EMA3D: 高壓和重工行業(yè)應(yīng)用

?EMA3D Cable vs. EMA3D Charge: 高壓和重工行業(yè)應(yīng)用

電磁仿真通常聚焦于與芯片或系統(tǒng)級(jí)電子設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題。然而，與電磁相關(guān)的未預(yù)料到的工程問(wèn)題比現(xiàn)代電子學(xué)還要早。

第一個(gè)用于通信的電力傳輸系統(tǒng)創(chuàng)建于19世紀(jì)70年代，隨后不久于19世紀(jì)80年代建立了配電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)縱橫于各大洲，為當(dāng)代文明創(chuàng)造了條件。盡管電力傳輸和配電技術(shù)已經(jīng)成熟，但它們并非沒(méi)有潛在的電磁危害。

例如，鐵路軌道和電力線通常沿著同一走廊長(zhǎng)距離運(yùn)行，特別是在城市環(huán)境中，它們經(jīng)常共享市政分區(qū)規(guī)定的區(qū)域。更為嚴(yán)重的是，鐵路線路本身正在逐步電氣化，一些鐵路系統(tǒng)本身就為高速行駛輸送電壓。此外，列車上電子設(shè)備（包括車廂電子設(shè)備）以及與信號(hào)和交通監(jiān)控設(shè)備相關(guān)的電子設(shè)備的日益普及，也是潛在電荷累積和危險(xiǎn)放電問(wèn)題的另一個(gè)來(lái)源。

鐵路行業(yè)正在開(kāi)發(fā)自己的保護(hù)裝置，以保護(hù)其用于管理列車活動(dòng)的電子設(shè)備。其中一種保護(hù)裝置是避雷器，它保護(hù)鐵路設(shè)備免受雷擊。然而，這些設(shè)備有其局限性；它們可以承受高能量的閃電電流，這種電流只持續(xù)幾微秒，但不是為長(zhǎng)期事件而設(shè)計(jì)的。

與偶爾發(fā)生的直接雷擊相比，一個(gè)更為長(zhǎng)期的問(wèn)題是輸電線路和附近軌道之間的電磁干擾（EMI）。電線與鐵軌平行延伸數(shù)英里是很常見(jiàn)的，尤其是沿著為基礎(chǔ)設(shè)施預(yù)留的城市走廊。在正常運(yùn)行期間，電線中發(fā)現(xiàn)的時(shí)變電流會(huì)耦合到附近的軌道或設(shè)備，并在其上感應(yīng)電流和電壓。當(dāng)鐵軌和輸電線路在很長(zhǎng)的距離內(nèi)彼此平行并且輸電線路承載大電流時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更為嚴(yán)重。

然而，軌道并不是一條不間斷的線路。相反，它們被構(gòu)造為相鄰的段，在它們之間具有絕緣接頭。這些絕緣接頭可在指定位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)和發(fā)出信號(hào)。當(dāng)附近的電力線在鐵路線上感應(yīng)電流時(shí)，絕緣接頭會(huì)成為電壓源，從而對(duì)信號(hào)和監(jiān)測(cè)站產(chǎn)生負(fù)面影響。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求這些電壓保持較低。低電壓可防止設(shè)備損壞和人員受傷，而且隨著時(shí)間的推移，它們還會(huì)使絕緣接頭退化得更慢。絕緣接頭退化越少，信號(hào)可靠性越高。

雖然不是正常運(yùn)行的一部分，但輸電線路故障也可能發(fā)生。直接對(duì)地短路可導(dǎo)致長(zhǎng)達(dá)一分鐘的30000安培電流，并在鐵軌附近和鐵軌上產(chǎn)生高電壓。

克服電磁挑戰(zhàn)

從計(jì)算電磁學(xué)的角度來(lái)看，上述問(wèn)題相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，特別是因?yàn)楸仨毮M的模型的大?。ɑ叵胍幌?，鐵軌和電線可能會(huì)并行數(shù)英里）。同時(shí)，模型必須模擬小規(guī)模的物理區(qū)域，如絕緣接頭。多軌道軌道車輛段的存在、復(fù)雜的電氣線路路線、從地面到地下的線路變化以及導(dǎo)電路徑之間的間距變化都增加了建模難度。電磁仿真軟件網(wǎng)格劃分技術(shù)和運(yùn)行時(shí)間可能會(huì)因這種情況而負(fù)擔(dān)過(guò)重。

鐵路和電力線電磁相互作用的各種場(chǎng)景非常令人驚訝。下圖是歐洲城市地區(qū)常見(jiàn)的通勤鐵路環(huán)境，軌道車上的受電弓沿著接觸網(wǎng)導(dǎo)線滑動(dòng)（圖1）。在這種應(yīng)用中，干擾和耦合響應(yīng)是多樣的和重要的。

圖1:??通勤軌道環(huán)境

鐵路和電線相互作用所固有的風(fēng)險(xiǎn)并不局限于已經(jīng)討論過(guò)的電子系統(tǒng)和設(shè)備。高速電力動(dòng)車組（EMU）列車在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生高頻電場(chǎng)、低頻磁場(chǎng)和高頻寬帶電磁輻射。潛在的人體健康問(wèn)題是由于電磁干擾從車窗傳播到列車車體。這些干擾會(huì)影響乘客和列車工作人員（見(jiàn)圖2）。因此，對(duì)模擬人體電磁場(chǎng)發(fā)射的傳輸體積、振幅分布特性和暴露水平的需求越來(lái)越大。

圖2：干擾可能影響乘客和列車工作人員。