接触网与受电弓滑板离线电弧电磁辐射特性研究

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(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)

0 引言

高速铁路系统自从采用接触网-受电弓滑板滑动集流开始，就存在弓网离线电弧电磁干扰问题。但是由于当时列车运行速度不高，电弧问题并不是很严重，加之科学技术条件的限制，导致电弧及电弧电磁干扰并没有受到人们的重视。直到近年来，随着电力机车运行速度的突飞猛进，牵引电流的不断提高，弓网电弧爆发的问题也日益严重，从而受到了广大相关工作人员的重视。

到目前为止，还很少见对弓网电弧电磁干扰专门的研究报道。与电弧相关的研究，主要集中在受电弓离线检测装置以及弓网系统方面的研究[1-3]；对弓网电弧电磁干扰的研究，主要集中铁路电磁兼容标准的制定、弓网电弧电磁干扰试验室电气特性研究、弓网电弧电磁干扰的横向衰减特性研究上[4]。文献[5]利用棒形天线和环形天线检测电弧的电磁辐射信号。文献[6]指出了一种利用虚拟仪器对电弧电磁辐射检测的方法和结果，认为电弧电磁辐射为频谱很宽的类似高斯白噪声信号，且其瞬时能量很大。文献[7]将电弧电磁辐射等效为直导线模型，并讨论了不同参数与辐射电场的关系。文献[8]利用搭建的弓网实验平台采集电弧电压电压，同时经快速傅里叶变换得到弓网电弧电压和电流的谐波分量，指出直流和谐波分量会引起牵引变压器和车载变压器的直流偏磁、温升和受流的可靠性。

在此，针对电力机车高速运行时受电弓与接触线分离所产生的离线电弧，自行搭建了半实物仿真的弓网电磁辐射试验系统，借助于示波器电压探头和天线同时采集电弧电压和电弧电磁辐射信号，并基于快速傅里叶变换进一步研究了弓网电弧产生的电磁辐射频谱特性。

1 弓网电弧电磁干扰的产生

电力机车在行驶过程中，由于轨道不平顺、弓网系统的机械振动和接触网硬点等原因，受电弓和接触网之间难免会发生弓网分离现象[9]。一旦发生该现象，接触线上的电流与电压将会发生畸变，导致周围空气介质击穿，产生离线电弧，并同步伴随着高频电磁辐射和谐波的产生，向空间或沿着车载导线传播。当接触网和受电弓滑板实现完全分离,或者接触电压减小至不能维持电弧燃烧时，电弧将熄灭。之后，弓网电压达到接触网的电压值，此电压值变为电弧的恢复电压，被击穿的空气等离子体在此电压下可能恢复导电性，这将又会导致该电压再次地迅速降低，直到过零点处。由电磁定律可知，任何时变的电流和电荷都会向外辐射电磁能量，且电弧的电磁辐射幅值与电流的变化率成正比[10]，即

(1)

ε0为空气的介电常数；c为光速。

其电弧辐射功率谱为[5]：

(2)

2 弓网离线电弧试验平台

2.1 弓网离线电弧产生装置

电弧产生装置主要由以下几个部分组成：直流电源(输出电压0～80 V，电源电流可达25 A)、固定底座、滑动块、1个固定的铜棒电极、1个可移动的纯碳滑板电极和大功率无感电阻负载。其中，纯碳电极与滑动块固定在一起，试验时滑动块的移动速度设置为1 mm/s，移动距离为2 mm，负载电阻值约为5 Ω，施加直流电流12 A。采用电压探头测量电弧电压，天线接收离线电弧电磁辐射。电极分开瞬间，电弧产生，利用示波器同时记录电弧电压和电弧电磁辐射波形。电弧数据采集平台如图1所示。

图1 弓网电弧实验装置

2.2 弓网离线电弧电磁辐射信号检测

试验时，通过控制滑动块使铜棒和纯碳滑板分离，金属电极上的电子从阴极移动到阳极，带电粒子做加速运动时辐射出电磁场[11]，电弧燃烧的过程中伴随着电磁辐射。根据现有的研究工作可知，直流电弧的电磁辐射主要频率成分集中在几十MHz范围内。目前，用于接收电磁辐射的天线类型较多，由于对数周期天线和环天线的检测频段的单一性，可能导致不同频段的电磁辐射信号的失真，并且此类天线有高成本、几何尺寸大等缺点，导致其不利于现场测试。四阶Hilbert分形天线，是基于分形曲线能够在理论上充满整个平面的思想而开发和设计的。分形天线导线能够在有限的尺寸平面上实现高占空比，从而保证天线在信号接收频带达到设计要求的前提下具有最小的尺寸[12]。此外，该分形兼具频带宽和成本低等优点[13]。因此，选用四阶Hilbert分形天线来接收弓网离线电弧电磁辐射信号，外形如图2所示。

图2 Hilbert分形天线

3 弓网离线电弧电磁辐射时域特性

设定电源电流为12 A，将电压探头和Hilbert天线分别接入数字示波器Tektronix MDO3024的2个通道，控制滑动块下降速度保持1 mm/s，进行多次试验。电压探头和天线分别采集到的典型的电弧电压及其电磁辐射信号如图3所示，采集总时间为0.8 ms。

图3 弓网电弧电压与电磁辐射信号

由图3可以得知：

a.起弧瞬间电弧电压上升至27.5 V，且在相同时刻天线采集到幅值为3.8 mV左右的电磁脉冲信号。在电弧燃烧阶段，由于电磁力的存在及周围环境气压的不稳定性，导致电弧的形状和位置持续变化，从而导致采集到的电弧电压持续波动。

b.电弧电磁辐射信号的变化与电弧电压信号变化规律大体一致，在电弧电压突然变化时，电磁辐射曲线也同步出现了相同变化规律的脉冲电磁波。这些现象充分验证了电磁场理论中，快速变化的带有尖峰的电压电流会产生电磁干扰这一理论。

c.图中电弧电压曲线在Q时刻以前，即铜棒和纯碳滑板尚未分开时刻，存在1个4 V左右的电压值。此值意味着两电极在配对时具有较高的接触电阻。为确定该接触电阻的量级大小，现就不同试验电流(10 A，12 A，14 A，16 A)，进行纯碳滑板电极和铜电极从接触到分离的1次完整拉弧过程，采集到电弧典型的电压波形如图4所示。由图4可知，在拉弧过程中，两电极分离之前，即0.0 s以前，电压在2.5 V左右，即在起弧前，两电极之间有较高的接触电阻。为了保证试验的重复性，对不同实验电流进行多次完整拉弧实验，计算每次拉弧前的接触电阻大小并分别求取电阻的平均值，如表1所示。可以看到，在不同的试验电流下，两电极在起弧之前的接触电阻值都在0.2 Ω左右。

表1 不同试验电流下电极配对接触电阻

图4 不同试验电流的典型电弧电压波形

4 弓网离线电弧电磁辐射频域特性

电弧是高温等离子体，在弓网离线时能维持列车取流的持续性，但其会对接触线和受电弓滑板造成侵蚀和磨耗，产生的电磁干扰将会通过空间辐射和导线传输，对各种车载数字设备、通信系统、铁道信号系统，以及周围居民的日常生活造成不同程度的影响，对电力机车的稳定安全运行造成了潜在的威胁。为进一步探讨电弧电磁辐射特性，为实际电气化铁路电磁干扰的抑制提供一定的理论数据支持，本文借助于快速傅里叶变换，将图3中Q时刻的电磁脉冲时域信号转换到频域分析，采样长度为1 μs。分析结果如图5所示。由图5可以看出，电弧电磁辐射频谱范围宽，20 MHz附近的幅值较高，干扰作用较强，是电弧电磁辐射的主要频率成分。

图5 电弧电磁辐射的频域分析

5 结束语

介绍了电弧及电弧电磁干扰产生机理，搭建了针对弓网电弧的测试平台，利用示波器探头和天线同步采集了电弧电压和电弧电磁辐射信号，进而分析了电弧电磁辐射信号的时域及频域特性，并进一步探讨了铜棒和纯碳滑板之间的接触电阻量级，得到以下结论：

a.电弧燃烧不是一个稳定的过程，电弧电压会随机的发生变化，与此同时将会产生强烈的瞬时脉冲电磁辐射。

b.不同试验电流下，铜电极和纯碳滑板电极之间的接触电阻维持在0.2 Ω左右。

c.电弧电磁辐射频谱范围宽，在20 MHz附近幅值较高，是电弧电磁辐射的主要频率成分。

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