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(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)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(dòng)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(shí)列車運(yùn)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(yùn)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(duì)弓網(wǎng)電弧電磁干擾專門的研究報(bào)道。與電弧相關(guān)的研究，主要集中在受電弓離線檢測(cè)裝置以及弓網(wǎng)系統(tǒng)方面的研究[1-3]；對(duì)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(yàn)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(cè)電弧的電磁輻射信號(hào)。文獻(xiàn)[6]指出了一種利用虛擬儀器對(duì)電弧電磁輻射檢測(cè)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(hào)，且其瞬時(shí)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(chǎng)的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]利用搭建的弓網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采集電弧電壓電壓，同時(shí)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(huì)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(duì)電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)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(shí)物仿真的弓網(wǎng)電磁輻射試驗(yàn)系統(tǒng)，借助于示波器電壓探頭和天線同時(shí)采集電弧電壓和電弧電磁輻射信號(hào)，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(dòng)和接觸網(wǎng)硬點(diǎn)等原因，受電弓和接觸網(wǎng)之間難免會(huì)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(huì)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(shí)現(xiàn)完全分離,或者接觸電壓減小至不能維持電弧燃燒時(shí)，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(huì)導(dǎo)致該電壓再次地迅速降低，直到過零點(diǎn)處。由電磁定律可知，任何時(shí)變的電流和電荷都會(huì)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(yàn)平臺(tái)

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(gè)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(dòng)塊、1個(gè)固定的銅棒電極、1個(gè)可移動(dòng)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(dòng)塊固定在一起，試驗(yàn)時(shí)滑動(dòng)塊的移動(dòng)速度設(shè)置為1 mm/s，移動(dòng)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(cè)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(shí)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(tái)如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)電弧實(shí)驗(yàn)裝置

2.2 弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射信號(hào)檢測(cè)

試驗(yàn)時(shí)，通過控制滑動(dòng)塊使銅棒和純碳滑板分離，金屬電極上的電子從陰極移動(dòng)到陽極，帶電粒子做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)輻射出電磁場(chǎng)[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(duì)數(shù)周期天線和環(huán)天線的檢測(cè)頻段的單一性，可能導(dǎo)致不同頻段的電磁輻射信號(hào)的失真，并且此類天線有高成本、幾何尺寸大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(gè)平面的思想而開發(fā)和設(shè)計(jì)的。分形天線導(dǎo)線能夠在有限的尺寸平面上實(shí)現(xiàn)高占空比，從而保證天線在信號(hào)接收頻帶達(dá)到設(shè)計(jì)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(diǎn)[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(hào)，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(shí)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(gè)通道，控制滑動(dòng)塊下降速度保持1 mm/s，進(jìn)行多次試驗(yàn)。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(hào)如圖3所示，采集總時(shí)間為0.8 ms。

圖3 弓網(wǎng)電弧電壓與電磁輻射信號(hào)

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(shí)刻天線采集到幅值為3.8 mV左右的電磁脈沖信號(hào)。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(dòng)。

b.電弧電磁輻射信號(hào)的變化與電弧電壓信號(hào)變化規(guī)律大體一致，在電弧電壓突然變化時(shí)，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(yàn)證了電磁場(chǎng)理論中，快速變化的帶有尖峰的電壓電流會(huì)產(chǎn)生電磁干擾這一理論。

c.圖中電弧電壓曲線在Q時(shí)刻以前，即銅棒和純碳滑板尚未分開時(shí)刻，存在1個(gè)4 V左右的電壓值。此值意味著兩電極在配對(duì)時(shí)具有較高的接觸電阻。為確定該接觸電阻的量級(jí)大小，現(xiàn)就不同試驗(yàn)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(yàn)的重復(fù)性，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)電流進(jìn)行多次完整拉弧實(shí)驗(yàn)，計(jì)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。可以看到，在不同的試驗(yàn)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(yàn)電流下電極配對(duì)接觸電阻

圖4 不同試驗(yàn)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(shí)能維持列車取流的持續(xù)性，但其會(huì)對(duì)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(huì)通過空間輻射和導(dǎo)線傳輸，對(duì)各種車載數(shù)字設(shè)備、通信系統(tǒng)、鐵道信號(hào)系統(tǒng)，以及周圍居民的日常生活造成不同程度的影響，對(duì)電力機(jī)車的穩(wěn)定安全運(yùn)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(shí)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(shí)刻的電磁脈沖時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域分析，采樣長(zhǎng)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(duì)弓網(wǎng)電弧的測(cè)試平臺(tái)，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(hào)，進(jìn)而分析了電弧電磁輻射信號(hào)的時(shí)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(jí)，得到以下結(jié)論：

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

b.不同試驗(yàn)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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