弓網(wǎng)電弧實驗系統(tǒng)與輻射噪聲實驗研究

郭鳳儀，張艷立，王智勇，王寶巍，王喜利，張建飛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105)

弓網(wǎng)電弧實驗系統(tǒng)與輻射噪聲實驗研究

郭鳳儀，張艷立，王智勇，王寶巍，王喜利，張建飛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島125105)

近年來隨著電力機車運行速度的不斷提高，弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象越來越嚴重，已成為電力機車安全運行的隱患。為深入研究弓網(wǎng)電弧的形成機理和抑制方法，設(shè)計了一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了屏蔽環(huán)境下弓網(wǎng)電弧的模擬。利用該系統(tǒng)，通過控制接觸壓力、電流和運行速度三個條件進行了弓網(wǎng)電弧輻射電磁噪聲的測量實驗。結(jié)果表明，弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁噪聲干擾頻段主要在頻率30～500MHz內(nèi)，其中干擾強烈頻段在30～60MHz內(nèi)。電流越大，輻射噪聲幅值越大，干擾頻率帶寬越寬。隨著壓力的逐漸增大，輻射噪聲幅值先減小后增大，干擾頻率帶寬先變窄后變寬。

弓網(wǎng)電弧;電磁噪聲;輻射噪聲;滑動電接觸

1 引言

隨著電氣化鐵路的快速發(fā)展，高鐵系統(tǒng)中弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁噪聲問題日益突出。干擾信號對供電系統(tǒng)的可靠性造成威脅，并嚴重影響著機車的控制信號、鐵路沿線通信信號的正確傳輸［1，2］。國內(nèi)以電力機車弓網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象的滑動電接觸理論的研究近幾年才剛剛起步，主要研究載流摩擦磨損機理、弓網(wǎng)離線檢測技術(shù)和弓網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化等［3-6］，關(guān)于弓網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的火花放電、電弧放電等問題的研究主要集中在開關(guān)電弧建模、能量分布和電弧侵蝕等方面［7-9］，而對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲特性的研究很少。

為了深入研究弓網(wǎng)電弧電磁噪聲的形成機理和抑制方法，本文成功設(shè)計了一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電波暗室、弓網(wǎng)電弧發(fā)生器、弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng)組成。利用天線測量輻射噪聲，并對測量結(jié)果進行分析，得出了回路電流和接觸壓力對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的影響。

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 屏蔽室

實驗系統(tǒng)的屏蔽室為長8m、寬4m、高3.5m的半電波暗室，符合電磁兼容試驗測試標準。屏蔽殼體采用金屬屏蔽可拆卸式殼體結(jié)構(gòu)。屏蔽主體四側(cè)面及頂面為2mm優(yōu)質(zhì)鍍鋅鋼板，均經(jīng)屏蔽密封形成屏蔽壁板。屏蔽室的電源都進行相應(yīng)電源濾波器的輸入處理。為了減少屏蔽接地線的阻抗，提高系統(tǒng)工作時的可靠性、安全性，針對電磁屏蔽室，單獨設(shè)置了接地系統(tǒng)。吸波材料采用了PXB型吸波材料，阻燃性能達到國家 B2(可燃材料)材料標準要求，氧指數(shù)≥28%，滿足NRL 8093試驗標準要求。

2.2 弓網(wǎng)電弧發(fā)生器

弓網(wǎng)電弧發(fā)生器是在原有的滑動電接觸實驗裝置［10］的基礎(chǔ)上添加了弓網(wǎng)離線控制模塊改進而成，不僅實現(xiàn)了模擬接觸導(dǎo)線與滑板的“之”字形軌跡，同時實現(xiàn)了接觸導(dǎo)線與滑板之間的離線控制、直接接觸壓力的任意調(diào)節(jié)，實物圖如圖1所示。

弓網(wǎng)離線控制模塊如圖 2所示，是由42BYGH47-401A型混合式步進電機、滾珠絲杠、位移滑塊、壓力傳感器、彈簧和滑板組成。其離線控制主要通過步進電機和可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的滾珠絲杠之間的配合進行實現(xiàn)。通過驅(qū)動步進電機的左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)驅(qū)動位移滑塊進而控制滑板的前進和后退，實現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)和離線的控制。

圖1 弓網(wǎng)電弧模擬實驗機實物圖Fig．1 Pantograph arc simulation experimental system

圖2 壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖Fig．2 Pressure regulating system schematic diagram

2.3 實驗機檢測系統(tǒng)設(shè)計

2.3.1 下位機檢測系統(tǒng)設(shè)計

下位機的檢測系統(tǒng)設(shè)計通過采集卡NI PCI-6251可以實現(xiàn)對實驗機運行過程中的一些參量進行采集，采集卡NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采樣率下也能保持高精度。采集參量包括接觸導(dǎo)線與滑板之間壓力、接觸導(dǎo)線與滑板之間接觸點溫度、接觸導(dǎo)線運行線速度、滑板往復(fù)移動速率、接觸點電壓和回路電流，并把所有采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機，下位機檢測系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 下位機檢測系統(tǒng)框圖Fig．3 Lower computer test system block diagram

2.3.2 上位機軟件設(shè)計

為了更直觀地觀測和記錄測試數(shù)據(jù)，采用了與采集卡NI PCI-6251相兼容的 Labview軟件開發(fā)了上位機監(jiān)控軟件。該軟件將采集卡采集上來的信號做了相應(yīng)的信號處理以及數(shù)據(jù)的存儲和顯示，上位機監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 監(jiān)測界面Fig．4 Monitoring interface

3 實驗方案

為了初步研究弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的形成機理及其特性，通過控制接觸壓力、電流和運行速度三個條件，針對銅導(dǎo)線和浸金屬碳滑板，進行了64組實驗，實驗條件如表1所示。

表1 實驗條件Tab．1 Experimental condition

為了覆蓋全部弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的頻段，實驗室選擇了兩種天線對電磁噪聲進行檢測，使用型號為HFH2-Z2的環(huán)形天線來采集9kHz～30MHz頻段內(nèi)的磁場信號。選用型號為 HL562的對數(shù)周期天線來采集30MHz～3GHz頻段內(nèi)的電場信號。

使用 R＆S FSL6型號頻譜分析儀和 R＆S ESSCAN測量軟件接收和分析天線所采集的弓網(wǎng)電弧輻射噪聲信號，該型號頻譜分析儀測量帶寬為10MHz，測量頻率范圍為9kHz～3GHz，完全可以滿足實驗研究的需要。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 背景噪聲

實驗采用最大值保持方式對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲進行檢測，采用環(huán)形天線和錐形天線測得背景噪聲如圖5所示。

圖5 背景噪聲測得結(jié)果Fig．5 Background noise measured results

從背景噪聲中可以看出，背景中存在其他干擾源，其可能原因是環(huán)形天線電源及其屏蔽室內(nèi)部用電設(shè)備造成。但是經(jīng)多次背景測量，這些干擾信號的頻率固定并且幅值很小，如圖5(b)中噪聲干擾頻率293.25MHz，這些噪聲可以通過軟件或者數(shù)學(xué)方法濾掉，并不影響結(jié)果分析。

4.2 環(huán)形天線測量結(jié)果

環(huán)形天線測量結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，圖6(a)、圖6(b)與環(huán)形天線背景噪聲圖5(a)幾乎一致，其余實驗條件組環(huán)形天線所測結(jié)果也是一樣。由此可知，弓網(wǎng)電弧輻射噪聲在低頻9kHz～30MHz內(nèi)沒有干擾。

圖6 環(huán)形天線測得結(jié)果Fig．6 Loop antenna measured results

4.3 錐形天線測量結(jié)果

錐形天線測得頻譜圖如圖7和圖8所示，與圖5(b)背景噪聲頻譜圖對比可以看出，弓網(wǎng)輻射噪聲在頻域上為脈沖波形，其主要干擾頻段在頻率30～500MHz內(nèi)，其中干擾強烈頻段在30～60MHz內(nèi)，干擾峰值高出背景噪聲20dB。

4.3.1 電流對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的影響分析

圖7為壓力 70N，速度 25km/h，電流分別為100A、150A、200A和250A條件下測得的弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的頻譜圖。

可以看出，在接觸壓力和滑動速度一定的情況下，隨著電流的增加，弓網(wǎng)輻射電磁噪聲幅值成上升趨勢，電流越大，幅值越大，干擾強度越強，其中變化最明顯階段為I≤150 A時，如圖7(a)和圖7(b)所示，從最高幅值上就可以看出，后者所測結(jié)果在噪聲幅值上明顯高于前者;而當I≥150 A時，如圖7(c)和圖7(d)所示，噪聲幅值雖有所增強，但增強程度不大。隨著電流的增大電磁噪聲的干擾頻帶越來越寬，即產(chǎn)生電磁干擾的幾率增大，其變化主要體現(xiàn)在頻率在90～200MHz和300～500MHz范圍內(nèi)，如圖7圓圈標注范圍。當I=100A時，在這兩段頻帶內(nèi)，尤其是90～200MHz內(nèi)，很少有電磁噪聲干擾，隨著電流的增大，電磁噪聲發(fā)生頻率越來越密集，并且噪聲幅值逐漸變強。

4.3.2 壓力對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的影響分析

圖8為速度20km/h，電流100A，壓力分別為30N、50N、70N和90N條件下測得的弓網(wǎng)電弧輻射噪聲頻譜圖。

可以看出，在滑動速度和電流一定時，接觸壓力對電磁噪聲幅值和頻率上的影響不是成線性變化的。圖8(a)和圖 8(d)的頻率帶寬明顯寬于圖 8 (b)和圖 8(c)。其明顯變化范圍在頻率 90M ～200MHz和300M～500MHz內(nèi)，如圖8圓圈標注范圍。當F=50N和F=70N時，電磁干擾強度在這兩段頻帶內(nèi)較小或幾乎沒有干擾，這種情況在F=70N時尤為突出，而在F=30N和F=90N條件下，電磁干擾就比較明顯，電磁干擾強度較強。壓力對噪聲幅值的影響也有相似的規(guī)律。

由此可知壓力對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲幅值和頻率的影響規(guī)律為:隨著壓力的逐漸增大，電磁干擾的幅值先減小后增大，干擾頻率帶寬也是先變窄后變寬。

圖7 弓網(wǎng)電弧輻射噪聲隨電流變化的頻譜分布圖Fig．7 Pantograph-catenary arc radiation noise spectrum distribution changing with current

圖8 弓網(wǎng)電弧輻射噪聲隨壓力變化的頻譜分布圖Fig．8 Pantograph-catenary arc radiation noise spectrum distribution changing with pressure

5 結(jié)論

(1)實驗結(jié)果表明電波暗室的設(shè)計合理，能夠起到很好的屏蔽效果。弓網(wǎng)電弧實驗機能夠驅(qū)動步進電機實現(xiàn)離線控制，同時產(chǎn)生離線電弧。

(2)弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁噪聲干擾頻段主要在頻率30～500MHz內(nèi)。其中干擾強烈頻段在 30～60MHz內(nèi)，干擾峰值高出背景噪聲約20dB。

(3)電流和壓力對弓網(wǎng)電弧輻射噪聲的影響主要在其幅值和頻率上。電流越大，干擾幅值越大，干擾頻率帶越寬;隨著壓力的逐漸增大，電磁干擾的幅值先減小后增大，干擾頻率帶寬也是先變窄后變寬。

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Design of pantograph arc experiment system and study on radiated noise

GUO Feng-yi，ZHANG Yan-li，WANG Zhi-yong，WANG Bao-wei，WANG Xi-li，ZHANG Jian-fei
(Faculty of Electrical and Control Engineering，Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)

In recent years，with the continuous increasing running speed of electric locomotive，pantograph arc becomes more and more serious and has become a kind of security risk of electric railways operation．To further study the formation mechanism and suppression methods of pantograph arc，a pantograph arc experimental system was developed．The system realizes the simulation of pantograph arc in a shielded environment．Using this test system，by controlling the contact pressure，current and speed，we performed a set of pantograph arc radiation electromagnetic noise measurement experiment．The results showed that the electromagnetic noise interference of the pantographcatenary system is mainly in the frequency band of 30M～500MHz，and the strongest band is in 30M～60MHz．With the increase of contact current，electromagnetic noise amplitude increases gradually as well as the interference frequency bands．With the increase of contact pressure，electromagnetic noise amplitude firstly increases and then decreases，and the interference frequency bands firstly become narrow and then widen．

pantograph arc;electromagnetic noise;radiation noise;sliding electrical contact

U225;U264.34

:A

:1003-3076(2015)12-0049-05

2014-10-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(51277090)

郭鳳儀 (1964-)，男，遼寧籍，教授，博士，長期從事電接觸理論及其應(yīng)用的教學(xué)科研工作;張艷立 (1989-)，男，河北籍，碩士研究生，主要研究方向為弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁兼容。