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?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)級電子設(shè)備相關(guān)的問題。然而，與電磁相關(guān)的未預(yù)料到的工程問題比現(xiàn)代電子學(xué)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(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(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(hù)裝置，以保護(hù)其用于管理列車活動的電子設(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(yù)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(yīng)電流和電壓。當(dāng)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(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)測和發(fā)出信號。當(dāng)附近的電力線在鐵路線上感應(yīng)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(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(dǎo)致長達(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)
從計算電磁學(xué)的角度來看，上述問題相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性，特別是因為必須模擬的模型的大小（回想一下，鐵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(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)和運行時間可能會因這種情況而負(fù)擔(dān)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(dǎo)線滑動（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。
