蘇 斌,張涵博

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展，電磁輻射對(duì)列車(chē)周?chē)h(huán)境及車(chē)載設(shè)備影響的研究愈發(fā)重要。電磁騷擾輻射特性的研究對(duì)車(chē)載設(shè)備的抗騷擾防護(hù)以及動(dòng)車(chē)組設(shè)備電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的完善具有重要意義[1]。而動(dòng)車(chē)組的各類(lèi)敏感設(shè)備故障測(cè)試結(jié)果表明，交流25 kV電力機(jī)車(chē)受電弓在升降弓時(shí)與接觸網(wǎng)間發(fā)生電弧放電現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁騷擾，是引起動(dòng)車(chē)組敏感設(shè)備故障的重要原因[2-7]，研究受電弓在升降弓時(shí)的電磁輻射特性，對(duì)于抑制受電弓升降弓時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾具有重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)弓網(wǎng)電弧放電的電磁輻射特性研究[8-13]主要是在屏蔽室中模擬弓網(wǎng)電弧放電過(guò)程、建立鐵路系統(tǒng)仿真模型對(duì)弓網(wǎng)電弧放電進(jìn)行仿真等。通過(guò)實(shí)地列車(chē)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試進(jìn)行具體分析和驗(yàn)證升弓和降弓電磁輻射特性的區(qū)別很少見(jiàn)。

CRH380BL型動(dòng)車(chē)組受電弓在升降動(dòng)作過(guò)程中會(huì)伴隨弓網(wǎng)間離線電弧，電弧放電時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁騷擾會(huì)造成車(chē)內(nèi)的敏感電氣設(shè)備的不正常運(yùn)行，存在安全隱患[14]，例如CRH380BL型動(dòng)車(chē)組因?yàn)槠渌俣葌鞲衅魇艿搅斯W(wǎng)離線電弧的電磁騷擾，導(dǎo)致列車(chē)車(chē)門(mén)無(wú)法正常開(kāi)啟。在排查故障原因的過(guò)程中對(duì)故障來(lái)源作具體研究分析時(shí)，需要區(qū)分升弓和降弓時(shí)電磁輻射特性的區(qū)別。因此對(duì)升弓和降弓時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射特性進(jìn)行對(duì)比研究對(duì)于故障問(wèn)題的解決具有重要意義。

本文以CRH380BL動(dòng)車(chē)組為例，利用受電弓升降弓等效電路模型分析了電弧能量與時(shí)間的關(guān)系，并基于電磁場(chǎng)鏡像理論，推導(dǎo)了受電弓升弓時(shí)間與降弓時(shí)間的關(guān)系，得出升弓與降弓過(guò)程中產(chǎn)生電弧能量的關(guān)系。并對(duì)CRH380BL動(dòng)車(chē)組升降弓電磁輻射進(jìn)行了實(shí)測(cè)，通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了本文的理論分析結(jié)果的正確性。

2 模型建立及理論分析

動(dòng)車(chē)組的升弓和降弓過(guò)程可以近似等效為RLC二階電路，如圖1所示。

圖1 升降弓等效電路模型

圖1中：UAC為接觸網(wǎng)電源電壓；R1和L1分別為接觸網(wǎng)電源等值電阻與等值電感；C1為接觸網(wǎng)高壓輸電線對(duì)地等值電容；R2和L2分別為弓網(wǎng)離線電弧的時(shí)變電阻與電感；C2和U1分別為動(dòng)車(chē)組車(chē)頂高壓芯線等值電容及其對(duì)地電壓；開(kāi)關(guān)S為模擬受電弓升弓和降弓時(shí)弓網(wǎng)間電弧放電與熄弧現(xiàn)象。

假定L1與C2儲(chǔ)能初始值為零，則在開(kāi)關(guān)S閉合后有

(1)

考慮最嚴(yán)苛狀況，即UAC達(dá)到峰值Um時(shí)閉合開(kāi)關(guān)S，即此時(shí)弓網(wǎng)間發(fā)生電弧放電現(xiàn)象。由于電路振蕩頻率遠(yuǎn)高于UAC的頻率工頻50 Hz，且持續(xù)時(shí)間很短，可近似認(rèn)為在振蕩過(guò)程中UAC保持不變。對(duì)地電壓U1與回路電流i分別為

(2)

(3)

式中，U1為電源電壓；τ為回路的阻尼比；f1與f2分別為回路的無(wú)阻尼振蕩頻率與阻尼振蕩頻率；α為阻尼角；t為電弧放電持續(xù)時(shí)間；其表達(dá)式如下

(4)

(5)

(6)

α=arccosξ

(7)

當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合，弓網(wǎng)間發(fā)生電弧放電現(xiàn)象時(shí)，等效模型中電弧部分放電通道內(nèi)的電阻值與電感值可分別采用經(jīng)驗(yàn)公式估算[15-16]如下

(8)

(9)

式中，i為等效模型回路電流值；δ、p為常數(shù)；r1為電弧放電通道半徑，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[17]估算r1=2.04×10-3i0.43t0.44；r2為車(chē)頂高壓芯線內(nèi)導(dǎo)體半徑；D為電弧放電通道中心線與車(chē)頂高壓芯線內(nèi)導(dǎo)體中心線的距離；t為電弧放電持續(xù)時(shí)間。

結(jié)合式(2)～式(7)可以得出，電弧電壓U2和電弧放電部分電壓U弧與U弧等效模型參數(shù)L1、L2、R1、R2、C的關(guān)系分別為

(10)

(11)

結(jié)合由KUBO[18]提出的電弧能量計(jì)算公式

E=∑U·i·t

(12)

結(jié)合式(8)～式(12)可擬合出單次電弧放電能量與該電弧持續(xù)時(shí)間的關(guān)系為

E∝t

(13)

其中，E為單次離線的電弧能量；U為電弧電壓；i為電弧電流；t為電弧放電持續(xù)時(shí)間。

為了計(jì)算受電弓升弓和降弓時(shí)電弧放電持續(xù)時(shí)間的大小，將接觸網(wǎng)高壓輸電線近似為橫截面為圓形的長(zhǎng)直導(dǎo)線。其中導(dǎo)線半徑為R，軸心到地面距離為h，如圖2所示。

圖2 接觸網(wǎng)等效鏡像

當(dāng)h?l時(shí)，根據(jù)鏡像法，導(dǎo)線表面附近電場(chǎng)強(qiáng)度為

(14)

當(dāng)受電弓滑板與接觸網(wǎng)高壓輸電線間距l(xiāng)足夠小時(shí)會(huì)發(fā)生電弧放電現(xiàn)象。接觸網(wǎng)通工頻交流電，將接觸網(wǎng)高壓輸電線與受電弓滑板的接觸面視為無(wú)限大帶電平面，可知當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度確定時(shí)，l與接觸網(wǎng)上電壓U2的關(guān)系為：l∝U2。

在受電弓升弓和降弓過(guò)程中，受電弓電位保持不變；接觸網(wǎng)接觸線上電位繼續(xù)呈周期性變化，即U=Umcos(ωt+φ)，二者產(chǎn)生電位差。設(shè)接觸網(wǎng)上電壓峰值為Um，受電弓降弓時(shí)，弓網(wǎng)之間最大電位差為

ΔU降=2ΔUm

(15)

升弓時(shí)，受電弓初始電位為零電位，弓網(wǎng)之間最大電位差為

ΔU升=Um

(16)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，根據(jù)空氣擊穿電壓經(jīng)驗(yàn)公式[19]

(17)

式中，U3為空氣擊穿電壓，kV；d為空氣間隙，cm；δ=1.293 kg/m3為空氣相對(duì)密度。

均勻電場(chǎng)中空氣擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度一般為30 kV/cm，當(dāng)弓網(wǎng)之間電壓差達(dá)到空氣擊穿電壓，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到弓網(wǎng)間隙內(nèi)空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)：在升弓和降弓時(shí)弓網(wǎng)達(dá)到空氣擊穿產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象的最大臨界距離分別為d升和d降。結(jié)合式(15)～式(17)，考慮受電弓處于最嚴(yán)苛情況，在受電弓升弓時(shí)ΔU升=27.5 kV，可得d升≈0.86 cm，降弓時(shí)ΔU降=55 kV，可得d降≈1.48 cm，即

d降>d升

(18)

假定當(dāng)弓網(wǎng)間發(fā)生電弧放電現(xiàn)象時(shí)受電弓做勻速運(yùn)動(dòng)，速度v=1 m/s，即v=10 cm/ms。降弓時(shí)單次電弧最長(zhǎng)放電時(shí)間t降=d降/v=0.148 ms；升弓時(shí)單次電弧最長(zhǎng)放電時(shí)間t升=d升/v=0.086 ms；可得知降弓時(shí)電弧放電時(shí)間長(zhǎng)于升弓時(shí)放電時(shí)間，即

t降>t升

(19)

由式(13)可知，單次電弧放電能量與該電弧持續(xù)時(shí)間成正比例相關(guān)，結(jié)合式(13)、式(19)可得出，動(dòng)車(chē)組受電弓在降弓發(fā)生電弧放電現(xiàn)象時(shí)電弧能量大于升弓時(shí)的電弧能量，動(dòng)車(chē)組受電弓降弓時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾普遍大于升弓時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾。

3 理論驗(yàn)證測(cè)試及局部改善對(duì)策

為驗(yàn)證上述理論分析的正確性，進(jìn)行針對(duì)性實(shí)際測(cè)試，測(cè)試次數(shù)為35次。列車(chē)靜止停放于站內(nèi)，斷開(kāi)主電路斷路器，弓與列車(chē)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了電氣斷開(kāi)，排除了傳導(dǎo)騷擾的可能，車(chē)輛不帶負(fù)載進(jìn)行受電弓升降弓動(dòng)作。

3.1 儀器參數(shù)設(shè)置及儀器布局

本次試驗(yàn)空間磁場(chǎng)測(cè)試使用的儀器包括R&S ESCI-3電磁騷擾接收機(jī)(測(cè)試范圍9 kHz～3 GHz)、R&SHFH2-Z2環(huán)形天線(測(cè)試頻率范圍9 kHz～30 MHz)?？紤]到升弓和降弓時(shí)電弧放電時(shí)間很短，帶來(lái)的騷擾為瞬態(tài)騷擾，故接收機(jī)設(shè)置為掃頻模式(分辨率帶寬9 kHz/峰值檢波)。

CRH380BL型動(dòng)車(chē)組為16編組，試驗(yàn)中使用TC02車(chē)受電弓進(jìn)行升降，依據(jù)GB/T24338.2—2011《軌道交通電磁兼容第2部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對(duì)外界發(fā)射》采用10 m法進(jìn)行測(cè)量[14]。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，選擇距離軌道中心3 m處架設(shè)環(huán)形天線，天線環(huán)與軌道沿線方向平行放置，其環(huán)心距軌道平面垂直距離2 m，如圖3～圖5所示。

圖3 設(shè)備布局平面示意(單位：m)

圖4 設(shè)備布局三維示意

圖5 設(shè)備布局現(xiàn)場(chǎng)

3.2 典型測(cè)試結(jié)果

使用“接收機(jī)+環(huán)天線”測(cè)量動(dòng)車(chē)組駐車(chē)與啟動(dòng)時(shí)：空間背景、受電弓升弓、受電弓降弓三種的空間電磁場(chǎng)輻射強(qiáng)度，總計(jì)35次，選取典型頻譜如圖6～圖8所示。

圖6 背景空間電磁場(chǎng)頻譜

圖7 受電弓降弓電弧輻射頻譜

圖8 受電弓升弓電弧輻射頻譜

分析對(duì)比圖6～圖8可以看出，在受電弓升降弓過(guò)程中，弓網(wǎng)電弧的電磁騷擾主要集中在3～5 MHz頻段內(nèi)，與背景環(huán)境相差30～50 dB；升降弓瞬間伴隨著劇烈放電，產(chǎn)生電弧，其中受電弓降弓時(shí)電弧產(chǎn)生的電磁輻射大于升弓時(shí)電弧產(chǎn)生的電磁輻射。

通過(guò)測(cè)試中的測(cè)量結(jié)果的普遍規(guī)律可以驗(yàn)證降弓對(duì)列車(chē)電磁騷擾影響要普遍大于升弓。

3.3 改善對(duì)策

由于弓網(wǎng)離線時(shí)電弧放電發(fā)出的脈沖波中存在高頻分量，該高頻分量通過(guò)列車(chē)上速度傳感器的線纜屏蔽層與芯線間的磁耦合，在傳感器芯線內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)列車(chē)速度傳感器產(chǎn)生電磁騷擾。

為了有效抑制受電弓升降弓時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾，宜采用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)抑制方法和SiC非線性電阻抑制方法。

3.3.1 鎳鋅鐵氧體磁環(huán)抑制

鎳鋅鐵氧體磁環(huán)的使用頻率為102～105kHz，其材料磁導(dǎo)率較低，電阻率很高，往往被用于1 MHz以上高頻段電磁騷擾抑制[20]，由于難以對(duì)受電弓通路中其他設(shè)備例如避雷器、繼電保護(hù)裝置等設(shè)備進(jìn)行改善，選擇在速度傳感器電纜屏蔽層上嵌套鎳鋅鐵氧體磁環(huán)，可以達(dá)到抑制弓網(wǎng)離線時(shí)電弧放電時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾的目的。

3.3.2 SiC非線性電阻抑制

SiC非線性電阻具有良好的頻率特性。普通電阻其阻抗值隨頻率上升而快速增加，頻率為100 kHz時(shí)其阻抗達(dá)5Ω，是正常值的10倍。而對(duì)于SiC電阻，其阻抗值在1 MHz以?xún)?nèi)基本保持不變，在1 MHz以上其阻抗才隨頻率上升而緩慢增加，但在同一頻率下其阻抗均小于普通電阻的阻抗。

圖9對(duì)比了傳統(tǒng)電阻和SiC非線性電阻的頻率特性。

圖9 傳統(tǒng)電阻與SiC電阻的頻率特性

在列車(chē)速度傳感器線纜接線端加裝SiC電阻，當(dāng)升弓與降弓電弧放電時(shí)，在敏感電氣設(shè)備線纜屏蔽層內(nèi)形成的高頻感應(yīng)電流，可以有效減小由電弧放電高頻分量引起的騷擾電壓。

4 結(jié)論

(1)建立了受電弓升降弓等效電路模型，利用該模型分析了電弧能量與實(shí)踐呈正相關(guān)關(guān)系，即E∝t。

(2)基于電磁場(chǎng)鏡像理論，推導(dǎo)得出受電弓降弓時(shí)電弧持續(xù)時(shí)間大于升弓時(shí)電弧持續(xù)時(shí)間。

(3)對(duì)CRH380BL動(dòng)車(chē)組升降弓電磁輻射進(jìn)行了實(shí)測(cè)，弓網(wǎng)電弧的電磁輻射主要集中在3～5 MHz頻段內(nèi)，驗(yàn)證了本文理論分析結(jié)果的正確性。

(4)提出了采用鎳鋅鐵氧體磁環(huán)抑制方法和SiC非線性電阻抑制方法來(lái)抑制受電弓升降弓時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾。