高铁离线电弧射频和车内低频电磁暴露的特性研究

为了有效评估高速铁路列车电磁环境对人体健康的影响,以武汉—广州高速铁路列车(简称武广高铁)离线电弧射频和车内低频电磁暴露为对象,采用现场测试与实验室半实物仿真试验相结合的方式对弓网离线电弧射频开展了研究,即针对高铁线路诸如电分相、锚段关节等一些易发生较大离线电弧的典型位置在武广线开展了现场实测来获得高铁内弓网离线电弧高频电场骚扰强度的频谱特性,在车内对窗口、中轴线、车厢连接端、关键设备等位置进行了现场实测来获得车内低频磁场特性,采用西南交大自主研发的弓网电弧检测系统进行了半实物仿真试验来获得牵引电流、接触压力等参数对弓网离线电弧等效电场骚扰强度的影响,通过对高铁电磁环境实测值与国家标准GB 8702—2014及国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)指南等标准的比较,以及铁路从业人员一些疾病的危险比评估,来分析长期效应对人体健康的影响。研究结果表明:弓网离线电弧频谱主要分布在0.009~500MHz范围内,尤以30~300 MHz之间频谱最为丰富;通过扫频数据计算得到电分相处弓网离线电弧辐射功率密度的时频分布图;基于点频数据采用最小二乘拟合法对高铁离线电弧电磁发射进行统计分析后得到线性回归计算式;由半实物仿真试验得出弓网离线等效电场骚扰强度与列车速度、牵引电流、弓网接触压力有关;车内低频磁场磁感应强度在0.102~34μT范围内;弓网离线电弧高频电磁骚扰对人体健康影响不大,低频磁场符合国内健康标准。该研究结果可以为高铁电气化轨道交通的设计和电磁干扰的抑制以及对人体生物电磁学影响的研究提供必要的数据支持。     

弓网电弧对牵引传动系统电气特性的影响

随着列车运行速度的提高,弓网离线及离线电弧的发生率大幅上升,对牵引传动系统电气特性的影响日益显著,因此有必要研究弓网电弧对牵引传动系统电气特性的影响。为此,考虑了离线电弧的演化过程,建立了牵引传动系统仿真模型;研究了不同弓网离线时间下弓网离线对牵引传动系统电压特性的影响,并分析了离线过程中不同阶段的电压谐波情况。研究结果表明:弓网离线时间较长且在电弧熄灭的情况下,弓网离线对牵引传动系统电气特性的影响最严重;从电压方面来看,弓网离线时间为300 ms的工况下,熄弧后车载变压器高压侧出现的过电压值为47.5 k V,牵引变流器直流侧电压快速降为零,在离线恢复时产生的过电压值可达到6.4 k V,会对其中的电力电子器件产生严重冲击;从波形畸变程度来看,车载变压器高压侧电压的总谐波畸变率(total harmonic distortion,简称为THD,符号为λTHD)随着时间的延长而增大,畸变的电压输入牵引变流器,增加了其控制难度,恶化了变流质量。综上所述,弓网离线时间越长,弓网离线对牵引传动系统交直流侧电压的影响就越大,进而威胁到牵引传动系统电气设备的安全稳定运行。     

高速气流场下列车弓网电弧动态模型

随着弓网离线率和离线程度的增加,弓网离线电弧现象频繁发生,而弓网离线电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重危害了列车运行安全。因此基于横向吹弧和纵向吹弧理论,研究了高速气流场对弓网电弧耗散功率的影响。考虑弓网电弧的弧柱拉伸、压缩以及强气流吹弧的能量交换,得到弓网电弧在起弧阶段中,电弧单位长度的耗散功率P与车速vc之间为一次函数关系,且弓网电弧在燃弧阶段中,两者为近似一次函数关系。根据能量平衡理论,运用Matlab/Simulink仿真软件,建立了弓网电弧的动态模型,并对比分析了弓网电弧仿真波形与实验波形。结果表明:第1个燃弧周期内起弧电压峰值约为35 V,第2个燃弧周期内起弧电压峰值约为30 V,且起弧阶段均有小燃弧过程;仿真波形与实测波形在整体趋势上较一致,验证了弓网电弧动态模型搭建的合理性。分析结果为研究弓网电弧特性提供了理论基础。     

弓网离线对牵引传动系统的影响

离线时间长短严重影响动车组受流质量,目前离线时间的划分主要根据运行管理经验,尚无理论分析。基于现场测试数据和MATLAB仿真软件,建立了包含弓网离线电弧和列车牵引变流器的仿真分析模型,分析了弓网离线时的过电压与谐波,以及离线对牵引变流器直流侧电压的影响。结果表明:弓网离线和恢复过程均有约1.3倍的过电压产生,并伴随有大量的谐波反馈到接触网上;牵引变流器直流侧压降速度随列车行驶速度的增加而呈指数增大,250 km/h以上行驶速度时1 000 V压降所需时间已经下降到100 ms以内;相同离线时间下,列车行驶速度愈大离线恢复时直流侧电压冲击和震荡愈大。上述分析表明,离线时间的划分应考虑列车行驶速度的影响,越高时速下,离线时间应作越严格的限制,以保证列车良好的受流质量。     

弓网离线接触电流总谐波畸变率的实验研究

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。     

牵引供电低频网压振荡影响规律研究

目前多条电气化铁道出现了低频率的网压振荡、波动现象,造成了机车的牵引封锁。机车–牵引网(简称车网)互联系统低频网压振荡具有很强的不可预见性,利用阻抗分析法对低频网压振荡问题进行分析,并基于Matlab/Simulink仿真平台建立了HXD2B型电力机车与牵引网的联合仿真模型,再现了牵引供电低频网压振荡现象。通过与实测波形对比,验证了模型的正确性。在车网联合仿真模型的基础上,分析和讨论了牵引网长度、牵引变压器接线方式、机车负载情况及机车控制参数对低频网压振荡的影响规律。仿真结果表明,减小牵引供电系统阻抗(改变牵引网长度、牵引变压器接线方式)或增大机车系统阻抗(改变机车负载情况、机车控制参数)均能抑制低频网压振荡现象。     

高速铁路弓网离线电弧电磁辐射特性的试验研究

高速铁路系统电磁环境十分复杂,其中弓网离线电弧产生的电磁辐射是高速铁路系统最重要的电磁干扰源之一。利用高速弓网关系试验台开展了大电流、高速条件下的弓网离线放电模拟试验,测量了不同牵引电流及不同行车速度下放电辐射场的时域波形,经快速傅里叶变换后得到了离线放电电磁辐射的主要分布频段、分布疏密程度、典型频率值等特征,探讨了放电辐射特性随牵引电流和行车速度的变化规律及原因。研究表明：在大电流、高速条件下,弓网放电电磁辐射能量主要分布于0~100 MHz的频率范围,其中分布最密集频段为45~55 MHz,起弧电磁辐射强度大于熄弧电磁辐射强度;在100~700 A的牵引电流区间内,放电辐射场的幅值随电流增大而增大;相同牵引电流下,频域峰值对应的频率值随车速增大而逐渐变小。该研究结果为弓网电弧电磁辐射干扰的机理研究以及防护提供了试验数据和参考依据。     

考虑过渡函数的电气化铁路弓网离线电弧建模与验证分析

随着列车速度的提高，弓网离线电弧现象频繁发生，对列车的安全运行产生影响。因此有必要研究弓网电弧模型，分析其电气特性。在计及横向吹弧的Habedank电弧模型基础上，以电弧电流作为变量构建了过渡函数，较合理地实现了串联电弧模型的动态电阻分配。在MATLAB/Simulink仿真软件中，通过S-函数的编写实现了电弧模型的仿真，并将对得出的仿真波形与实验波形进行对比分析，验证了所搭建模型合理性。结果表明：列车速度增大，电弧电流不会随之增大，而是基本保持不变，但电弧电压却会随之增大，其中燃弧电压增大程度最大。     

弓网电弧形态特性试验研究

高速铁路弓网振动加剧,离线频发,电弧频繁发生,使得弓网电弧成为弓网关系研究的关键问题。鉴于此,基于弓网电弧试验系统,利用高速摄像机采集弓网电弧形貌,对电弧图像进行灰度等值曲线分析并与现场实测电弧图像进行对比。同时分析了燃弧的动态变化过程,以面积和周长对电弧的形态进行表征,分析了电弧电流对电弧形态特性的影响。研究结果表明:弓网电弧形貌呈椭圆形,在两极附近有聚集收缩现象,电弧图像灰度值可近似描述温度分布。对电弧形态的动态变化实现了量化,电弧面积与电弧周长均随电流的增大而增大,电流为120 A时,电弧面积与周长的最大值分别可达到56 244和1 258。     

高速列车弓网电弧温度场特性仿真研究

弓网离线过程中会产生弓网电弧。弓网电弧稳态燃烧时,弧心温度很高。同时,电弧等离子体对接触网导线和受电弓滑板的热传导造成弓网系统材料的电气磨损,降低弓网系统使用寿命,严重情况时会导致列车事故。由于现有试验条件的限制,难以直接采用试验方式准确测试出电弧等离子体的温度分布。因此基于流体动力学理论,建立了弓网电弧稳态燃烧的物理分析模型,并采用流体分析软件,对模型方程进行求解,得出了电弧等离子体、接触线内部以及滑板内部的温度场分布情况。通过仿真计算不同接触线廓形半径情况下接触线内部的温度场分布情况,发现增大廓形半径可以降低接触线表面材料的电气磨损。同时,随着滑板材料热导率的增加,也可以降低滑板材料的电气磨损。     

Pantograph Arcing in Electrified Railways—Mechanism and Influence of Various Parameters—Part I: With DC Traction Power Supply

Pantograph arcing is a common phenomenon in electrified railway systems. This is also a source of broadband-conducted and radiated electromagnetic interference (EMI) for vehicle as well as traction power and signaling systems. In this paper and the companion paper, experimental analyses of pantograph arcing phenomena are presented for dc and ac feeding systems, respectively. Influences of different parameters on dc traction system, such as supply-voltage polarity, relative motion between pantograph and overhead contact wire, namely, forward motion along the track (longitudinal), and lateral sliding motion of the pantograph (zigzag) are presented here. From the voltage and current waveforms of the test runs, it is shown that pantograph arcing is a polarity-dependent phenomenon. For the positive-fed overhead traction system, where pantograph is cathode, the supply interruptions due to zigzag motion are comparatively less compared to negatively fed traction systems. As a result, the transients, due to pantograph arcing, are more frequent in negatively fed traction systems. It is found that the arc root movement along the electrode surfaces (pantograph-contact wire) is governed by the relative motion and polarity of the electrodes. The analyses presented in this paper also form a foundation to understand the pantograph arcing process and the corresponding influential parameters with the ac supply presented in the companion paper. The findings presented in this paper could be beneficial for coming up with appropriate mitigation techniques from the EMI due to pantograph arcing in dc-fed traction systems.     

基于 GAF-CNN 的弓网电弧识别方法研究

由于高速铁路接触网会产生弓网电弧对弓网系统有危害,为了减少弓网损害。提出一种电流时间序列编码技术,即格拉姆角求和/差分场(GASF/GADF)。由于不同受流状态的电流信号不同,其时间序列编码形成的图像也不同,这使得计算机视觉技术可以用于时间序列分类,用来识别弓网电弧。共进行了5组不同条件下的弓网受流实验,测量得到不同条件下弓网系统中的电流数据,并将弓网实验得到的电流数据的状态分为正常受流状态和电弧受流状态。通过构建神经网络,提取电弧电流信号,以格拉姆角场(GAF)图像的形式直观展示了卷积神经网络(CNN)对弓网电弧数据的抽象特征提取情况。实验结果表明,该方法可在不同条件下准确识别弓网电弧避免视频图像背景变化的问题为弓网电弧故障识别提供一种思路。     

现场环境下弓网离线放电辐射测量方法

为了在现场有噪情况下准确测量动车组弓网离线放电引起的辐射发射,提出了一种基于稀疏分解的瞬态电磁信号提取方法。结合弓网离线放电辐射信号波形非对称衰减的时域特征,构建了一种改进的Gabor原子库,在Gabor原子库的基础上,通过引入不对称参数和衰减参数建立了一个非对称高斯模型,使改进的原子库在时域上更符合弓网离线放电辐射信号的不对称包络和不同衰减率特性。基于改进的原子库,对弓网离线放电辐射信号进行稀疏重构提取,实现现场条件下弓网离线放电辐射地精确测量。模拟与实测实验表明,该方法能有效抑制传统Gabor原子库稀疏分解的预回波现象,重构精度更高;窄带干扰下该方法的去噪能力比基于经验模态分解(EMD)理论的去噪方法高17 dB左右,恢复出的瞬态信号与原信号误差在3 dB以内。     

现场环境下弓网离线放电辐射测量方法

为了在现场有噪情况下准确测量动车组弓网离线放电引起的辐射发射,提出了一种基于稀疏分解的瞬态电磁信号提取方法。结合弓网离线放电辐射信号波形非对称衰减的时域特征,构建了一种改进的Gabor原子库,在Gabor原子库的基础上,通过引入不对称参数和衰减参数建立了一个非对称高斯模型,使改进的原子库在时域上更符合弓网离线放电辐射信号的不对称包络和不同衰减率特性。基于改进的原子库,对弓网离线放电辐射信号进行稀疏重构提取,实现现场条件下弓网离线放电辐射地精确测量。模拟与实测实验表明,该方法能有效抑制传统Gabor原子库稀疏分解的预回波现象,重构精度更高;窄带干扰下该方法的去噪能力比基于经验模态分解(EMD)理论的去噪方法高17 dB左右,恢复出的瞬态信号与原信号误差在3 dB以内。     

Radio-frequency common-mode noise propagation model for power-line cable

Electromagnetic-interference (EMI) radiation from a power-line communications (PLC) network has been a major concern for the widespread use of broadband PLC technology. It is also well known that the dominant radiation mode of the PLC network is common mode (CM) by nature. Therefore, for electromagnetic-compatibility planning purposes, knowledge of the CM noise propagation path of the power line in the frequency range of 1 to 30 MHz is essential to provide insight of EMI radiation emitted by the power line. Based on a two-current-probe measurement approach, the CM noise propagation model for a three-wire power-line cable can be derived and represented by an equivalent two-wire CM transmission line. The equivalent CM noise propagation model allows us to predict the CM noise current on the power line with reasonable accuracy. The model will serve as a valuable tool in the future to identify effective ways to suppress EMI radiation from the PLC network.     

基于SOA-SVM的弓网电弧识别方法

受电弓-接触网作为牵引供电系统的重要组成部分关系着高速列车的安全与稳定,及早的对弓网电弧进行识别对于保障列车稳定运行具有十分重要的意义。通过计算更符合列运实际的“Z”字摩擦速率并对列车的运行时速、接触压力及接触电流依次进行单变量调整,模拟了4种不同工况的弓网受流实验。基于实验数据,从特征供给和参数优化两方面出发：首先,利用D-score评估准则对电流特征进行对比,筛选出电弧识别特征及其显著区间;其次,设计样本定容环节考察特征信息的完备性;最后,利用海鸥算法(seagull optimization algorithm, SOA)优化支持向量机(support vector machine, SVM)对弓网电弧建模识别。经测试结果与对比分析得出,SOA-SVM能够快速、有效的对弓网电弧建模识别,平均识别水平达98.5%、总体识别水平在97%以上。     

考虑漏磁特性的变压器电磁干扰特性模型

变压器是隔离型功率变换器电磁干扰(EMI)噪声传输的关键器件。针对先期建立的变压器三电容容性EMI噪声特性模型在评估小匝比变压器及高频噪声时误差增大的现象,首先分析高频下变压器漏磁对噪声电压分布的影响,然后补充变压器二次侧耦合噪声对电磁噪声的影响情况,对比总结不同匝比结构对变压器噪声影响因素,在此基础上提出考虑漏磁特性的变压器EMI特性模型。通过能反映变压器二端口特性的参数测量评估方法进行实验评估,实验和仿真结果验证了理论分析和模型的正确性。     

高速电气化铁路中的弓网电弧现象研究综述

高速电气化铁路弓网系统中的电弧已经成为制约我国高速铁路发展的技术瓶颈。笔者论述了电弧对接触导线、受电弓滑板、通讯信号、无线电信号和供电质量等的危害,从电弧产生的机理和特征、电弧模型、电弧能量、电弧侵蚀和载流摩擦磨损方面综述了相关电弧问题的研究现状,为深入开展弓网电弧现象、机理及抑制措施的研究打下了基础。     

降雨环境下弓网电弧动态特性研究

弓网电弧的危害严重阻碍了高速铁路的发展,恶劣的环境条件会促使弓网离线电弧频发,造成滑板和接触网导线磨耗加剧,受流质量下降。为提高高速铁路运行的安全性和稳定性,研究了降雨条件下弓网电弧运行动态特性。基于自制的弓网电弧实验系统,分别采集正常运行、小雨(降雨量30 g)及大雨(降雨量150 g)环境下电流电压波形,并利用高速摄像机拍摄弓网电弧图像。研究结果表明,工况条件一定时,降雨环境下弓网电弧被拉伸,呈现不规则状态,电弧面积和周长增大,且小雨环境下电弧周长和面积最大;降雨环境使电流纹波加重,零休时间变长,电弧尖峰电压增大,缩短了弓网电弧燃弧时间,提高了电弧发生率,其中小雨环境变化最为明显;降雨环境下电弧功率增大,电弧最小电阻值出现在电流峰值附近,且较无雨环境电弧最小电阻值增大。     

基于机器视觉的受电弓滑板厚度检测方法研究

良好的弓网关系是电气化铁路正常运行的重要因素之一,应用机器视觉技术对滑板厚度进行测量,可以减少由人为误差导致的弓网事故。通过对实验室环境下拍摄的滑板图片进行图像灰度处理、透视校正、滑板图像滤波、滑板图像增强处理完成图像预处理,本文提出对滑板图像进行边缘检测和形态学开闭运算后采用图像追踪的方法,实现滑板边缘提取和定位,计算得到滑板厚度最小值。对滑板进行测量实验,由本方法得到的数值与实测值进行对比分析,得到的测量结果误差基本在±0.5mm。结果表明本文提出的图像处理方法可以实现滑板磨耗检测,对现场实际应用研究有很大的价值。