弓网电弧实验系统与辐射噪声实验研究

郭凤仪，张艳立，王智勇，王宝巍，王喜利，张建飞

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105)

弓网电弧实验系统与辐射噪声实验研究

郭凤仪，张艳立，王智勇，王宝巍，王喜利，张建飞

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛125105)

近年来随着电力机车运行速度的不断提高，弓网电弧现象越来越严重，已成为电力机车安全运行的隐患。为深入研究弓网电弧的形成机理和抑制方法，设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统，该系统实现了屏蔽环境下弓网电弧的模拟。利用该系统，通过控制接触压力、电流和运行速度三个条件进行了弓网电弧辐射电磁噪声的测量实验。结果表明，弓网系统电磁噪声干扰频段主要在频率30～500MHz内，其中干扰强烈频段在30～60MHz内。电流越大，辐射噪声幅值越大，干扰频率带宽越宽。随着压力的逐渐增大，辐射噪声幅值先减小后增大，干扰频率带宽先变窄后变宽。

弓网电弧;电磁噪声;辐射噪声;滑动电接触

1 引言

随着电气化铁路的快速发展，高铁系统中弓网电弧产生的电磁噪声问题日益突出。干扰信号对供电系统的可靠性造成威胁，并严重影响着机车的控制信号、铁路沿线通信信号的正确传输［1，2］。国内以电力机车弓网系统为研究对象的滑动电接触理论的研究近几年才刚刚起步，主要研究载流摩擦磨损机理、弓网离线检测技术和弓网系统优化等［3-6］，关于弓网系统运行过程中产生的火花放电、电弧放电等问题的研究主要集中在开关电弧建模、能量分布和电弧侵蚀等方面［7-9］，而对弓网电弧辐射噪声特性的研究很少。

为了深入研究弓网电弧电磁噪声的形成机理和抑制方法，本文成功设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统。该系统由电波暗室、弓网电弧发生器、弓网电弧检测系统组成。利用天线测量辐射噪声，并对测量结果进行分析，得出了回路电流和接触压力对弓网电弧辐射噪声的影响。

2 实验系统设计与实现

2.1 屏蔽室

实验系统的屏蔽室为长8m、宽4m、高3.5m的半电波暗室，符合电磁兼容试验测试标准。屏蔽壳体采用金属屏蔽可拆卸式壳体结构。屏蔽主体四侧面及顶面为2mm优质镀锌钢板，均经屏蔽密封形成屏蔽壁板。屏蔽室的电源都进行相应电源滤波器的输入处理。为了减少屏蔽接地线的阻抗，提高系统工作时的可靠性、安全性，针对电磁屏蔽室，单独设置了接地系统。吸波材料采用了PXB型吸波材料，阻燃性能达到国家 B2(可燃材料)材料标准要求，氧指数≥28%，满足NRL 8093试验标准要求。

2.2 弓网电弧发生器

弓网电弧发生器是在原有的滑动电接触实验装置［10］的基础上添加了弓网离线控制模块改进而成，不仅实现了模拟接触导线与滑板的“之”字形轨迹，同时实现了接触导线与滑板之间的离线控制、直接接触压力的任意调节，实物图如图1所示。

弓网离线控制模块如图 2所示，是由42BYGH47-401A型混合式步进电机、滚珠丝杠、位移滑块、压力传感器、弹簧和滑板组成。其离线控制主要通过步进电机和可以将旋转运动转换成直线运动的滚珠丝杠之间的配合进行实现。通过驱动步进电机的左旋转和右旋转驱动位移滑块进而控制滑板的前进和后退，实现压力的调节和离线的控制。

图1 弓网电弧模拟实验机实物图Fig．1 Pantograph arc simulation experimental system

图2 压力调节系统原理图Fig．2 Pressure regulating system schematic diagram

2.3 实验机检测系统设计

2.3.1 下位机检测系统设计

下位机的检测系统设计通过采集卡NI PCI-6251可以实现对实验机运行过程中的一些参量进行采集，采集卡NI PCI-6251是一款高速M系列多功能DAQ板卡，在高采样率下也能保持高精度。采集参量包括接触导线与滑板之间压力、接触导线与滑板之间接触点温度、接触导线运行线速度、滑板往复移动速率、接触点电压和回路电流，并把所有采集的数据发送至上位机，下位机检测系统框图如图3所示。

图3 下位机检测系统框图Fig．3 Lower computer test system block diagram

2.3.2 上位机软件设计

为了更直观地观测和记录测试数据，采用了与采集卡NI PCI-6251相兼容的 Labview软件开发了上位机监控软件。该软件将采集卡采集上来的信号做了相应的信号处理以及数据的存储和显示，上位机监测界面如图4所示。

图4 监测界面Fig．4 Monitoring interface

3 实验方案

为了初步研究弓网电弧辐射噪声的形成机理及其特性，通过控制接触压力、电流和运行速度三个条件，针对铜导线和浸金属碳滑板，进行了64组实验，实验条件如表1所示。

表1 实验条件Tab．1 Experimental condition

为了覆盖全部弓网电弧辐射噪声的频段，实验室选择了两种天线对电磁噪声进行检测，使用型号为HFH2-Z2的环形天线来采集9kHz～30MHz频段内的磁场信号。选用型号为 HL562的对数周期天线来采集30MHz～3GHz频段内的电场信号。

使用 R＆S FSL6型号频谱分析仪和 R＆S ESSCAN测量软件接收和分析天线所采集的弓网电弧辐射噪声信号，该型号频谱分析仪测量带宽为10MHz，测量频率范围为9kHz～3GHz，完全可以满足实验研究的需要。

4 实验结果分析

4.1 背景噪声

实验采用最大值保持方式对弓网电弧辐射噪声进行检测，采用环形天线和锥形天线测得背景噪声如图5所示。

图5 背景噪声测得结果Fig．5 Background noise measured results

从背景噪声中可以看出，背景中存在其他干扰源，其可能原因是环形天线电源及其屏蔽室内部用电设备造成。但是经多次背景测量，这些干扰信号的频率固定并且幅值很小，如图5(b)中噪声干扰频率293.25MHz，这些噪声可以通过软件或者数学方法滤掉，并不影响结果分析。

4.2 环形天线测量结果

环形天线测量结果如图6所示。可以看出，图6(a)、图6(b)与环形天线背景噪声图5(a)几乎一致，其余实验条件组环形天线所测结果也是一样。由此可知，弓网电弧辐射噪声在低频9kHz～30MHz内没有干扰。

图6 环形天线测得结果Fig．6 Loop antenna measured results

4.3 锥形天线测量结果

锥形天线测得频谱图如图7和图8所示，与图5(b)背景噪声频谱图对比可以看出，弓网辐射噪声在频域上为脉冲波形，其主要干扰频段在频率30～500MHz内，其中干扰强烈频段在30～60MHz内，干扰峰值高出背景噪声20dB。

4.3.1 电流对弓网电弧辐射噪声的影响分析

图7为压力 70N，速度 25km/h，电流分别为100A、150A、200A和250A条件下测得的弓网电弧辐射噪声的频谱图。

可以看出，在接触压力和滑动速度一定的情况下，随着电流的增加，弓网辐射电磁噪声幅值成上升趋势，电流越大，幅值越大，干扰强度越强，其中变化最明显阶段为I≤150 A时，如图7(a)和图7(b)所示，从最高幅值上就可以看出，后者所测结果在噪声幅值上明显高于前者;而当I≥150 A时，如图7(c)和图7(d)所示，噪声幅值虽有所增强，但增强程度不大。随着电流的增大电磁噪声的干扰频带越来越宽，即产生电磁干扰的几率增大，其变化主要体现在频率在90～200MHz和300～500MHz范围内，如图7圆圈标注范围。当I=100A时，在这两段频带内，尤其是90～200MHz内，很少有电磁噪声干扰，随着电流的增大，电磁噪声发生频率越来越密集，并且噪声幅值逐渐变强。

4.3.2 压力对弓网电弧辐射噪声的影响分析

图8为速度20km/h，电流100A，压力分别为30N、50N、70N和90N条件下测得的弓网电弧辐射噪声频谱图。

可以看出，在滑动速度和电流一定时，接触压力对电磁噪声幅值和频率上的影响不是成线性变化的。图8(a)和图 8(d)的频率带宽明显宽于图 8 (b)和图 8(c)。其明显变化范围在频率 90M ～200MHz和300M～500MHz内，如图8圆圈标注范围。当F=50N和F=70N时，电磁干扰强度在这两段频带内较小或几乎没有干扰，这种情况在F=70N时尤为突出，而在F=30N和F=90N条件下，电磁干扰就比较明显，电磁干扰强度较强。压力对噪声幅值的影响也有相似的规律。

由此可知压力对弓网电弧辐射噪声幅值和频率的影响规律为:随着压力的逐渐增大，电磁干扰的幅值先减小后增大，干扰频率带宽也是先变窄后变宽。

图7 弓网电弧辐射噪声随电流变化的频谱分布图Fig．7 Pantograph-catenary arc radiation noise spectrum distribution changing with current

图8 弓网电弧辐射噪声随压力变化的频谱分布图Fig．8 Pantograph-catenary arc radiation noise spectrum distribution changing with pressure

5 结论

(1)实验结果表明电波暗室的设计合理，能够起到很好的屏蔽效果。弓网电弧实验机能够驱动步进电机实现离线控制，同时产生离线电弧。

(2)弓网系统电磁噪声干扰频段主要在频率30～500MHz内。其中干扰强烈频段在 30～60MHz内，干扰峰值高出背景噪声约20dB。

(3)电流和压力对弓网电弧辐射噪声的影响主要在其幅值和频率上。电流越大，干扰幅值越大，干扰频率带越宽;随着压力的逐渐增大，电磁干扰的幅值先减小后增大，干扰频率带宽也是先变窄后变宽。

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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

国家自然科学基金资助项目(51277090)

郭凤仪 (1964-)，男，辽宁籍，教授，博士，长期从事电接触理论及其应用的教学科研工作;张艳立 (1989-)，男，河北籍，硕士研究生，主要研究方向为弓网系统电磁兼容。