基于高频检测的弓网放电监测系统实现

西南交通大学物理科学与技术学院 刘伊宁 李相强 王庆峰 张健穹

动车组的升降弓操作或弓网离线会引发弓网电弧放电现象，这种瞬态放电会产生辐射及传导干扰，威胁列车的正常运行。本文提出了一种用于监测电气化铁路弓网放电辐射的射频接收机结构，并根据实测获取的弓网放电辐射特性确定了接收机的指标要求，通过高频电路仿真软件完成了仿真设计，并利用火花放电装置进行了放电辐射采集试验，对于弓网放电实时检测的实现有一定参考意义。

在电气化铁路系统中，位于列车顶部的弓网系统将电能从供电站输送到动车组牵引系统，为列车的驱动提供电能。然而，随着列车速度的上升，弓网电弧放电现象越来越频繁，这种现象的发生伴随着强烈的宽频带电磁辐射。因此，对其进行放电监测并提出预警可以改善动车组运行环境，预防事故发生。

对于弓网放电问题，目前普遍采用的检测方法有脉冲电流检测法与光学检测法。脉冲电流法是当前国际上唯一有标准的局部放电检测方法，其优点是灵敏度高，但同时也存在检测频段窄，易受其他干扰源影响的问题。在动车组实际运行环境下，牵引系统、真空断路器等装置的正常操作也能在脉冲电流检测频段内产生干扰，这使得脉冲电流检测法很难将弓网放电与其他干扰源区别开来。光学监测法是目前采用较多的弓网放电检测方法，通过在动车组车顶受电弓下安装光学探头，捕捉放电时产生的光学信号，来实现弓网放电的实时监测。这种方法在实际使用中存在灵敏度低，可靠性差的问题，此外，该方法只能通过捕捉光学信号来判断是否存在电弧放电，无法对放电的强度进行评估。

近来年，随着计算机系统性能的提升与小型化天线的发展，高频辐射检测法在工业领域获得了大量应用，这种方法是通过天线对高频放电辐射信号进行采集，然后经过数据处理分析获取放电信号的幅值、放电次数等信息，从而对放电严重程度和危害性进行判断。该方法具有灵敏度高、抗干扰能力强的优点，非常适合对放电信号进行在线监测。本文基于高频辐射检测法设计了一种用于接收用于弓网放电辐射信号的射频接收机，结合小型化天线与数据采集系统，可以对频段为30MHz～1GHz，输入功率范围为-60dBm～-15dBm的高频信号进行实时采集，满足弓网放电在线监测的要求。

1 系统结构与设计指标的确定

为确定动车组弓网放电辐射接收机的设 计指标，需要先对弓网放电的辐射特性进行测量，测试场地选择温州轨道交通S1线桐岭站，为排除其他干扰源，列车采用静态测试并尽量关闭不必要的电子设备。测试布局如图1所示，采用罗德施瓦茨HE300天线模组连接示波器，采集升降弓过程中车体3m远处的放电辐射，测试获取的示波器端口电压波形如图2所示，在弓网放电的瞬间产生一个高频振荡，并随时间逐渐衰减。

图1 测试布局

图2 天线模组采集的弓网放电（单位：V）

示波器端口电压与空间电场关系如式1所示，其中E为电场强度，U为电压：

将示波器端口电压数据折算成空间电场强度，再对空间电场数据进行快速傅里叶变换，频谱分布如图3所示，放电辐射能量主要集中于1GHz以下频率。

图3 空间电场频谱

弓网放电监测要求将监测系统装车进行实时测量记录，为减小空间占用，需采用小型化宽频带天线作为接收天线。由于小型化宽频带天线的增益与罗德施瓦茨天线模组不同，接收到的辐射信号功率也不同，因此接收机的性能需要根据小型化天线的增益与辐射特性进行制定。

整个监测系统组成如图4所示，首先天线将放电产生的辐射信号接收后输入射频接收机中，经过限幅器、滤波器。放大器与检波器四个部分处理后，由数据采集系统进行采样、数据处理，并最终存储记录。

图4 监测系统架构框图

Hilbert结构具有缩小天线尺寸的优点，常用于射频识别与检测领域，本文采用五阶Hilbert分型天线作为弓网放电的接收天线。根据Hilbert天线增益特性可以计算出，其在10m距离接收到的弓网放电功率在-65dBm～-15dBm范围内，根据弓网放电辐射特性，射频子系统设计指标如表1所示。

表1 设计指标

2 建模与仿真

2.1 限幅器

限幅器的作用是对防止信号功率过大对电路造成损害，当限幅器输入信号功率较小时，信号可以正常通过限幅器。当输入信号功率上升到一定值时，限幅器输出信号维持在限制功率附近。本文的设计采用单级PIN对管限幅电路，采用MICROSEMI公司的GC4732型号PIN二极管设计，频率上限可达18GHz，具有插损小、功率容量大等优点，仿真电路如图5所示，参数设置如表2所示。

表2 仿真参数设置

图5 限幅器仿真电路

使用谐波平衡法运行仿真，仿真结果如图6和图7所示，在设计频段内满足最大插入损耗小于3dB，限幅功率+10dBm的设计要求。

图6 输出功率随输入功率变化（700MHz）

图7 插入损耗与回波损耗

2.2 带通滤波器

带通滤波器用来滤除检测频段外的干扰信号，增强放电信号的检测效果，提高系统的灵敏度。滤波器低频部分采用集总元件设计，采用L型网络滤除20MHz以下的信号，采用150pF电容与150nH电感组合而成，高频部分采用三阶巴特沃斯微带线结构，设计如图8所示，仿真结果如图9所示，滤波效果满足设计要求。

图8 滤波器设计图

图9 滤波器仿真结果

2.3 放大器

一般通过小型宽频带天线采集的放电信号相对较弱，因此通过放电来保证监测系统接收到的信号功率满足要求。设计采用AFT54143芯片，为了在较宽的频段内对信号进行放大，放大器采用电压并联负反馈结构，在放大器输入与输出端间建立负反馈回路，来保证放大器在宽频段内保持增益平坦与良好的阻抗匹配。仿真设计如图10所示，仿真结果如图11所示，放大器仿真结果满足设计要求，设计完成后还需通过直流稳压电源对放大器进行偏置。

图10 放大器设计图

图11 放大器仿真结果

2.4 检波器

检波器采用峰值包络检波方式，电路结果如图12所示，利用检波二极管、电阻、电容组合，将高频信号滤除而保留脉冲的大小和相位，实现信号检波的功能，大大减小数据存储量以便后续处理。根据设计频率要求，可以通过充电时间计算出相应的元件值，本设计中采用10KΩ电阻与10pF电容相连。

图12 二极管峰值包络检波电路

3 实测验证

采用已有器件组成系统，先对各元件性能测试，均满足设计指标后，将各器件整合进机箱。为验证整体效果，在实验室内利用火花放电装置进行初步设置，测试布局如图13所示，依次连接Hilbert分形天线、一体化接收机、示波器，设置火花放电电压为25KV，放电间隙为1mm，示波器设置为触发采样模式，采样时长20μs，触发电平100mV。

图13 测试布局

示波器接收到的波形如图14所示，接收机输出的电压包络，其包络与放电波形包络特征相同时长相等，并且经过增益换算后两者的包络峰值量级相同，说明接收机能够实现检测弓网放电的检测要求。

图14 接收机输出波形

结论：为实现对弓网放电进行实时监测，本文提出了一种用于监测电气化铁路弓网放电辐射的射频接收机方案，并通过仿真与实测，并通过火花放电装置进行了初步测试，验证了接收机方案的可行性。实际使用中，还需配套相应的监测系统与小型化天线，根据监测系统在动车组上的安装环境选择合适的天线并适当调整放大器增益。本文提出的放电检测技术不仅在动车组弓网放电检测上有一定参考意义，还可以应用于其他高压放电监测中。