高速鐵路弓網分離電弧高頻有源干擾仿真分析

曹海濱, 鄒 軍, 向念文, 王凌峰

(1.中國神華能源股份有限公司,北京 100011; 2.清華大學 電機工程與應用電子技術系,北京 100084; 3.合肥工業大學 電氣與自動化工程學院,安徽 合肥 230009)

高速電氣化鐵路的高頻干擾主要有有源干擾和無源干擾。無源散射干擾是由于高速電氣化鐵路的高架橋、高速運行的列車車體等的存在,對無線電信號會產生遮擋、反射,這會對各種無線電信號的傳播產生不利影響。因為一般高速列車的外表都是金屬,所以可以近似地將高速列車看成金屬體。因此無源干擾問題就歸結為金屬體的散射問題。

電力機車在換相、受電弓與接觸網斷續接觸、啟動、升降弓等情況時,電網電流的瞬時突變會造成很強的脈沖干擾,特別是受電弓在接觸網導線上的滑動離線,會產生弓網電火花,這是高速電氣化鐵路無線電干擾最嚴重的根源。

弓網電火花是一種氣體放電現象,它是由于接觸網導線的硬點、接觸網導線的振動、受電弓弓頭的振動等多種原因,致使受電弓與接觸網導線在相對高速滑動中分離而產生。弓網電火花的危害主要表現在如下方面:① 對接觸網導線和受電弓滑板的侵蝕和磨耗;② 產生過電壓,威脅牽引供電網的絕緣,損壞電力機車內的電力電子設備;③ 產生高頻噪聲;④ 使供電質量下降。

弓網離線電弧是在列車運行過程中產生,受到電磁場、流場、溫度場和速度場等多場聯合作用,電弧的特性和多種因素關聯。因此,考慮電弧某方面特性,其模型的形式是多樣的,具體有兩大類,也即主要有兩類研究方向[1-11]:一類是將電弧視為非線性電阻研究電弧外部特性的黑盒數學模型;另一類是通過數值模擬技術、磁流體動力學理論等研究內部物理特性的數學模型。盡管有上述模型,但是由于弓網離線電弧在模型、測量和仿真方面的困難,到目前為止,尚沒有一種普適的弓網離線電弧模型。因此,實際的弓網電弧產生的高頻電磁干擾,需要在相應區段經過大量的實測數據,從而確定弓網電火花的產生概率和干擾水平。

本文研究弓網離線電弧產生的高頻電磁輻射及其對通信系統的干擾。本文的計算基于以下假設:① 弓網已經分離,且產生弓網電火花;② 弓網電火花的時域波形滿足一定的函數,根據相關文獻的結論,首先假設弓網電火花的時域波形為高斯脈沖和負指數脈沖,然后分別予以計算;③ 不考慮大地電導率的影響,假設大地為理想導體。

1 計算方法簡述

1.1 空間任一觀測點的電磁場計算

若弓網分離電弧的電流已知,則其在空間任意場點處產生的電磁場可以采用垂直電偶極子(vertical electric dipoles,VED)等效。VED的電磁場示意圖如圖1所示。

圖1 VED的電磁場示意圖

根據垂直偶極子電磁場理論和鏡像法原理可知,空間任一觀測點的電磁場[12]為:

(1)

(2)

(3)

1.2 擬合電弧時域波形計算VED電磁場

為了提高計算速度,采用子域二次函數分段擬合電火花時域波形[13],對電流進行近似,即

(4)

其中:am、bm、cm可以根據已知電弧波形計算,詳細計算過程從略;U(t-tm)為移位tm的理想階躍函數。

式(1)～式(3)中,有

(5)

(6)

(7)

將式(5)、式(6)分別代入式(1)、式(3),VED在理想導電平面上方的電磁場為:

(8)

Ez(r,z,t)=

(9)

(10)

根據以上公式,本文計算步驟如下:

1) 采用式(4)擬合弓網分離電弧的時域波形。

2) 采用式(8)、式(10)計算電弧在空間產出的時域電磁場。

3) 根據式(2)獲得時域結果,進行傅里葉變換獲得空間任意場點的頻域計算結果。

2 計算結果

2.1 高斯脈沖模型時的有源干擾

采用高斯脈沖去模擬弓網電火花,即

(11)

由于弓網電火花峰值電流較難測定,本文采用其歸一化特性,相關參數取值為:I=1 A,t=10 ns,0 ns

圖2 高斯脈沖時域解析波形和近似波形

圖3 高斯脈沖弓網電弧的頻譜

根據計算步驟3),將Er、Ez、Hφ分量的時域波形進行傅里葉變換,可得其頻譜圖。為了得到不同距離對有源干擾的影響,分別計算r為30、100、300、700 m時的有源干擾的頻譜,結果如圖4所示。

圖4 高斯脈沖不同場點處Er、Ez、Hφ分量的頻譜

2.2 負指數脈沖模型時的有源干擾

采用負指數脈沖去模擬弓網電火花,即

i(t)=I0exp(-αt)

(12)

由于弓網電火花峰值電流較難測定,本文采用其歸一化特性,相關參數取值為:I0=1 A,0 ns

圖5 負指數脈沖的時域解析波形和近似波形

圖6 負指數脈沖的頻譜

將Er、Ez、Hφ分量的時域波形進行傅里葉變換,可得其頻譜圖。為了得到不同距離對有源干擾的影響,分別計算r為30、100、300、700 m時有源干擾的頻譜,如圖7所示。

本文計算的是最嚴重的情況,即假設弓網電火花已經產生。

根據文獻[14]和上述計算結果可知:

1) 采用高斯脈沖時,在400 MHz以外,且距離為700 m時,有源干擾下降為120 dB。因此,當距離超過700 m時,在400 MHz以外,有源干擾可以忽略。

2) 采用高斯脈沖時,當距離超過700 m,對于400 MHz以內的有源干擾,需要根據實測數據進行分析。對于在實測中沒有造成干擾的線路,可以忽略有源干擾;對于在實測中打火概率較高且造成干擾的區段,應考慮將防護距離擴大或者將沿線架空通信、廣播線路的接收天線高度提高。

3) 采用負指數脈沖時,在距離超過700 m時,有源干擾需要根據實測數據進行分析。對于在實測中沒有造成干擾的線路,可以忽略有源干擾;對于在實測中打火概率較高且造成干擾的區段,應考慮將防護距離擴大或者將沿線架空通信、廣播線路接收天線的高度提高。

克服有源干擾的措施如下:

1) 改進供電方式。如研究出比AT方式更優異的供電方式,降低弓網離線率,即降低弓網電火花產生的概率,從而降低有源干擾。

2) 改進弓和網性能。開發高質量的新型受電弓,以改善受流質量,降低離線率,即降低弓網電火花產生的概率,從而降低有源干擾。

3) 建設高質量的鐵路。弓網電火花絕大多數產生于定位點處。因為定位點是集中負荷點,所以該點在一個跨距內彈性最低。質量較差的接觸網的每個定位點都會產生電火花,而質量較好的接觸網的定位點處發生離線的概率會明顯下降。在接觸網架設的施工中,定位點處應盡量采用彈性定位器,而且要盡量消除接觸網硬點。

3 結 論

有源干擾是由弓網電火花產生的,弓網電火花的電流峰值、電流波形和產生概率難以確定。本文采用高斯脈沖和負指數脈沖對弓網電火花的電流波形進行模擬,采用歸一化時域波形和歸一化頻譜進行分析。弓網電火花的產生具有很強的隨機性,與接觸網導線的硬點、接觸網導線的振動、受電弓弓頭的振動、列車運動速度、天氣情況等諸多因素有關。因此,實際的弓網電火花干擾,需要在相應區段經過大量的實測數據,以確定弓網電火花的產生概率和干擾水平。