接觸網(wǎng)與受電弓滑板離線電弧電磁輻射特性研究

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(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

高速鐵路系統(tǒng)自從采用接觸網(wǎng)-受電弓滑板滑動集流開始，就存在弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾問題。但是由于當(dāng)時列車運行速度不高，電弧問題并不是很嚴(yán)重，加之科學(xué)技術(shù)條件的限制，導(dǎo)致電弧及電弧電磁干擾并沒有受到人們的重視。直到近年來，隨著電力機(jī)車運行速度的突飛猛進(jìn)，牽引電流的不斷提高，弓網(wǎng)電弧爆發(fā)的問題也日益嚴(yán)重，從而受到了廣大相關(guān)工作人員的重視。

到目前為止，還很少見對弓網(wǎng)電弧電磁干擾專門的研究報道。與電弧相關(guān)的研究，主要集中在受電弓離線檢測裝置以及弓網(wǎng)系統(tǒng)方面的研究[1-3]；對弓網(wǎng)電弧電磁干擾的研究，主要集中鐵路電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的制定、弓網(wǎng)電弧電磁干擾試驗室電氣特性研究、弓網(wǎng)電弧電磁干擾的橫向衰減特性研究上[4]。文獻(xiàn)[5]利用棒形天線和環(huán)形天線檢測電弧的電磁輻射信號。文獻(xiàn)[6]指出了一種利用虛擬儀器對電弧電磁輻射檢測的方法和結(jié)果，認(rèn)為電弧電磁輻射為頻譜很寬的類似高斯白噪聲信號，且其瞬時能量很大。文獻(xiàn)[7]將電弧電磁輻射等效為直導(dǎo)線模型，并討論了不同參數(shù)與輻射電場的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]利用搭建的弓網(wǎng)實驗平臺采集電弧電壓電壓，同時經(jīng)快速傅里葉變換得到弓網(wǎng)電弧電壓和電流的諧波分量，指出直流和諧波分量會引起牽引變壓器和車載變壓器的直流偏磁、溫升和受流的可靠性。

在此，針對電力機(jī)車高速運行時受電弓與接觸線分離所產(chǎn)生的離線電弧，自行搭建了半實物仿真的弓網(wǎng)電磁輻射試驗系統(tǒng)，借助于示波器電壓探頭和天線同時采集電弧電壓和電弧電磁輻射信號，并基于快速傅里葉變換進(jìn)一步研究了弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁輻射頻譜特性。

1 弓網(wǎng)電弧電磁干擾的產(chǎn)生

電力機(jī)車在行駛過程中，由于軌道不平順、弓網(wǎng)系統(tǒng)的機(jī)械振動和接觸網(wǎng)硬點等原因，受電弓和接觸網(wǎng)之間難免會發(fā)生弓網(wǎng)分離現(xiàn)象[9]。一旦發(fā)生該現(xiàn)象，接觸線上的電流與電壓將會發(fā)生畸變，導(dǎo)致周圍空氣介質(zhì)擊穿，產(chǎn)生離線電弧，并同步伴隨著高頻電磁輻射和諧波的產(chǎn)生，向空間或沿著車載導(dǎo)線傳播。當(dāng)接觸網(wǎng)和受電弓滑板實現(xiàn)完全分離,或者接觸電壓減小至不能維持電弧燃燒時，電弧將熄滅。之后，弓網(wǎng)電壓達(dá)到接觸網(wǎng)的電壓值，此電壓值變?yōu)殡娀〉幕謴?fù)電壓，被擊穿的空氣等離子體在此電壓下可能恢復(fù)導(dǎo)電性，這將又會導(dǎo)致該電壓再次地迅速降低，直到過零點處。由電磁定律可知，任何時變的電流和電荷都會向外輻射電磁能量，且電弧的電磁輻射幅值與電流的變化率成正比[10]，即

(1)

ε0為空氣的介電常數(shù)；c為光速。

其電弧輻射功率譜為[5]：

(2)

2 弓網(wǎng)離線電弧試驗平臺

2.1 弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生裝置

電弧產(chǎn)生裝置主要由以下幾個部分組成：直流電源(輸出電壓0～80 V，電源電流可達(dá)25 A)、固定底座、滑動塊、1個固定的銅棒電極、1個可移動的純碳滑板電極和大功率無感電阻負(fù)載。其中，純碳電極與滑動塊固定在一起，試驗時滑動塊的移動速度設(shè)置為1 mm/s，移動距離為2 mm，負(fù)載電阻值約為5 Ω，施加直流電流12 A。采用電壓探頭測量電弧電壓，天線接收離線電弧電磁輻射。電極分開瞬間，電弧產(chǎn)生，利用示波器同時記錄電弧電壓和電弧電磁輻射波形。電弧數(shù)據(jù)采集平臺如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)電弧實驗裝置

2.2 弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射信號檢測

試驗時，通過控制滑動塊使銅棒和純碳滑板分離，金屬電極上的電子從陰極移動到陽極，帶電粒子做加速運動時輻射出電磁場[11]，電弧燃燒的過程中伴隨著電磁輻射。根據(jù)現(xiàn)有的研究工作可知，直流電弧的電磁輻射主要頻率成分集中在幾十MHz范圍內(nèi)。目前，用于接收電磁輻射的天線類型較多，由于對數(shù)周期天線和環(huán)天線的檢測頻段的單一性，可能導(dǎo)致不同頻段的電磁輻射信號的失真，并且此類天線有高成本、幾何尺寸大等缺點，導(dǎo)致其不利于現(xiàn)場測試。四階Hilbert分形天線，是基于分形曲線能夠在理論上充滿整個平面的思想而開發(fā)和設(shè)計的。分形天線導(dǎo)線能夠在有限的尺寸平面上實現(xiàn)高占空比，從而保證天線在信號接收頻帶達(dá)到設(shè)計要求的前提下具有最小的尺寸[12]。此外，該分形兼具頻帶寬和成本低等優(yōu)點[13]。因此，選用四階Hilbert分形天線來接收弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射信號，外形如圖2所示。

圖2 Hilbert分形天線

3 弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射時域特性

設(shè)定電源電流為12 A，將電壓探頭和Hilbert天線分別接入數(shù)字示波器Tektronix MDO3024的2個通道，控制滑動塊下降速度保持1 mm/s，進(jìn)行多次試驗。電壓探頭和天線分別采集到的典型的電弧電壓及其電磁輻射信號如圖3所示，采集總時間為0.8 ms。

圖3 弓網(wǎng)電弧電壓與電磁輻射信號

由圖3可以得知：

a.起弧瞬間電弧電壓上升至27.5 V，且在相同時刻天線采集到幅值為3.8 mV左右的電磁脈沖信號。在電弧燃燒階段，由于電磁力的存在及周圍環(huán)境氣壓的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致電弧的形狀和位置持續(xù)變化，從而導(dǎo)致采集到的電弧電壓持續(xù)波動。

b.電弧電磁輻射信號的變化與電弧電壓信號變化規(guī)律大體一致，在電弧電壓突然變化時，電磁輻射曲線也同步出現(xiàn)了相同變化規(guī)律的脈沖電磁波。這些現(xiàn)象充分驗證了電磁場理論中，快速變化的帶有尖峰的電壓電流會產(chǎn)生電磁干擾這一理論。

c.圖中電弧電壓曲線在Q時刻以前，即銅棒和純碳滑板尚未分開時刻，存在1個4 V左右的電壓值。此值意味著兩電極在配對時具有較高的接觸電阻。為確定該接觸電阻的量級大小，現(xiàn)就不同試驗電流(10 A，12 A，14 A，16 A)，進(jìn)行純碳滑板電極和銅電極從接觸到分離的1次完整拉弧過程，采集到電弧典型的電壓波形如圖4所示。由圖4可知，在拉弧過程中，兩電極分離之前，即0.0 s以前，電壓在2.5 V左右，即在起弧前，兩電極之間有較高的接觸電阻。為了保證試驗的重復(fù)性，對不同實驗電流進(jìn)行多次完整拉弧實驗，計算每次拉弧前的接觸電阻大小并分別求取電阻的平均值，如表1所示?？梢钥吹?，在不同的試驗電流下，兩電極在起弧之前的接觸電阻值都在0.2 Ω左右。

表1 不同試驗電流下電極配對接觸電阻

圖4 不同試驗電流的典型電弧電壓波形

4 弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射頻域特性

電弧是高溫等離子體，在弓網(wǎng)離線時能維持列車取流的持續(xù)性，但其會對接觸線和受電弓滑板造成侵蝕和磨耗，產(chǎn)生的電磁干擾將會通過空間輻射和導(dǎo)線傳輸，對各種車載數(shù)字設(shè)備、通信系統(tǒng)、鐵道信號系統(tǒng)，以及周圍居民的日常生活造成不同程度的影響，對電力機(jī)車的穩(wěn)定安全運行造成了潛在的威脅。為進(jìn)一步探討電弧電磁輻射特性，為實際電氣化鐵路電磁干擾的抑制提供一定的理論數(shù)據(jù)支持，本文借助于快速傅里葉變換，將圖3中Q時刻的電磁脈沖時域信號轉(zhuǎn)換到頻域分析，采樣長度為1 μs。分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，電弧電磁輻射頻譜范圍寬，20 MHz附近的幅值較高，干擾作用較強(qiáng)，是電弧電磁輻射的主要頻率成分。

圖5 電弧電磁輻射的頻域分析

5 結(jié)束語

介紹了電弧及電弧電磁干擾產(chǎn)生機(jī)理，搭建了針對弓網(wǎng)電弧的測試平臺，利用示波器探頭和天線同步采集了電弧電壓和電弧電磁輻射信號，進(jìn)而分析了電弧電磁輻射信號的時域及頻域特性，并進(jìn)一步探討了銅棒和純碳滑板之間的接觸電阻量級，得到以下結(jié)論：

a.電弧燃燒不是一個穩(wěn)定的過程，電弧電壓會隨機(jī)的發(fā)生變化，與此同時將會產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬時脈沖電磁輻射。

b.不同試驗電流下，銅電極和純碳滑板電極之間的接觸電阻維持在0.2 Ω左右。

c.電弧電磁輻射頻譜范圍寬，在20 MHz附近幅值較高，是電弧電磁輻射的主要頻率成分。

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