基于高頻檢測的弓網放電監測系統實現

西南交通大學物理科學與技術學院 劉伊寧 李相強 王慶峰 張健穹

動車組的升降弓操作或弓網離線會引發弓網電弧放電現象，這種瞬態放電會產生輻射及傳導干擾，威脅列車的正常運行。本文提出了一種用于監測電氣化鐵路弓網放電輻射的射頻接收機結構，并根據實測獲取的弓網放電輻射特性確定了接收機的指標要求，通過高頻電路仿真軟件完成了仿真設計，并利用火花放電裝置進行了放電輻射采集試驗，對于弓網放電實時檢測的實現有一定參考意義。

在電氣化鐵路系統中，位于列車頂部的弓網系統將電能從供電站輸送到動車組牽引系統，為列車的驅動提供電能。然而，隨著列車速度的上升，弓網電弧放電現象越來越頻繁，這種現象的發生伴隨著強烈的寬頻帶電磁輻射。因此，對其進行放電監測并提出預警可以改善動車組運行環境，預防事故發生。

對于弓網放電問題，目前普遍采用的檢測方法有脈沖電流檢測法與光學檢測法。脈沖電流法是當前國際上唯一有標準的局部放電檢測方法，其優點是靈敏度高，但同時也存在檢測頻段窄，易受其他干擾源影響的問題。在動車組實際運行環境下，牽引系統、真空斷路器等裝置的正常操作也能在脈沖電流檢測頻段內產生干擾，這使得脈沖電流檢測法很難將弓網放電與其他干擾源區別開來。光學監測法是目前采用較多的弓網放電檢測方法，通過在動車組車頂受電弓下安裝光學探頭，捕捉放電時產生的光學信號，來實現弓網放電的實時監測。這種方法在實際使用中存在靈敏度低，可靠性差的問題，此外，該方法只能通過捕捉光學信號來判斷是否存在電弧放電，無法對放電的強度進行評估。

近來年，隨著計算機系統性能的提升與小型化天線的發展，高頻輻射檢測法在工業領域獲得了大量應用，這種方法是通過天線對高頻放電輻射信號進行采集，然后經過數據處理分析獲取放電信號的幅值、放電次數等信息，從而對放電嚴重程度和危害性進行判斷。該方法具有靈敏度高、抗干擾能力強的優點，非常適合對放電信號進行在線監測。本文基于高頻輻射檢測法設計了一種用于接收用于弓網放電輻射信號的射頻接收機，結合小型化天線與數據采集系統，可以對頻段為30MHz～1GHz，輸入功率范圍為-60dBm～-15dBm的高頻信號進行實時采集，滿足弓網放電在線監測的要求。

1 系統結構與設計指標的確定

為確定動車組弓網放電輻射接收機的設 計指標，需要先對弓網放電的輻射特性進行測量，測試場地選擇溫州軌道交通S1線桐嶺站，為排除其他干擾源，列車采用靜態測試并盡量關閉不必要的電子設備。測試布局如圖1所示，采用羅德施瓦茨HE300天線模組連接示波器，采集升降弓過程中車體3m遠處的放電輻射，測試獲取的示波器端口電壓波形如圖2所示，在弓網放電的瞬間產生一個高頻振蕩，并隨時間逐漸衰減。

圖1 測試布局

圖2 天線模組采集的弓網放電（單位：V）

示波器端口電壓與空間電場關系如式1所示，其中E為電場強度，U為電壓：

將示波器端口電壓數據折算成空間電場強度，再對空間電場數據進行快速傅里葉變換，頻譜分布如圖3所示，放電輻射能量主要集中于1GHz以下頻率。

圖3 空間電場頻譜

弓網放電監測要求將監測系統裝車進行實時測量記錄，為減小空間占用，需采用小型化寬頻帶天線作為接收天線。由于小型化寬頻帶天線的增益與羅德施瓦茨天線模組不同，接收到的輻射信號功率也不同，因此接收機的性能需要根據小型化天線的增益與輻射特性進行制定。

整個監測系統組成如圖4所示，首先天線將放電產生的輻射信號接收后輸入射頻接收機中，經過限幅器、濾波器。放大器與檢波器四個部分處理后，由數據采集系統進行采樣、數據處理，并最終存儲記錄。

圖4 監測系統架構框圖

Hilbert結構具有縮小天線尺寸的優點，常用于射頻識別與檢測領域，本文采用五階Hilbert分型天線作為弓網放電的接收天線。根據Hilbert天線增益特性可以計算出，其在10m距離接收到的弓網放電功率在-65dBm～-15dBm范圍內，根據弓網放電輻射特性，射頻子系統設計指標如表1所示。

表1 設計指標

2 建模與仿真

2.1 限幅器

限幅器的作用是對防止信號功率過大對電路造成損害，當限幅器輸入信號功率較小時，信號可以正常通過限幅器。當輸入信號功率上升到一定值時，限幅器輸出信號維持在限制功率附近。本文的設計采用單級PIN對管限幅電路，采用MICROSEMI公司的GC4732型號PIN二極管設計，頻率上限可達18GHz，具有插損小、功率容量大等優點，仿真電路如圖5所示，參數設置如表2所示。

表2 仿真參數設置

圖5 限幅器仿真電路

使用諧波平衡法運行仿真，仿真結果如圖6和圖7所示，在設計頻段內滿足最大插入損耗小于3dB，限幅功率+10dBm的設計要求。

圖6 輸出功率隨輸入功率變化（700MHz）

圖7 插入損耗與回波損耗

2.2 帶通濾波器

帶通濾波器用來濾除檢測頻段外的干擾信號，增強放電信號的檢測效果，提高系統的靈敏度。濾波器低頻部分采用集總元件設計，采用L型網絡濾除20MHz以下的信號，采用150pF電容與150nH電感組合而成，高頻部分采用三階巴特沃斯微帶線結構，設計如圖8所示，仿真結果如圖9所示，濾波效果滿足設計要求。

圖8 濾波器設計圖

圖9 濾波器仿真結果

2.3 放大器

一般通過小型寬頻帶天線采集的放電信號相對較弱，因此通過放電來保證監測系統接收到的信號功率滿足要求。設計采用AFT54143芯片，為了在較寬的頻段內對信號進行放大，放大器采用電壓并聯負反饋結構，在放大器輸入與輸出端間建立負反饋回路，來保證放大器在寬頻段內保持增益平坦與良好的阻抗匹配。仿真設計如圖10所示，仿真結果如圖11所示，放大器仿真結果滿足設計要求，設計完成后還需通過直流穩壓電源對放大器進行偏置。

圖10 放大器設計圖

圖11 放大器仿真結果

2.4 檢波器

檢波器采用峰值包絡檢波方式，電路結果如圖12所示，利用檢波二極管、電阻、電容組合，將高頻信號濾除而保留脈沖的大小和相位，實現信號檢波的功能，大大減小數據存儲量以便后續處理。根據設計頻率要求，可以通過充電時間計算出相應的元件值，本設計中采用10KΩ電阻與10pF電容相連。

圖12 二極管峰值包絡檢波電路

3 實測驗證

采用已有器件組成系統，先對各元件性能測試，均滿足設計指標后，將各器件整合進機箱。為驗證整體效果，在實驗室內利用火花放電裝置進行初步設置，測試布局如圖13所示，依次連接Hilbert分形天線、一體化接收機、示波器，設置火花放電電壓為25KV，放電間隙為1mm，示波器設置為觸發采樣模式，采樣時長20μs，觸發電平100mV。

圖13 測試布局

示波器接收到的波形如圖14所示，接收機輸出的電壓包絡，其包絡與放電波形包絡特征相同時長相等，并且經過增益換算后兩者的包絡峰值量級相同，說明接收機能夠實現檢測弓網放電的檢測要求。

圖14 接收機輸出波形

結論：為實現對弓網放電進行實時監測，本文提出了一種用于監測電氣化鐵路弓網放電輻射的射頻接收機方案，并通過仿真與實測，并通過火花放電裝置進行了初步測試，驗證了接收機方案的可行性。實際使用中，還需配套相應的監測系統與小型化天線，根據監測系統在動車組上的安裝環境選擇合適的天線并適當調整放大器增益。本文提出的放電檢測技術不僅在動車組弓網放電檢測上有一定參考意義，還可以應用于其他高壓放電監測中。