交流25 kV電力機車受電弓升弓和降弓電磁輻射特性研究及局部改善措施

蘇 斌,張涵博

(西南交通大學電氣工程學院,成都 610031)

1 概述

隨著高速鐵路的迅速發展，電磁輻射對列車周圍環境及車載設備影響的研究愈發重要。電磁騷擾輻射特性的研究對車載設備的抗騷擾防護以及動車組設備電磁防護標準的完善具有重要意義[1]。而動車組的各類敏感設備故障測試結果表明，交流25 kV電力機車受電弓在升降弓時與接觸網間發生電弧放電現象產生的電磁騷擾，是引起動車組敏感設備故障的重要原因[2-7]，研究受電弓在升降弓時的電磁輻射特性，對于抑制受電弓升降弓時產生的電磁騷擾具有重要的意義。

目前國內外對弓網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電弧放電過程、建立鐵路系統仿真模型對弓網電弧放電進行仿真等。通過實地列車運行現場測試進行具體分析和驗證升弓和降弓電磁輻射特性的區別很少見。

CRH380BL型動車組受電弓在升降動作過程中會伴隨弓網間離線電弧，電弧放電時產生的瞬態電磁騷擾會造成車內的敏感電氣設備的不正常運行，存在安全隱患[14]，例如CRH380BL型動車組因為其速度傳感器受到了弓網離線電弧的電磁騷擾，導致列車車門無法正常開啟。在排查故障原因的過程中對故障來源作具體研究分析時，需要區分升弓和降弓時電磁輻射特性的區別。因此對升弓和降弓時產生的電磁輻射特性進行對比研究對于故障問題的解決具有重要意義。

本文以CRH380BL動車組為例，利用受電弓升降弓等效電路模型分析了電弧能量與時間的關系，并基于電磁場鏡像理論，推導了受電弓升弓時間與降弓時間的關系，得出升弓與降弓過程中產生電弧能量的關系。并對CRH380BL動車組升降弓電磁輻射進行了實測，通過實測驗證了本文的理論分析結果的正確性。

2 模型建立及理論分析

動車組的升弓和降弓過程可以近似等效為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為接觸網電源電壓；R1和L1分別為接觸網電源等值電阻與等值電感；C1為接觸網高壓輸電線對地等值電容；R2和L2分別為弓網離線電弧的時變電阻與電感；C2和U1分別為動車組車頂高壓芯線等值電容及其對地電壓；開關S為模擬受電弓升弓和降弓時弓網間電弧放電與熄弧現象。

假定L1與C2儲能初始值為零，則在開關S閉合后有

(1)

考慮最嚴苛狀況，即UAC達到峰值Um時閉合開關S，即此時弓網間發生電弧放電現象。由于電路振蕩頻率遠高于UAC的頻率工頻50 Hz，且持續時間很短，可近似認為在振蕩過程中UAC保持不變。對地電壓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為電弧放電持續時間；其表達式如下

(4)

(5)

(6)

α=arccosξ

(7)

當開關S閉合，弓網間發生電弧放電現象時，等效模型中電弧部分放電通道內的電阻值與電感值可分別采用經驗公式估算[15-16]如下

(8)

(9)

式中，i為等效模型回路電流值；δ、p為常數；r1為電弧放電通道半徑，依據經驗公式[17]估算r1=2.04×10-3i0.43t0.44；r2為車頂高壓芯線內導體半徑；D為電弧放電通道中心線與車頂高壓芯線內導體中心線的距離；t為電弧放電持續時間。

結合式(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L1、L2、R1、R2、C的關系分別為

(10)

(11)

結合由KUBO[18]提出的電弧能量計算公式

E=∑U·i·t

(12)

結合式(8)～式(12)可擬合出單次電弧放電能量與該電弧持續時間的關系為

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為電弧放電持續時間。

為了計算受電弓升弓和降弓時電弧放電持續時間的大小，將接觸網高壓輸電線近似為橫截面為圓形的長直導線。其中導線半徑為R，軸心到地面距離為h，如圖2所示。

圖2 接觸網等效鏡像

當h?l時，根據鏡像法，導線表面附近電場強度為

(14)

當受電弓滑板與接觸網高壓輸電線間距l足夠小時會發生電弧放電現象。接觸網通工頻交流電，將接觸網高壓輸電線與受電弓滑板的接觸面視為無限大帶電平面，可知當電場強度確定時，l與接觸網上電壓U2的關系為：l∝U2。

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

ΔU降=2ΔUm

(15)

升弓時，受電弓初始電位為零電位，弓網之間最大電位差為

ΔU升=Um

(16)

在標準大氣壓下，根據空氣擊穿電壓經驗公式[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為空氣相對密度。

均勻電場中空氣擊穿的電場強度一般為30 kV/cm，當弓網之間電壓差達到空氣擊穿電壓，電場強度達到弓網間隙內空氣擊穿場強時：在升弓和降弓時弓網達到空氣擊穿產生電弧放電現象的最大臨界距離分別為d升和d降。結合式(15)～式(17)，考慮受電弓處于最嚴苛情況，在受電弓升弓時ΔU升=27.5 kV，可得d升≈0.86 cm，降弓時ΔU降=55 kV，可得d降≈1.48 cm，即

d降>d升

(18)

假定當弓網間發生電弧放電現象時受電弓做勻速運動，速度v=1 m/s，即v=10 cm/ms。降弓時單次電弧最長放電時間t降=d降/v=0.148 ms；升弓時單次電弧最長放電時間t升=d升/v=0.086 ms；可得知降弓時電弧放電時間長于升弓時放電時間，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時間成正比例相關，結合式(13)、式(19)可得出，動車組受電弓在降弓發生電弧放電現象時電弧能量大于升弓時的電弧能量，動車組受電弓降弓時產生的電磁騷擾普遍大于升弓時產生的電磁騷擾。

3 理論驗證測試及局部改善對策

為驗證上述理論分析的正確性，進行針對性實際測試，測試次數為35次。列車靜止停放于站內，斷開主電路斷路器，弓與列車已經實現了電氣斷開，排除了傳導騷擾的可能，車輛不帶負載進行受電弓升降弓動作。

3.1 儀器參數設置及儀器布局

本次試驗空間磁場測試使用的儀器包括R&S ESCI-3電磁騷擾接收機(測試范圍9 kHz～3 GHz)、R&SHFH2-Z2環形天線(測試頻率范圍9 kHz～30 MHz)?？紤]到升弓和降弓時電弧放電時間很短，帶來的騷擾為瞬態騷擾，故接收機設置為掃頻模式(分辨率帶寬9 kHz/峰值檢波)。

CRH380BL型動車組為16編組，試驗中使用TC02車受電弓進行升降，依據GB/T24338.2—2011《軌道交通電磁兼容第2部分：整個軌道系統對外界發射》采用10 m法進行測量[14]。受現場條件限制，選擇距離軌道中心3 m處架設環形天線，天線環與軌道沿線方向平行放置，其環心距軌道平面垂直距離2 m，如圖3～圖5所示。

圖3 設備布局平面示意(單位：m)

圖4 設備布局三維示意

圖5 設備布局現場

3.2 典型測試結果

使用“接收機+環天線”測量動車組駐車與啟動時：空間背景、受電弓升弓、受電弓降弓三種的空間電磁場輻射強度，總計35次，選取典型頻譜如圖6～圖8所示。

圖6 背景空間電磁場頻譜

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

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

通過測試中的測量結果的普遍規律可以驗證降弓對列車電磁騷擾影響要普遍大于升弓。

3.3 改善對策

由于弓網離線時電弧放電發出的脈沖波中存在高頻分量，該高頻分量通過列車上速度傳感器的線纜屏蔽層與芯線間的磁耦合，在傳感器芯線內產生感應電壓，對列車速度傳感器產生電磁騷擾。

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

3.3.1 鎳鋅鐵氧體磁環抑制

鎳鋅鐵氧體磁環的使用頻率為102～105kHz，其材料磁導率較低，電阻率很高，往往被用于1 MHz以上高頻段電磁騷擾抑制[20]，由于難以對受電弓通路中其他設備例如避雷器、繼電保護裝置等設備進行改善，選擇在速度傳感器電纜屏蔽層上嵌套鎳鋅鐵氧體磁環，可以達到抑制弓網離線時電弧放電時產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時其阻抗達5Ω，是正常值的10倍。而對于SiC電阻，其阻抗值在1 MHz以內基本保持不變，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對比了傳統電阻和SiC非線性電阻的頻率特性。

圖9 傳統電阻與SiC電阻的頻率特性

在列車速度傳感器線纜接線端加裝SiC電阻，當升弓與降弓電弧放電時，在敏感電氣設備線纜屏蔽層內形成的高頻感應電流，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踐呈正相關關系，即E∝t。

(2)基于電磁場鏡像理論，推導得出受電弓降弓時電弧持續時間大于升弓時電弧持續時間。

(3)對CRH380BL動車組升降弓電磁輻射進行了實測，弓網電弧的電磁輻射主要集中在3～5 MHz頻段內，驗證了本文理論分析結果的正確性。

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