EMA3D: 高压和重工行业应用

‍EMA3D Cable vs. EMA3D Charge: 高压和重工行业应用

电磁仿真通常聚焦于与芯片或系统级电子设备相关的问题。然而，与电磁相关的未预料到的工程问题比现代电子学还要早。

第一个用于通信的电力传输系统创建于19世纪70年代，随后不久于19世纪80年代建立了配电系统。这些系统纵横于各大洲，为当代文明创造了条件。尽管电力传输和配电技术已经成熟，但它们并非没有潜在的电磁危害。

例如，铁路轨道和电力线通常沿着同一走廊长距离运行，特别是在城市环境中，它们经常共享市政分区规定的区域。更为严重的是，铁路线路本身正在逐步电气化，一些铁路系统本身就为高速行驶输送电压。此外，列车上电子设备（包括车厢电子设备）以及与信号和交通监控设备相关的电子设备的日益普及，也是潜在电荷累积和危险放电问题的另一个来源。

铁路行业正在开发自己的保护装置，以保护其用于管理列车活动的电子设备。其中一种保护装置是避雷器，它保护铁路设备免受雷击。然而，这些设备有其局限性；它们可以承受高能量的闪电电流，这种电流只持续几微秒，但不是为长期事件而设计的。

与偶尔发生的直接雷击相比，一个更为长期的问题是输电线路和附近轨道之间的电磁干扰（EMI）。电线与铁轨平行延伸数英里是很常见的，尤其是沿着为基础设施预留的城市走廊。在正常运行期间，电线中发现的时变电流会耦合到附近的轨道或设备，并在其上感应电流和电压。当铁轨和输电线路在很长的距离内彼此平行并且输电线路承载大电流时，这个问题更为严重。

然而，轨道并不是一条不间断的线路。相反，它们被构造为相邻的段，在它们之间具有绝缘接头。这些绝缘接头可在指定位置进行监测和发出信号。当附近的电力线在铁路线上感应电流时，绝缘接头会成为电压源，从而对信号和监测站产生负面影响。

行业标准要求这些电压保持较低。低电压可防止设备损坏和人员受伤，而且随着时间的推移，它们还会使绝缘接头退化得更慢。绝缘接头退化越少，信号可靠性越高。

虽然不是正常运行的一部分，但输电线路故障也可能发生。直接对地短路可导致长达一分钟的30000安培电流，并在铁轨附近和铁轨上产生高电压。

克服电磁挑战

从计算电磁学的角度来看，上述问题相当具有挑战性，特别是因为必须模拟的模型的大小（回想一下，铁轨和电线可能会并行数英里）。同时，模型必须模拟小规模的物理区域，如绝缘接头。多轨道轨道车辆段的存在、复杂的电气线路路线、从地面到地下的线路变化以及导电路径之间的间距变化都增加了建模难度。电磁仿真软件网格划分技术和运行时间可能会因这种情况而负担过重。

铁路和电力线电磁相互作用的各种场景非常令人惊讶。下图是欧洲城市地区常见的通勤铁路环境，轨道车上的受电弓沿着接触网导线滑动（图1）。在这种应用中，干扰和耦合响应是多样的和重要的。

图1:  通勤轨道环境

铁路和电线相互作用所固有的风险并不局限于已经讨论过的电子系统和设备。高速电力动车组（EMU）列车在运行过程中产生高频电场、低频磁场和高频宽带电磁辐射。潜在的人体健康问题是由于电磁干扰从车窗传播到列车车体。这些干扰会影响乘客和列车工作人员（见图2）。因此，对模拟人体电磁场发射的传输体积、振幅分布特性和暴露水平的需求越来越大。

图2：干扰可能影响乘客和列车工作人员。