EMA3D: 高壓和重工行業(yè)應用

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

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

第一個用于通信的電力傳輸系統(tǒng)創(chuàng)建于19世紀70年代，隨后不久于19世紀80年代建立了配電系統(tǒng)。這些系統(tǒng)縱橫于各大洲，為當代文明創(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距離運行，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放電問題的另一個來源。

鐵路行業(yè)正在開發(fā)自己的保護裝置，以保護其用于管理列車活動的電子設(shè)備。其中一種保護裝置是避雷器，它保護鐵路設(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，但不是為長期事件而設(shè)計的。

與偶爾發(fā)生的直接雷擊相比，一個更為長期的問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)英里是很常見的，尤其是沿著為基礎(chǔ)設(shè)施預留的城市走廊。在正常運行期間，電線中發(fā)現(xiàn)的時變電流會耦合到附近的軌道或設(shè)備，并在其上感應電流和電壓。當鐵軌和輸電線路在很長的距離內(nèi)彼此平行并且輸電線路承載大電流時，這個問題更為嚴重。

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行監(jiān)測和發(fā)出信號。當附近的電力線在鐵路線上感應電流時，絕緣接頭會成為電壓源，從而對信號和監(jiān)測站產(chǎn)生負面影響。

行業(yè)標準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，而且隨著時間的推移，它們還會使絕緣接頭退化得更慢。絕緣接頭退化越少，信號可靠性越高。

雖然不是正常運行的一部分，但輸電線路故障也可能發(fā)生。直接對地短路可導致長達一分鐘的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)

從計算電磁學的角度來看，上述問題相當具有挑戰(zhàn)性，特別是因為必須模擬的模型的大?。ɑ叵胍幌拢F軌和電線可能會并行數(shù)英里）。同時，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、復雜的電氣線路路線、從地面到地下的線路變化以及導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)和運行時間可能會因這種情況而負擔過重。

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

圖1:??通勤軌道環(huán)境

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

圖2：干擾可能影響乘客和列車工作人員。