电磁拓扑在铁路信号电缆串扰问题中的应用

摘要

随着高速铁路以及重载铁路的快速发展，电气化铁路牵引功率显著增大，加之大量电力电子设备在铁路系统中的应用，使得铁路信号设备工作的电磁环境越来越复杂，受干扰的情况也越发频繁，亟需进行相关的理论研究和计算。但是铁路系统是由强电系统和弱电系统组成的开放式复杂电磁系统，具有物理尺寸大、电磁频谱宽、电磁场强高的特点。相比其它复杂电磁系统，如飞机、汽车等，高速铁路系统的电磁干扰分析更为复杂。单纯的FEM、FDTD等数值方法不适合这种复杂系统的电磁分析。电磁拓扑(EMT)理论在20世纪70年代中期由美国学者C.E.Baum等人提出，是顺应电磁兼容性理论和技术发展趋势出现的一种电磁分析方法。对于铁路这种强电系统和弱电系统组合成的复杂电磁系统，系统内既有低频传导问题，又有高频辐射问题，电磁拓扑理论有效地将“场”和“路”的分析方法结合到一起，大大降低了了复杂电磁系统分析的难度。国内在这方面研究还处于起步阶段。虽然美国、法国已经将电磁拓扑方法应用在飞机、导弹、卫星、汽车等多个领域的电磁兼容分析问题上，但在铁路系统，关于电磁拓扑的应用研究还很少。
　　本文首先从我国铁路供电系统和信号设备工作特点的角度出发，分析铁路现场存在的典型电磁干扰;接着对电磁拓扑方法基本理论以及BLT方程中的参数进行了介绍;然后选取铁路现场存在电磁干扰的典型场景，即电缆槽内贯通地线对邻近信号电缆产生近场干扰的情形，建立相应的电磁拓扑模型，推导出对应的BLT方程，并利用MATLAB软件编写程序对两电缆间的串扰进行仿真计算，并通过与前人用集总参数模型和分布参数模型得出的结果进行对比和分析，验证了电磁拓扑分析方法的可行性和有效性。最后，以此为基础，重点分析了在铁路环境下，信号电缆屏蔽方式和接地工艺对电缆屏蔽效能的影响，提出了更为完善的降低串扰的屏蔽方式及接地工艺。

目录

声明

致谢

摘要

主要符号对照表

1 引言

1．1 研究背景

1．1．1 我国铁路发展现状

1．1．2 铁路电磁环境特点

1．2 电磁拓扑理论概述

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 主要问题

1．3 本文主要工作及结构安排

2 电磁拓扑方法

2．1 电磁拓扑理论

2．1．1 电磁拓扑基本思想

2．1．2 复杂系统的电磁拓扑分析

2．2 经典BLT方程介绍

2．2．1 经典BLT方程的介绍及其扩展

2．2．2 相关参数的介绍

2．3 本章小结

3 电缆串扰的电磁拓扑研究

3．1 电缆串扰模型及BLT方程的建立

3．2 无屏蔽层电缆串扰分析

3．2．1 模型参数确定

3．2．2 仿真结果对比及分析

3．3 带有屏蔽层电缆串扰分析

3．3．1 模型参数确定

3．3．2 仿真结果对比及分析

3．4 电缆串扰的仿真计算

3．5 本章小结

4 铁路现场信号电缆串扰的分析及建议

4．1 铁路信号电缆抗干扰措施及研究现状

4．2 电缆槽中信号电缆受干扰分析

4．2．1 铁路贯通地线与信号电缆

4．2．2 贯通地线对信号电缆串扰仿真分析

4．3 屏蔽及接地工方式对电缆串扰的影响

4．4 铁路现场信号电缆屏蔽方法的建议

4．5 本章小结

5 总结

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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