高速铁路弓网分离电弧高频有源干扰仿真分析

曹海滨, 邹 军, 向念文, 王凌峰

(1.中国神华能源股份有限公司,北京 100011; 2.清华大学 电机工程与应用电子技术系,北京 100084; 3.合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥 230009)

高速电气化铁路的高频干扰主要有有源干扰和无源干扰。无源散射干扰是由于高速电气化铁路的高架桥、高速运行的列车车体等的存在,对无线电信号会产生遮挡、反射,这会对各种无线电信号的传播产生不利影响。因为一般高速列车的外表都是金属,所以可以近似地将高速列车看成金属体。因此无源干扰问题就归结为金属体的散射问题。

电力机车在换相、受电弓与接触网断续接触、启动、升降弓等情况时,电网电流的瞬时突变会造成很强的脉冲干扰,特别是受电弓在接触网导线上的滑动离线,会产生弓网电火花,这是高速电气化铁路无线电干扰最严重的根源。

弓网电火花是一种气体放电现象,它是由于接触网导线的硬点、接触网导线的振动、受电弓弓头的振动等多种原因,致使受电弓与接触网导线在相对高速滑动中分离而产生。弓网电火花的危害主要表现在如下方面:① 对接触网导线和受电弓滑板的侵蚀和磨耗;② 产生过电压,威胁牵引供电网的绝缘,损坏电力机车内的电力电子设备;③ 产生高频噪声;④ 使供电质量下降。

弓网离线电弧是在列车运行过程中产生,受到电磁场、流场、温度场和速度场等多场联合作用,电弧的特性和多种因素关联。因此,考虑电弧某方面特性,其模型的形式是多样的,具体有两大类,也即主要有两类研究方向[1-11]:一类是将电弧视为非线性电阻研究电弧外部特性的黑盒数学模型;另一类是通过数值模拟技术、磁流体动力学理论等研究内部物理特性的数学模型。尽管有上述模型,但是由于弓网离线电弧在模型、测量和仿真方面的困难,到目前为止,尚没有一种普适的弓网离线电弧模型。因此,实际的弓网电弧产生的高频电磁干扰,需要在相应区段经过大量的实测数据,从而确定弓网电火花的产生概率和干扰水平。

本文研究弓网离线电弧产生的高频电磁辐射及其对通信系统的干扰。本文的计算基于以下假设:① 弓网已经分离,且产生弓网电火花;② 弓网电火花的时域波形满足一定的函数,根据相关文献的结论,首先假设弓网电火花的时域波形为高斯脉冲和负指数脉冲,然后分别予以计算;③ 不考虑大地电导率的影响,假设大地为理想导体。

1 计算方法简述

1.1 空间任一观测点的电磁场计算

若弓网分离电弧的电流已知,则其在空间任意场点处产生的电磁场可以采用垂直电偶极子(vertical electric dipoles,VED)等效。VED的电磁场示意图如图1所示。

图1 VED的电磁场示意图

根据垂直偶极子电磁场理论和镜像法原理可知,空间任一观测点的电磁场[12]为:

(1)

(2)

(3)

1.2 拟合电弧时域波形计算VED电磁场

为了提高计算速度,采用子域二次函数分段拟合电火花时域波形[13],对电流进行近似,即

(4)

其中:am、bm、cm可以根据已知电弧波形计算,详细计算过程从略;U(t-tm)为移位tm的理想阶跃函数。

式(1)～式(3)中,有

(5)

(6)

(7)

将式(5)、式(6)分别代入式(1)、式(3),VED在理想导电平面上方的电磁场为:

(8)

Ez(r,z,t)=

(9)

(10)

根据以上公式,本文计算步骤如下:

1) 采用式(4)拟合弓网分离电弧的时域波形。

2) 采用式(8)、式(10)计算电弧在空间产出的时域电磁场。

3) 根据式(2)获得时域结果,进行傅里叶变换获得空间任意场点的频域计算结果。

2 计算结果

2.1 高斯脉冲模型时的有源干扰

采用高斯脉冲去模拟弓网电火花,即

(11)

由于弓网电火花峰值电流较难测定,本文采用其归一化特性,相关参数取值为:I=1 A,t=10 ns,0 ns

图2 高斯脉冲时域解析波形和近似波形

图3 高斯脉冲弓网电弧的频谱

根据计算步骤3),将Er、Ez、Hφ分量的时域波形进行傅里叶变换,可得其频谱图。为了得到不同距离对有源干扰的影响,分别计算r为30、100、300、700 m时的有源干扰的频谱,结果如图4所示。

图4 高斯脉冲不同场点处Er、Ez、Hφ分量的频谱

2.2 负指数脉冲模型时的有源干扰

采用负指数脉冲去模拟弓网电火花,即

i(t)=I0exp(-αt)

(12)

由于弓网电火花峰值电流较难测定,本文采用其归一化特性,相关参数取值为:I0=1 A,0 ns

图5 负指数脉冲的时域解析波形和近似波形

图6 负指数脉冲的频谱

将Er、Ez、Hφ分量的时域波形进行傅里叶变换,可得其频谱图。为了得到不同距离对有源干扰的影响,分别计算r为30、100、300、700 m时有源干扰的频谱,如图7所示。

本文计算的是最严重的情况,即假设弓网电火花已经产生。

根据文献[14]和上述计算结果可知:

1) 采用高斯脉冲时,在400 MHz以外,且距离为700 m时,有源干扰下降为120 dB。因此,当距离超过700 m时,在400 MHz以外,有源干扰可以忽略。

2) 采用高斯脉冲时,当距离超过700 m,对于400 MHz以内的有源干扰,需要根据实测数据进行分析。对于在实测中没有造成干扰的线路,可以忽略有源干扰;对于在实测中打火概率较高且造成干扰的区段,应考虑将防护距离扩大或者将沿线架空通信、广播线路的接收天线高度提高。

3) 采用负指数脉冲时,在距离超过700 m时,有源干扰需要根据实测数据进行分析。对于在实测中没有造成干扰的线路,可以忽略有源干扰;对于在实测中打火概率较高且造成干扰的区段,应考虑将防护距离扩大或者将沿线架空通信、广播线路接收天线的高度提高。

克服有源干扰的措施如下:

1) 改进供电方式。如研究出比AT方式更优异的供电方式,降低弓网离线率,即降低弓网电火花产生的概率,从而降低有源干扰。

2) 改进弓和网性能。开发高质量的新型受电弓,以改善受流质量,降低离线率,即降低弓网电火花产生的概率,从而降低有源干扰。

3) 建设高质量的铁路。弓网电火花绝大多数产生于定位点处。因为定位点是集中负荷点,所以该点在一个跨距内弹性最低。质量较差的接触网的每个定位点都会产生电火花,而质量较好的接触网的定位点处发生离线的概率会明显下降。在接触网架设的施工中,定位点处应尽量采用弹性定位器,而且要尽量消除接触网硬点。

3 结 论

有源干扰是由弓网电火花产生的,弓网电火花的电流峰值、电流波形和产生概率难以确定。本文采用高斯脉冲和负指数脉冲对弓网电火花的电流波形进行模拟,采用归一化时域波形和归一化频谱进行分析。弓网电火花的产生具有很强的随机性,与接触网导线的硬点、接触网导线的振动、受电弓弓头的振动、列车运动速度、天气情况等诸多因素有关。因此,实际的弓网电火花干扰,需要在相应区段经过大量的实测数据,以确定弓网电火花的产生概率和干扰水平。