牵引 变流器 长电缆寄生电容和传输特性研究

陈明翊 1 ，黄舟 2

1. 中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001 ；

2.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410131

摘 要：牵引变流器输出端与电机负载侧通常使用长屏蔽电缆连接，长电缆的屏蔽层寄生电容效应会对变流器的功率半导体器件应用产生影响，PWM电压脉冲波通过长电缆的传输和反射过程会引起电机端过电压，本文研究了长电缆的寄生电容效应和传输特性。

关键词：牵引；变流器；长电缆；寄生电容；传输特性

中图分类号： 文献标识码：

Research on Parasitic Capacitance and

Transmission Characteristics of the Long Cables in Traction Power Converter

Chen Mingyi

(CRRC Zhuzhou Institute CO.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412001,China)

Abstract: Traction power converter and motor are usually connected with long cables.The parasitic capacitance existing between the cores and screen layer of the long cables will have effects on the semiconductor devices operating under switching conditions in power converter system. The transmission and reflection of PWM voltage pulses on the long cables may cause the over-voltage at the terminals of the motor.This paper has a research on parasitic capacitance and transmission characteristics of the long cables in power converter system.

Keywords:traction; power converter; long cable; parasitic capacitance; transmission characteristics

0 引言

牵引变流器系统采用脉冲宽度调制（PWM）控制功率半导体器件工作在开关状态，会带来一系列电磁兼容问题，如高频辐射和传导干扰等。为改善变流器系统的EMC性能，通常会选用附带屏蔽层的电力电缆作为功率传输导线。随着电机负载端远离变流器的输出端口，屏蔽电缆也会随之增大到一定长度，长电缆的寄生分布电容效应和传输特性会对变流器系统的应用产生一系列影响。

1 屏蔽电缆结构和分布电容

1.1屏蔽电缆的结构模型

工程应用的电力屏蔽电缆为多股线芯并列结构，线芯导线沿电缆的长度方向呈一定角度螺旋缠绕，电缆实物的截面见图1（a），其截面结构如图1（b）所示。作为负载导线，电缆的屏蔽层单端或双端接地，线芯与屏蔽层之间的寄生电容在高频应用条件下不能忽视，可以建立多种关于电缆分布电容的解析模型。为了简化分析，将屏蔽电缆内部多股线芯看作一整根粗铜线导体，分析一定长度导线与屏蔽层之间的寄生分布电容，简化后的寄生电容模型如图1（c）所示。

（a）电缆实物截面 （b）屏蔽电缆结构 （c）寄生电容模型

图1 屏蔽电缆的结构模型

1.2屏蔽电缆的分布电容

轨道交通车辆牵引变流器采取机壳接地的方式，变流器机壳与机车车辆的车体通过特殊设计的接地回路连接，最后通过位于车辆走行部的接地装置（EB）接入钢轨，与大地相连。变流器的输出电力电缆的屏蔽层则通过特殊的压接工艺与机壳连接并接地。

牵引变流器的输出端与负载电机侧通过屏蔽电缆相连接，电缆屏蔽层在变流器侧和电机侧双端接地。屏蔽电缆长度越长，其寄生分布电容就越大。而屏蔽电缆相比于未屏蔽电缆有更大的等效分布电容。单位长度电缆的分布电容值计算见式（1）。

（1）

C₀为单位长度电缆的电容（pF/m），ε₀=8.85419×10^-12 F/m为真空介电常数，ε_r为相对介电常数，a为导体间的距离（m），d为导体直径（m）^[1]。

例如某型动车组列车采用2M2T编组形式，对其动力车的牵引变流器装置进行测量，变流器功率输出端与负载侧通过长度约25m的屏蔽电缆连接。采用阻抗分析仪测量长屏蔽电缆的寄生电容值见表1所示。通过产品数据手册查得该屏蔽电缆单位长度的分布电容值为0.7nF/m，电缆分布电容的计算值和测试值接近，二者在同一个数量级。

表1 某型动车组列车长电缆寄生电容测量值（单位：nF）

2 长电缆的寄生电容效应

2.1 寄生电容对IGBT开关的影响

IGBT是现代牵引变流器广泛应用的功率半导体开关器件。栅极驱动器控制IGBT工作在开关状态，并对IGBT导通时的C、E极间饱和电压V_{CE sat}进行实时检测，确保IGBT运行在安全工作区（SOA）。当器件导通电流过大导致IGBT欠饱和，超过预先设定的保护阈值从而触发V_{CE sat}过流保护。在使用长屏蔽电缆连接电机时，分布电容效应使得变流器的负载侧呈容性，产生短时很高的反向充电电流，导致IGBT开通后欠饱和，误触发驱动器过流保护功能。

通过上述分析，容性负载会对变流器造成影响，严重时会使IGBT欠饱和并误触发驱动器的过流保护功能。为进一步测试分布电容对IGBT器件开关特性造的影响，搭建试验电路见图2所示。

图2 模拟寄生电容效应的IGBT开关测试电路原理图

试验过程中利用多只不同电容值的薄膜电容器模拟长屏蔽电缆的分布电容，并联在测试桥臂的输出端和主电路接地点之间。当测试电路的上桥臂IGBT开通时，给薄膜电容器充电；当下桥臂开通时，薄膜电容器反向充电。试验结果发现，当用于测试的薄膜电容器电容值和现场分布电容测量值相当时，会随机误触发IGBT驱动器保护。

2.2 防止V_{CE sat}误触发的措施

IGBT驱动器通过实时监测IGBT导通的管压降V_{CE sat}判断器件是否发生欠饱和，如果由于屏蔽电缆呈容性负载效应使得IGBT开通瞬间流过了额外的充电电流，将会引起IGBT器件的导通压降V_{CE sat}相应增加。

通过对长电缆屏蔽层寄生电容的现场测试和模拟试验，验证了当屏蔽电缆寄生电容增加到一定数值时，可能对变流器的IGBT输出特性造成影响。为规避这种额外的充电电流误触发V_{CE sat}保护，在工程应用中可以采取以下措施：

1、优化布线路径，减小不必要的电缆长度。

2、优化IGBT驱动器的保护参数，设置足够长的V_{CE sat}消隐时间。

3、在逆变器的输出端设计三相输出滤波电抗器。

3 长电缆的传输特性

3.1 长电缆高频传输模型

在实际工程应用中，变流器与电机之间使用长电缆连接时，受脉冲上升时间、电缆参数、感应电机等效阻抗等因素的影响，高频电压会出现反射，进而使得电机端电压在电平转换瞬间出现瞬时过电压现象，最大时可达逆变器输出相电压的2倍^[2]。

变流器通过长电缆连接到电机，如果电缆和电机阻抗不匹配，将在电机终端产生电压反射。简化的长电缆高频传输模型见图3所示。

图3 简化的长电缆高频传输模型

单位长度电缆的电感值计算见式（2）。

（2）

L₀为单位长度的电感（μH/m），μ₀=4π×10^-7 H/m为真空磁导率，a为导体间的距离（m），d为导体直径（m）^[1]。

设变流器的阻抗为Z₁，电缆的波阻抗为Z_cable，电机的负载阻抗为Z₂，可以得到Z₁＜Z_cable＜Z₂。电缆阻抗Z_cable的计算见式（3）：

（3）

设变流器输出电压为U₁，电缆反射电压为U_ref，电机端电压为U₂，反射电压计算见式（4）：

(4)

当Z₂＞＞Z_cable时，可得U_ref =U₁，即电缆上的反射电压等于变流器的输出电压，两者之和为电机端的过电压，即U₂=U₁+U_ref =2U₁。

3.2 长电缆电压反射的过程分析

当脉冲波传输时间可以与PWM脉冲的上升时间在一个数量级时，电机与电缆的阻抗特性不匹配，脉冲波电压降在电机端发生全反射，电缆的长度和脉冲波的上升沿决定了过电压的幅值，以下分别加以分析。

1、PWM脉冲波的上升时间。当脉冲上升时间t_r不足脉冲传输时间t_s的3倍（即t_s ≥ t_r/3），电机端发生全反射。

如果脉冲电压从变流器传送到电机所需的时间小于脉冲电压上升时间t_r的1/3，电机端电压峰值发生在第二次入射波到达电机侧之前，这是由于第二次入射波幅值为负，会使电机侧电压减小

^[3]。

2、电缆长度。脉冲电压的传播速度V_pulse与电缆的分布电容和电感有关，见式（5）：

（5）

工程经验表明，如果2倍电压传输时间小于脉冲上升时间（即t_s＜t_r/2），此时电压要小于经过一次电压反射后的电机端电压，由此得产生过电压的临界传输时间t₀=t_r/2。长电缆的临界长度见式（6）：

（6）

电机端电压的最大值发生在脉冲波沿电缆传输第一次反射回变流器时刻，由于电机侧阻抗很大Z₂＞＞Z_cable，反射电压幅值U_ref =U₁，电机端过电压为变流器输出电压U₁和电缆反射电压U_ref的叠加。当脉冲波在变流器侧发生反射时，由于变流器侧的阻抗很小，反射电压幅值为-U₁。当脉冲波沿电缆传输第二次反射回变流器时刻，电机端电压为零。以上，完成一次传输过程的反射循环，进入周期性的传输反射过程^[4]。

由此可知，长电缆的高频振荡周期T₀=4t_s，对应电缆的高频振荡频率计算见式（7）：

（7）

3.3 长电缆电压反射的测试

由于长电缆存在分布电感和分布电容，当长电缆的波阻抗与电动机的等效阻抗不匹配时，将产生电压行波反射现象，在电动机端产生过电压和高频阻尼振荡。

例如某型动车组牵引变流器到电机侧的动力电缆长度约30m。测得该变流装置电缆单位长度的分布电感值约为L₀=0.27μH/m，通过数据手册查得该电缆单位长度的分布电容值为C₀=0.7nF/m，电压脉冲上升时间t_r=0.55μs，由式（6）计算该装置电缆临界长度为：

测试结果显示电机端过电压明显高于变流器输出电压。结合系统设计参数分析，当电缆长度超过20m时，就可以测量到电机端过电压，且过电压会随着电缆长度的增加而变大。

4 结语

长电缆可能会带来一系列应用问题，如使电机端电压加倍，加速电机的绝缘老化甚至击穿；位移电流通过电机损坏轴承；加剧了电动机绕组以及电缆线的发热损耗，严重时会使电动机烧毁及电缆爆裂；在电动机端产生过电压、高频阻尼振荡，导致电动机的du/dt很大，增强电机噪声和电磁干扰。长电缆的寄生电容和传输特性会对变流器造成一定影响，有必要结合具体的应用工况加以优化。通过优化布线路径，减小不必要的电缆长度，采取在逆变器输出端设计三相输出滤波电抗器等措施，可以改善长电缆的寄生电容和反射过电压的影响。参考文献：

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[2] 肖芳，赵克，孙力.一体化电机系统中的电磁兼容[M].北京：国防工业出版社，2017.

[3] 黄志刚，陶锦，张林，王雷.长电缆对PWM变频器输出的过电压分析与对策[J].变频器世界，2009(6):57-61.

[4] 刘春丽，郑钢，徐鹏飞.基于PSIM长电缆驱动时过电压抑制的仿真建模[J].电气技术，2014(7):22-26.

作者简介：陈明翊（1983-），男，硕士，高级工程师，主要从事变流技术研究与产品开发。