏蔽原理如图2 3 所示,其中g 为骚扰源,其对地阻抗用乙表示, s 为敏感设备,其对地阻抗用互表示。在没有屏蔽体的情况下( 如图2 3 ( a ) 所示) , 骚扰源g 的对地交流电压为d 。,g 周围存在一个交变电场,这个交变电场通过g 和s 之间的耦合电容c ,在s 上产生一个干扰电压d 。 c 3 ,一,ji _ 一一- 、,、 ,7、 ( a )( b ) 图2 3 交变电场的屏蔽 f i g u r e2 3p r i n c i p l eo fs h i e l d i n gt 0a l t e m a t i n ge l e c 仃i cf i e l d ( a e f ) 根据电路理论,耦合到s 上的干扰电压玩可由下式计算6 1 : 7 口。:j 竺l 以( 2 4 ) 5 1 + 歹以( 乙+ 五) 8 当频率较低时,上式可写成 u s j 蕊z p g ( 2 5 、) 可见,干扰电压移。的大小与耦合电容c 的大小成正比,耦合电容越大,干扰 电压矽。就越大。 图2 3 ( b ) 所示,如果在g 和s 中间插入一块金属板,那么g 与s 之间的耦合电 容c 变成c l 与c 2 串联后再与c 3 并联( c 1 是干扰源g 和金属板之间的耦合电容,c 是金属板和敏感设备s 之间的耦合电容) 。由于耦合电容的大小与导体面积成正比, 与导体间距离成反比,所以c 1 和c 2 均大于c ,而c 3 小于c 。在忽略c 3 的条件下求 得金属板上感应到的干扰电压为: d ,:堕互一以 ( 2 6 ) 。1 + ,崛( 乙+ z ,) g 上式中,d ,是感应到金属板上的电压,z ,是金属板的阻抗。矽,又从金属板耦 合到s 上,s 上感应到的干扰电压为 d 。:j 竺l d , ( 2 7 ) 3 1 + _ ,崛( z ,+ 互) 当金属板接地时,z ,= 0 ,矽,= o ,所以由式( 2 7 ) 可知d 。= o 。这一结果表 明,接地后的金属板阻断了骚扰源g 的辐射电场对于敏感设备s 的干扰途径,起 到了屏蔽交变电场的作用。需要注意的是,金属板的良好接地是其产生电场屏蔽 作用的前提,如果金属板没有良好接地,由于c 1 和c 都大于c ,那么插入金属板 后s 处感应到的干扰比不插入金属板的时候更加严重。 综上,无论是静电场还是交变电场,其电场屏蔽的必要条件都是金属屏蔽体 和接地,而且只需要很薄的接地金属体即可达到很好的屏蔽效果。 2 3磁场屏蔽 磁场屏蔽能够抑制骚扰源与敏感设备之间通过磁场耦合所产生的干扰,对于 不同频率的骚扰信号需要采取不同的屏蔽措施。 2 3 1 低频磁场屏蔽原理 低频磁场的屏蔽技术应用于从恒定磁场到1 0 0 z 的低频段。这一频率范围内 的磁场多由马达、发电机、变压器等设备产生。 8 通常使用铁、硅钢、坡莫合金等铁磁性材料作为屏蔽体来屏蔽1 0 0 k h z 以下的 低频磁场。这些材料本身的磁导率高,一般是空气磁导率的1 0 3 10 4 倍,所以材料 的磁阻非常小,对磁力线有很好的集中分流作用,即可将磁场束缚在屏蔽体材料 之内,从而实现了对低频磁场的屏蔽。 ,一一、避力线 k 、一一一,夕 图2 4 低频磁场的主动屏蔽 f i g u r e2 4a 嘶v es h i e l d i n go fl o w 舶q u e n c ym a g n e t i cf i e l d ( l f m f ) 主动屏蔽:如图2 4 所示,如果将导线缠绕在铁磁性材料制成的闭合环上,那 么由于铁磁材料本身对磁力线的聚合作用,绝大部分磁力线会从闭合环内部通过, 不会泄露到外部空间,这就起到了主动屏蔽的作用。 蠢 、 一一 、 , 一 e 封辩的屏蕺俸 ,l 、l誓场 屏蔽区域 、 一 ti = 、 、一 一 图2 5 低频磁场的被动屏蔽 f i g u 鹏2 5p 鹊s i v es h i e l d i n g0 fl f - m f 被动屏蔽:如图2 5 所示,将铁磁性材料制成的屏蔽腔体置于外磁场中,根据 安培定律和高斯定律,磁场的切向分量以及磁感应强度的法向分量在介质不连续 时应保持连续,也就是说,磁场和磁感应强度在穿过空气和铁磁性材料的分界面 时会突然改变方向【lo j 。在靠近空气一侧,磁场被吸引向铁磁材料,几乎与铁磁性 材料表面垂直;而在靠近铁磁性材料的一侧,磁场被吸引向铁磁材料表面的正切 方向。这样,外磁场的磁力线将集中在屏蔽体内通过而不会进入到屏蔽体所包围 的内部空间中去,从而保证内部空间不会受到外磁场的影响。 9 屏蔽体所采用的铁磁性材料的磁导率越高,屏蔽层的厚度越厚,磁阻就越小, 屏蔽效果也就越好。 在低频情况下,单层铁磁材料的屏蔽效能可用下式表示【6 j : j s ! ( d b ) = 2 0 l g o 2 2 从il 一( 1 一,) 3i ( 2 9 ) 式中胚阿磁场屏蔽效能; 从铁磁性材料的相对磁导率; ,屏蔽体的厚度; ,与屏蔽体相同容积的等效球半径。 由式( 2 9 ) 可知,虽然增加屏蔽层的厚度可以使屏蔽效能增加,但是单层屏蔽的 屏蔽效能最大不会超过2 0 l g ( o 2 2 所) 。所以当需要屏蔽的磁场很强时,可采用多层 屏蔽的方法。多层屏蔽的原理是先用磁导率较低,不易饱和的材料将磁场衰减到 一定程度,然后再用磁导率很高( 通常容易发生饱和) 的材料进一步衰减磁场, 低磁导率的材料应靠近骚扰源。 2 3 2 高频磁场屏蔽原理 如果继续使用铁磁性材料做成的屏蔽体来屏蔽高频磁场,那么随着频率的升 高,铁磁性材料的磁导率逐渐下降,磁损逐渐增加( 包括磁滞损失和由于电磁感 应而产生涡流的损失) 。磁损是消耗功率的,相当于增加了被屏蔽体的电阻,所以 这种方法只适用于1 0 0 l ( h z 以下的低频磁场屏蔽。 高频磁场的屏蔽材料应选用金属良导体,如铜、铝或铜镀银等。如图2 6 所示, 高频磁场在金属屏蔽体的表面产生感应电动势,由于金属的电导率很高,所以会 产生很大的涡流。涡流产生的磁场与高频磁场方向相反,这种反磁场一方面抵消 了穿过屏蔽体的高频磁场,另一方面增强了屏蔽体旁边的磁场,从效果上来看, 就好像使磁力线绕过了屏蔽体从旁边经过了。 高顿板 图2 6 高频磁场的屏蔽 f i g u r e2 6s h i e l d i n go 仆i g hh q u e n c ym a 印e t i c 矗e l d ( h f m f ) 金属屏蔽体上的涡流随着高频磁场的频率增加而增大,对于磁场的屏蔽效果 l o 也越来越好。当涡流产生的反磁场足以完全排斥干扰磁场时,涡流将不再增大, 而是保持一个常值。此外,由于趋肤效应,涡流只存在于金属表面的薄层中。因 此,对于高频磁场的屏蔽,只需很薄( o 2 i 砌一0 8 删m ) 的金属良导体材料即可起 到良好的屏蔽作用。 2 4电磁场屏蔽 对于电磁场的屏蔽,一般采用电阻率小的金属良导体材料。空间电磁波入射 到金属体表面时会产生反射和吸收,使得电磁能量大大衰减,从而起到屏蔽作用。 褒减的入射波 图2 7 电磁波在屏蔽体中的传播示意图 f i 目l r e2 7s c h e m a t i co fe l e c t r o m a 印e t i cw a v e sp r o p a g a t i o ni ns h i e l d 2 4 1反射损耗 由于电磁波在空气介质中的波阻抗与在金属体中的波阻抗不同,所以当电磁 波到达空气与金属体的分界面时,会因阻抗不匹配而发生反射,由此引起的电磁 能量损耗称为反射损耗。这种反射过程与传输线中的反射很相似,可以比对传输 线理论来进行分析。将电场强度看成传输线中的电压,磁场强度看成电流,空气 中的波阻抗看成传输线的特性阻抗,金属体的波阻抗看成传输线的负载阻抗,这 样,就可将传输线公式运用于此。 设入射到空气金属分界面上电磁波的电场强度是扇,磁场强度是矾,空气中 的波阻抗为z n ,金属体中的波阻抗为z 1 。电磁波从空气入射到金属体表面,在边 界处一部分电磁波被反射,反射电场强度为巨,反射磁场强度为日,。其余电磁波 进入金属体内,电场强度和磁场强度分别为巨、目。在这里假设电磁波在金属体 内无损耗地传输,在金属与空气的另一界面上再次因波阻抗不匹配而发生反射, 反射的电场强度和磁场强度分别为e 、日,。剩余部分穿过边界进入空气,电场 强度为e ,磁场强度为皿。因此穿过金属体时电磁波由于两个界面的反射而引起 反射损耗为: 如- 2 0 l g 詈( d b ) 如_ 2 0 l g 鲁( d b ) 根据传输线公式求得【6 】: 卜糍毛 卜籀凰 卜袅磊 卜轰凰 卜彘与2 器昂 卜彘马2 尚饥 删础,g 磐 z l = = 3 6 8 1 0 - 7 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 电磁波在空气中的波阻抗由场的类型决定。对于远场( 平面波) ,波阻抗为: z 印= 3 7 7 q 对于近场中的电场,波阻抗为 z o e = 半( q ) ( 2 对于近场中的磁场,波阻抗为 z o h = 8 l o 巧声( q ) ( 2 1 8 ) 式( 2 1 7 ) 和( 2 1 8 ) 中,d 为骚扰源到金属体的距离,单位m 。 将上述公式代入式( 2 1 5 ) ,可得在不同情况下金属体的反射损耗: 平面波 彤( d b ) = 1 6 8 “o l g 【苦j q 1 9 ) 畅 晚( d b ) _ 3 2 1 7 “0 l g l 南j 泣2 1 2 磁场 蹦畔m 6 删g ( 譬 2 , 分析上式可得: ( 1 ) 平面波的反射损耗与骚扰源到屏蔽体的距离无关;电场的反射损耗随距 离增加而下降;磁场的反射损耗随距离的增加而上升。 ( 2 ) 随着频率的升高,平面波和电场的反射损耗逐渐下降,而磁场的反射损 耗逐渐上升。 ( 3 ) 同一屏蔽材料对不同类型场的反射损耗不一样,在频率相同的条件下 耳 兀时应使用平面波公式,当厂 石时,再根据噪声源的性质选择电场公式或磁 场公式。一般来说,频率越高,屏蔽效能越好。在高频时屏蔽效能主要是吸收损 耗起作用,而低频时主要是反射损耗尺起作用。铜等良导体对低频电场的反射损 耗较大,但是对低频磁场的反射损耗较小。由此可见高电导、低磁导率的金属材 料只适用高频电磁场和低频电场的屏蔽。而对于低频磁场只能采用高磁导率的铁 磁性材料如铁、坡莫合金等来屏蔽。 2 5 2 开孔屏蔽体的屏蔽效能 由于通风散热、进出线缆等原因,实际使用的屏蔽腔体大都开有孔缝,这就 破坏了屏蔽的连续性。另外,由于工艺等问题,屏蔽腔体的连接处不可能完全贴 合,也会存在缝隙。这些孔缝的存在,使得屏蔽腔体内的电磁能量能够泄露到外 界,外界的电磁能量也可以经由这些孔缝进入到屏蔽体的内部,导致屏蔽体的屏 蔽效能有所降低。 开有孔缝的金属屏蔽体也可以利用传输线理论进行分析,其屏蔽效能表达式 为【l l 】: 舾2 以+ 兄+ 吃+ 墨+ 局+ 坞 ( 2 - 3 2 ) 式中 以一孔缝的传输损耗( d b ) ; 见一孔缝的单次反射损耗( d b ) ; 统一孔缝的多次反射损耗( d b ) ; 墨一和孔缝数量相关的修正项( d b ) ; k ,一由于趋肤深度不同而引入的低频修正项( d b ) ; 丘一由于相邻孔缝相互耦合而引入的修正项( d b ) 。 这里的以、兄、吃分别对应屏蔽材料屏蔽效能公式中的彳、尺、召。各项计 算公式如下: ( 1 ) 以:当入射波的频率低于孔缝的截止频率( 以矩形波导为例) 时,计算 公式如下: 以= 2 3 7 ( w ) ( 2 3 3 ) 其中z 是孔缝的深度( 单位c i n ) ;w 是与电场垂直的矩形孔缝的宽度( 单位 c m ) 。 1 5 ( 2 ) r :取值由孔缝的形状和入射波阻抗决定。对于平面波入射矩形孔,其 计算公式为: 疋一2 吨l 南l 眨3 4 , p = 一力= 6 6 7 1 0 8 一 ( 2 3 5 ) 式中,p 是孔缝的特性阻抗与入射波阻抗之比;w 是与电场垂直的矩形孔缝 的宽度( 单位c m ) 厂为频率( 单位h z ) ;旯为波长( 单位m ) 。 ( 3 ) 玩:当4 1 5 如时,其计算公式如下: 骅呱i t 一躇盯 o l 上式中的以由式( 2 3 3 ) 给出。在高频情况下,多次反射损耗非常小, 计。 ( 2 3 6 ) 可忽略不 ( 4 ) 五:当骚扰源与屏蔽体之间的距离比屏蔽体上的开孔之间的距离大很多 时,k 的计算公式如下: k = 一l o l g ( 口船) ( 2 3 7 ) 式中,口是单个孔的面积( 单位c m 2 ) ;刀是单位面积( 1c m 2 ) 上的开孔数量。 如果骚扰源与屏蔽体距离很近,则k 忽略不计。 ( 5 ) 丘:当趋肤深度接近孔间距时,屏蔽体的屏蔽效能会有所降低,这种对 于屏蔽效能的影响用匠来表示: 恐= - 2 0 l g ( 1 + 3 5 p 粕) ( 2 3 8 ) 式中,户为开孔之间的距离与趋肤深度之比。在高频情况下,墨可忽略不计。 ( 6 ) 丘:当屏蔽体上的孔缝相距很近,且孔的深度比孔径小很多的时侯,屏 蔽体的屏蔽性能变好,这种影响用丘来表示: r彳 蚝毛0 1 9 l 砌意l q 3 1 6 3 高速动车组电磁环境的现场测试 本次测试的高速动车组运营速度为3 5 0 k n 讹,最高试验速度可达3 8 0 k n 油。全 车采用6 动2 拖8 辆编组,首尾两节( 图3 1 中的1 车、8 车) 为拖车,中间的6 节( 图3 1 中的2 7 车) 均为动车。整列动车组全长约2 0 1 4 m ,在4 车和6 车顶部 设两台受电弓,负责从电网上获取2 5 k v 的工频单相交流电。正常运行时采用单弓 受流,另一个备用。 阕网闷阑阍闷阍网 l2345678 图3 1 动车结构示意图 f j g u r e3 1s c h e m a t i cp l o to f e m u s 动车组的基本动力单元由2 台动车构成,包括1 台牵引变压器、2 台牵引变流 器和8 台牵引电机。每台牵引变压器为2 台牵引变流器供电,每台牵引变流器驱 动4 台牵引电机。整车的动力单元结构如图3 2 所示: 图3 2 动力单兀结构图 f i g u r e3 2s t r u c t u r ec h a 九o fe m u sp o w e ru n j t 牵引变压器、牵引变流器和牵引电机都是大功率强电设备,它们悬挂在动车 车厢的下方,正常工作时向外发射电磁骚扰,影响车内的控制系统和通信系统, 是车厢内敏感设备的主要干扰源。 本次现场测试的内容包括车厢内部的电磁环境和车厢下方大功率设备箱内的 电磁环境两大部分。 3 1车厢内部的电磁环境测试 3 1 1车厢内4 0 h z 一4 0 0 h z 低频交流磁场测试 车厢下方主要大功率设备的输入输出电流的频率都比较低。如牵引变压器的 输入、输出电流的频率为5 0 h z 的工频电流,牵引变流器输入电流频率为5 0 h z 、 输出电流的频率为o 2 3 2 h z 。这些大功率设备输入输出的电流都很大,通常可达到 几百安培。所以有必要重点关注大功率设备周围低频范围内的磁场分布情况。整 个低频磁场测试的过程分两步: 第一步:低频磁场的大面积测试。 在一节动车车厢内选取三个水平面( 距地板0 5 m 水平面、距地板1 0 m 水平 面、距地板1 5 m 水平面) ,在每个水平面内选取1 3 行5 列,共6 5 个测试点,使 用手持高斯计分别测量每个测试点的低频磁感应强度。测试方法是在每个选定的 测试点,分别沿+ x 、“、+ z 轴三个方向放置高斯计,读取最大值并记录,作为 该点的低频磁感应强度值。 第二步:重点位置的多工况测试 针对第一步大面积测试中确定的重点位置( 即低频交流磁感应强度非常大的 位置) 进行定点连续监测。本次测试共发现三个重点监测位置,经核实后发现这 三个位置分别位于牵引变压器、牵引变流器、牵引电机的正上方。当动车工作在 加速、减速、匀高速三种工况时,分别对上述测试点的磁场变化情况进行连续监 测和记录。测试的方法是将高斯计放置在选定测试位置上并保持开机状态,然后 使用摄像机摄录高斯计读数的变化,在此过程中用g p s 记录动车的行车速度和时 间,从而得到不同行车速度下该测试位置磁场的变化情况。 ( 1 ) 牵引变压器上方位置 加速过程中的连续测试:当动车的行驶速度在4 分钟内由2 4 0 1 【1 1 讹增加至 3 0 3 k i i 地的过程中,连续监测牵引变压器上方车厢地板处的磁感应强度变化,每5 秒取一次数据,共取数据4 8 个,如图3 3 所示。下图中横轴代表所取数据的编号, 从1 到4 8 ;纵轴代表测试点的磁感应强度,单位是毫高斯m g ) 。 1 8 。 二 型 骥 笙 氅 篷 图3 3 动车加速行驶过程中牵引变压器上方磁场 f i g u r e3 3m a 印e t i ci n d u c t i o n sa b o v e 仃a c t i o n 仃趴s f o r m e r ( a c c e l e r a t i o n ) 减速过程中的连续测试:动车的行驶速度在9 分钟内从3 0 2 k n 汕降低至1 k i i 洫。 在此过程中连续监测牵引变压器上方车厢地板处的磁感应强度变化,每5 s 取一次 数据,共取数据1 0 8 个,如图3 4 所示( 横轴代表所取数据的编号,从l 到1 0 8 ; 纵轴代表测试点 0 暑 型 爱 芝 墅 篷 图3 4 列车减速行驶过程中牵引变压器上方的磁场变化 f i g u r e3 4m a g n e t i ci n d u c t i o n sa _ b o v e 扭a c t i o n 的n s f o n e r ( d e c e l e 髓t i o n ) 匀高速过程中的连续测试:当动车的运行速度保持在3 0 2 k i 】 忱的高水平时, 连续1 分钟监测牵引变压器上方车厢地板处的磁感应强度变化,每2 s 取一次数据, 共取数据3 0 个,如图3 5 所示( 横轴代表所取数据的编号,从1 到3 0 ;纵轴代表 测试点的磁感应强度,单位是毫高斯m g ) 。 1 9 、 o 型 爱 毽 鹫 蓬 图3 5 列车匀速行驶过程中牵引变压器上方的磁场 f i g u 他3 5m a 鄹荫ci n d u c t i o i l sa b 0 v e 骶c t i o n 的n s f o m e r ( i nc o n s t a :n ts p d ) 由上述测试数据可知,在动车加速行驶的过程当中,牵引变压器上方的磁感 应强度始终保持在1 7 8 m g 以上,最高幅值可达1 9 4 m g ,磁感应强度的变化没有明 显规律,其最大值出现在行驶速度2 6 5 b :沛的时候。列车减速行驶

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