弓网离线接触电流总谐波畸变率的实验研究

郭凤仪 王喜利 王智勇 王 丹 王宝巍

弓网离线接触电流总谐波畸变率的实验研究

郭凤仪 王喜利 王智勇 王 丹 王宝巍

（辽宁工程技术大学 电气与控制工程学院 辽宁 葫芦岛 125105）

受电弓与接触网（弓网）是电气化铁路中牵引供电系统的重要组成部分，弓网系统在运行过程中会发生离线现象，弓网离线会带来严重的电磁噪声问题。利用弓网电弧电磁噪声实验平台开展了不同条件下的弓网离线实验，分析了弓网离线状态下接触电流的频域特性。采用接触电流总谐波畸变率来表征弓网离线的传导电磁噪声特性，获得了接触电流总谐波畸变率与回流电流、接触压力和滑动速度之间的变化关系，建立了有效的接触电流总谐波畸变率数学模型，为深入研究弓网离线传导电磁噪声提供了实验依据和理论基础。

弓网离线 传导电磁噪声 总谐波畸变率 电磁兼容

1 引言

受电弓与接触网（弓网）是电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，电力机车通过安装于受电弓上的滑板从接触网取得电能。在电力机车运行过程中，接触网导线不平顺、接触网振动等多种因素导致的滑板与接触网导线短时分离的现象，称为弓网离线。弓网离线会产生电弧放电并带来严重的电磁噪声问题，弓网离线引起的电磁噪声已成为制约高速铁路发展的重要因素之一[1-3]。

国内外学者在弓网离线电磁噪声研究方面做了大量的工作[4-9]。陈嵩[10]、张向明[11]等研究了弓网离线电磁噪声的幅度概率分布特性，分析了弓网离线电磁噪声对铁路GSM-R通信系统的影响。这些大多都是研究弓网离线产生的辐射电磁噪声，关于弓网离线传导电磁噪声的研究，侧重于分析弓网离线电弧的过电压问题，针对弓网离线接触电流的研究还很少见[5]。

本文研制了一套弓网电弧电磁噪声实验平台，开展了不同条件下的弓网离线实验，测量了弓网离线状态下接触电流的实验数据。从谐波的角度分析了弓网离线状态下接触电流畸变产生的传导电磁噪声，研究了接触电流总谐波畸变率的特性规律，建立了接触电流总谐波畸变率的数学模型。

2 实验条件与实验方案

2.1实验装置

实验利用弓网电弧电磁噪声实验平台完成，通过控制实验平台中的弓网电弧发生器实现弓网离线。

弓网电弧发生器是在原有的滑动电接触实验装置[12-13]的基础上添加弓网离线控制模块改制而成，不仅可以模拟接触导线与滑板的“之”字形运行轨迹，还能够实现接触导线与滑板之间的离线控制功能，实物图如图1所示。

图1 弓网电弧发生器实物图Fig.1 The picture of pantograh arc generator

如图2所示，弓网离线控制模块是由步进电机、滚珠丝杠、位移滑块、压力传感器、弹簧、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来实现。通过驱动步进电机的左旋转和右旋转驱使位移滑块，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2 弓网离线控制模块工作原理Fig.2 Principle of the off-line control module

实验利用NI PCI-6251型数据采集卡实时采集接触压力、接触温度、滑动速度、滑板往复移动速率、接触电压和接触电流等实验数据，并上传到上位机的数据采集与处理系统中进行数据显示、分析与存储。数据采集卡的采样频率为10kHz。

2.2实验材料

实验中用到的接触导线材料为纯铜，截面积为120mm2，硬度为96.2HBS。滑板材料为浸金属碳，其化学成份和性能参数分别见表1和表2。

表1 滑板材料化学成分Tab.1 Chemical composition of slide material(Wt.%)

表2 滑板材料性能参数Tab.2 Performance parameters of slide material

2.3实验方案

实验旨在研究不同条件下弓网离线时接触电流的畸变情况。通过控制接触压力、滑动速度和接触电流，以铜导线和浸金属碳滑板为实验对象，进行了64组实验，实验条件如表1所示。

表3 实验条件Tab.3 Experimental conditions

3 传导电磁噪声测量与分析

3.1传导电磁噪声测量结果

图3所示为系统未运行时的接触电流波形，从图中可以看出波形未发生任何畸变。当系统正常运行时，典型的电流波形如图4所示。

图3 系统未运行电流波形Fig.3 The current waveform of before running

图4 弓网离线状态下的接触电流波形Fig.4 Current waveform under off-line state

从图4可以看出，弓网离线状态下接触电流波形的正半周、负半周不再对称，波形发生了畸变。畸变的接触电流会导致牵引变压器的铁心饱和程度加剧、漏电感的参数发生改变[14]。

3.2弓网离线接触电流传导电磁噪声的频谱分析

本文利用快速傅立叶变换来分析弓网离线接触电流的频谱特性。

图5、图6为图4所示弓网离线接触电流经傅立叶变换得到的频谱。由图5、图6可知，弓网离线时的接触电流含有丰富的直流分量、奇次谐波和偶次谐波，谐波的频率范围集中在1 000Hz以下，特别是500Hz以下的谐波较多。

图5 弓网离线接触电流的频谱Fig.5 Contact current spectrum of Fig4(a)

图6 图4（b）中弓网离线接触电流的频谱Fig.6 Contact current spectrum of Fig4(b)

4 接触电流的总谐波畸变率及其数学模型

4.1总谐波畸变率

从谐波角度研究弓网离线时接触电流的传导电磁噪声，利用总谐波畸变率来反映接触电流的畸变程度，即弓网离线时传导电磁噪声的强弱。

总谐波畸变率（THD），是用来表征波形相对正弦波畸变程度的性能参数，其定义为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，即:

式中 I1——基波电流峰值；

Ih——各次谐波电流幅值；

Irms——电流有效值，

4.2接触电流总谐波畸变与实验条件之间的关系

（1）接触电流总谐波畸变率与滑动速度、接触压力的关系

当接触电流给定值分别为100A、150A、200A、250A时，接触电流总谐波畸变率随接触压力、滑动速度之间的变化关系如图7所示。

由图7可知:1）接触电流的总谐波畸变率随滑动速度的增加而呈现总体增大的变化趋势。当滑动速度提高时，弓网系统的离线率增加，越容易产生间歇性的弓网电弧，弓网电弧时有时无，造成接触电流波形畸变严重、总谐波畸变率变大。

图7 不同接触电流给定值时的接触电流总谐波畸变率Fig.7 THD of contact current with different contact current given values

2）接触电流的总谐波畸变率随接触压力的增加而呈现总体减小的变化趋势。增大接触压力，会使接触线与滑板之间的正压力变大，使弓网离线率下降，改善了受流效果，使接触电流的总谐波畸变率下降。

（2）接触电流总谐波畸变率与接触压力、接触电流给定值的关系

当滑动速度分别为20km/h、25km/h、30km/h、40km/h时，接触电流总谐波畸变率随接触压力、接触电流给定值之间的变化关系如图8所示。

由图8可知，当接触电流给定值不断增加时，接触电流的总谐波畸变率变化不大，虽有微小波动，但总体有减小趋势。随着接触电流的增加，弓网离线时产生的电弧的输入功率增加，当电弧的散热功率没变时，弓网电弧的稳定性增强，一定程度上改善了受流效果，使接触电流的总谐波畸变率下降。

4.3接触电流总谐波畸变率的数学模型

利用测得的接触电流波形数据，建立接触电流总谐波畸变率数学模型的步骤如下:

（1）计算不同条件下弓网离线时接触电流的总谐波畸变率。

（2）接触电流总谐波畸变率分别与接触压力、滑动速度、接触电流给定值拟合进行拟合计算，以拟合度最高、出现次数最多为原则，确定接触电流总谐波畸变率与每一种单个实验因素之间的3个最优拟合表达式。

（3）对接触电流总谐波畸变率与每一种单个实验因素之间的3个最优拟合表达式进行全排列组合计算，共得到27组拟合表达式，以拟合度最高为原则，确定接触电流总谐波畸变率与接触压力、滑动速度、接触电流给定值之间的最优拟合表达式，从而得到接触电流总谐波畸变率的数学模型。

在拟合计算时，通常采用拟合优度统计量对拟合度进行评价。本文采用决定系数R2作为拟合优度统计量来评价拟合效果。R2越接近1，说明拟合度越高、拟合效果越好。

决定系数R2的表达式为:

图8 不同滑动速度时的接触电流总谐波畸变率Fig.8 THD of contact current with different sliding speeds

式中 n——样本的数量；

yi——实测值；

y——测值的平均数。经拟合计算，得到接触电流总谐波畸变率的数学模型表达式为:

式中 x1——接触压力；

x2——接触电流给定值；

x3——滑动速度。

参数p1～p15的取值分别为:

拟合表达式（3）的决定系数为:R2=0.9644，拟合效果较好。

表4 不同条件的电流总谐波畸变率的实验值与预测值Tab.4 Experimental and predicted value of THD

表4为不同的接触压力、滑动速度、接触电流给定值条件下，接触电流总谐波畸变率的实验值与模型预测值的对比。表4表明，接触电流总谐波畸变率的实验值与模型预测值基本一致，证明了模型的有效性。

5 结论

通过自行研制的弓网电弧电磁噪声实验平台，对弓网离线时接触电流的传导电磁噪声进行了测量与分析，研究发现:

（1）弓网离线将导致接触电流发生畸变，产生丰富的谐波分量。其中，接触电流畸变波形中含有的直流分量，会加剧牵引变压器的磁饱和，影响其漏感参数。

（2）为了揭示不同条件下弓网离线时接触电流的传导电磁噪声特性，获得了接触电流总谐波畸变率与滑动速度、接触压力、接触电流给定值之间的变化关系。接触电流总谐波畸变率，随滑动速度的增加而增大、随接触压力的增加而减小、随接触电流给定值的增加而缓慢下降。

（3）采用拟合计算法建立了弓网离线接触电流总谐波畸变率的数学模型，并验证了该模型的有效性。该数学模型可以用来进一步研究弓网系统滑动电接触的传导电磁噪声特性。

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Experimental Research on Total Harmonic Distortion of Contact Current Caused by Pantograph-Catenary Off-Line

Guo Fengyi Wang Xili Wang Zhiyong Wang Dan Wang Baowei
（Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China）

The pantograph-catenary system is an important component of the electrified railway traction power supply system. The off-line phenomenon often occurs during the operation of pantograph-catenary system. The off-line phenomenon will lead to serious electromagnetic noise problem. Some off-line experiments were carried out with self-developed experimental platform under different experimental conditions. The frequency domain characteristics of contact current in off-line state were analyzed. The total current harmonic distortion rate (THD) was used to represent the characteristic of conductive electromagnetic noise caused by off-line phenomenon. The relationships between THD and loop current, contact pressure and sliding speed were obtained. The mathematic model of THD was established. It can provide experimental and theoretical basis for further study on conductive electromagnetic noise of pantograph-catenary system.

Pantograph-catenary off-line;conductive electromagnetic noise;total harmonic distortion rate; electromagnetic compatibility

TM501

郭凤仪 男，1964年生，教授，博士生导师，长期从事电接触理论及其应用、智能电器的研究。

国家自然科学基金项目（51277090），辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（LZ2014024）。

2014-09-10

王喜利 男，1986年生，博士生，研究方向为电接触理论及其应用。