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。     

弓网电弧辐射电场噪声实验研究

近年来随着电力机车运行速度的不断提高,弓网电弧电磁噪声越来越严重,已经成为电力机车安全运行的隐患。为研究弓网电弧的电磁噪声及其抑制方法,设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统。该系统由电波暗室、弓网电弧发生器、弓网电弧检测系统组成。以铜接触导线-浸金属碳滑板为研究对象,通过改变接触压力、接触电流和运行速度,开展了64组弓网电弧辐射电磁噪声实验。弓网电弧的辐射电磁噪声主要体现为电场噪声,主要分布在30-500MHz之间,特别是在30-60MHz、60-80MHz频段内干扰强度较大。增大回路电流,则弓网电弧电场噪声的分布变得更加密集、干扰水平增强。增大接触压力或滑动速度,则电场噪声分布先变稀疏后变密集。     

基于电磁辐射特性的直流电弧检测方法

直流电源系统中的直流电弧由于难以熄灭,是导致系统故障的主要原因之一,对其检测方法展开研究具有重要意义。为此提出了一种基于电弧电磁辐射特性的直流电弧检测方法,通过搭建直流电弧产生装置模拟直流系统中松弛连接的情况,设计4阶Hilbert天线测量直流电弧电磁辐射信号。电弧的电磁辐射信号与电流突变信号变化一致,且突变脉冲的时间间隔满足Gamma分布。对不同的电流突变进行频谱分析发现,在该试验条件下,电磁辐射信号在频谱上存在明显的特征频率(12.9 MHz),并且不同回路电流下幅值最大的电磁辐射频率在12~14MHz范围内。与开关操作时的信号进行对比发现,直流电弧的最大幅值电磁辐射频率大于开关操作的最大频率,直流电弧脉冲的平均时间间隔(37μs)比开关操作时的时间间隔(7.4μs)长,开关操作时能够检测到多个持续时间较长的脉冲簇。电磁辐射信号的特征频率、脉冲时间间隔以及脉冲簇持续时间可作为直流电弧的检测参量判断电弧故障。     

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。     

弓网电弧实验系统与辐射噪声实验研究

近年来随着电力机车运行速度的不断提高,弓网电弧现象越来越严重,已成为电力机车安全运行的隐患。为深入研究弓网电弧的形成机理和抑制方法,设计了一套弓网电弧电磁噪声实验系统,该系统实现了屏蔽环境下弓网电弧的模拟。利用该系统,通过控制接触压力、电流和运行速度三个条件进行了弓网电弧辐射电磁噪声的测量实验。结果表明,弓网系统电磁噪声干扰频段主要在频率30~500MHz内,其中干扰强烈频段在30~60MHz内。电流越大,辐射噪声幅值越大,干扰频率带宽越宽。随着压力的逐渐增大,辐射噪声幅值先减小后增大,干扰频率带宽先变窄后变宽。     

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。     

考虑电极熔化的弓网电弧与电极耦合模型

为了探明弓网电弧对受电弓滑板与接触线材料的侵蚀规律,基于磁流体动力学(MHD)理论并考虑弓网电弧与电极之间的能量传递,建立了弓网电弧与电极熔化耦合分析模型。采用熔化/凝固模型求解弓网电极材料内部的能量方程,分析弓网电弧作用下的弓网电极材料熔化特性;通过计算稳态弓网电弧特性,得到弓网电弧对电极的热流密度分布情况,将热流密度注入受电弓滑板与接触线来分析弓网电极的熔化特性;研究了弓网电弧燃弧时弓网电极材料的熔池特性随时间的变化情况;分析了弓网电极材料在不同弓网电弧电流情况下的熔池特性。研究结果表明:弓网电弧对接触线和受电弓滑板的热流密度注入呈现高斯分布形态;接触线与受电弓滑板的熔池深度、熔池半径均随着弓网电弧作用时间的增大而增大;随着弓网电弧作用时间增加,接触线表面的熔池深度始终大于受电弓滑板表面的熔池深度,受电弓滑板与接触线表面的熔池半径大小出现2次交点;400 A弓网电弧电流作用0.2 s时间后,受电弓滑板和接触线的熔池半径分别达到3.86 mm和4.3 mm,熔池深度分别达到1.24 mm和2.95 mm;随着弓网电弧电流的增加,弓网电极材料表面的熔池深度与熔池半径均增大,且受电弓滑板与接触线的熔池半径随弓网电弧电流的变化趋势相同,接触线表面的熔池深度随弓网电弧电流的变化率更大。计算结果可为轨道车辆的弓网系统的设计和评估提供参考意见。     

低气压下串联直流电弧故障电磁辐射幅值及频率特性

为了检测低气压下串联直流电弧故障,搭建了低气压下直流电弧故障试验平台,研究了不同试验条件下的直流故障电弧电磁辐射特性。利用四阶Hilbert分形天线检测直流电弧故障的电磁辐射信号,在11个气压下(96,86,76,66,56,46,36,26,16,6和0.6k Pa)对4种电极材料(黄铜、紫铜、不锈钢和铝)进行了串联直流电弧故障试验,并在低气压下对不同直径(1~7mm)和形状(尖形和平形)的黄铜电极进行了试验研究。考虑了电极移动速度对电磁辐射特性的影响。对各种试验条件下采集到的电磁辐射脉冲幅值进行了统计分析,并对电磁辐射脉冲进行了快速傅里叶变换,提取出特征频率。试验结果表明:直流电弧电磁辐射脉冲幅值随着气压、电极直径、形状和电极移动速度的改变而变化,并且具有方向性;而电磁辐射脉冲的特征频率范围(36~41MHz)与气压、电极直径、形状和电极速度无关,将其作为检测串联直流电弧故障的特征量具有一定的适用性。     

基于电磁辐射时延估计的串联光伏直流电弧故障定位方法

串联直流电弧故障是光伏系统电气火灾的主要诱因,在系统运维中不仅需要识别电弧故障,更需要确定电弧故障的发生位置。针对光伏串联直流电弧故障定位问题,该文提出一种基于电弧电磁辐射信号广义互相关时延估计的故障定位方法。搭建光伏串联直流电弧故障定位试验平台,分析光伏串联直流电弧电磁辐射信号特性,其在电弧产生初期具有明显的脉冲变化特征,且电弧电磁辐射信号强度与电流变化率成正比。通过对比分析,选取性能较为均衡的Vivaldi天线进行电弧电磁辐射信号测量,其带宽为100 MHz～1 GHz。采用4根天线构成的Vivaldi天线阵列进行电弧故障定位,其天线分别位于棱长1 m的正三棱锥顶点。利用最大似然加权算法进行广义互相关时延估计的加权处理,减少信号噪声影响;同时用最小二乘法进行电弧电磁辐射信号互相关频谱峰值拟合,从而减小频谱计算中栅栏效应的影响。试验结果表明,所提方法的定位误差在15%以内,为基于电弧电磁辐射的故障定位策略应用提供了依据。     

高速列车弓网电弧模型及其电气特性仿真研究

弓网电弧对受电弓滑板、接触网导线、供电质量、通讯信号和无线电信号的影响严重威胁列车的运行安全。因此,研究弓网电弧模型,分析弓网电弧的电气特性,对降低弓网电弧造成的危害很有必要。笔者运用MATLAB/Simulink仿真软件,考虑到列车在运行时高速气流场对弓网电弧模型参数变化的影响,建立了弓网电弧模型;通过弓网电弧仿真波形与实验波形的对比分析,验证了弓网电弧模型搭建的合理性。为了对比分析弓网静态燃弧和动态燃弧的差别,利用搭建的弓网电弧模型进行了列车在进行升、降弓操作过程和高速列车运行速度为200 km/h时3种工况下的弓网电弧仿真,最后通过弓网静态燃弧过程中和动态燃弧过程中电弧电气特性的对比分析,得到了相关结论。从而为研究弓网电弧的电气特性提供了理论基础。     

城际列车升降弓电磁辐射特性研究

弓网放电辐射是轨道交通系统电磁干扰的重要来源,在此通过结合快速暂态过电压与电磁理论,建立了城际列车弓网放电辐射仿真模型,研究了弓网辐射骚扰的时域及频域特性。通过对某型短编城际动车组升降弓工况下的辐射骚扰进行测试,记录弓网电弧辐射的时域波形,借助快速傅里叶算法对数据进行后处理,分析了在弓网辐射骚扰能量集中的20～100 MHz频段内放电辐射波形时域及频域特性,验证了仿真模型的准确性。     

基于信息熵的串联型故障电弧频谱特征研究

针对串联型故障电弧影响供配电系统供电安全的问题,提出小波包信息熵理论与短时傅立叶变换相结合的串联型故障电弧频谱特征分析方法。首先研制了低压串联型故障电弧实验平台,开展了典型负载故障电弧模拟实验。其次,利用小波包技术对发生稳定串联型故障电弧前后的电流信号进行分解、重构和归一化处理。然后,计算各频带重构信号的信息熵,通过对比各频段燃弧前后重构信号的信息熵得出稳定故障电弧电流信号的特征频段为8-10.8KHz。最后,采用短时傅立叶变换对特征频段的重构信号进行时频分析,得出发生稳定故障电弧前后电流信号的频谱变化规律。经验证,在发生不稳定故障电弧时,8-10.8KHz仍为故障电弧的特征频段,频谱特征依然明显。结果表明,利用信息熵和短时傅立叶变换对低压串联型故障电弧进行频谱特征研究是可行的。     

矿用架线电机车弓网电弧辐射电磁噪声特性

在电波暗室中开展模拟矿用架线电机车运行条件下弓网电弧辐射电磁噪声实验。统计分析弓网电弧电场噪声时域特性参数随回路电流、接触压力和滑动速度的变化规律。利用瞬时频率分析法,计算电场噪声峰值时刻的瞬时频率(IFPVM)及电场噪声持续时间内的瞬时频率均值(AIFDD)。电场噪声峰值和持续时间随回路电流增加而增大,上升时间和振荡周期受回路电流影响较小。峰值、上升时间、振荡周期和持续时间均随滑动速度增加而小幅度增加,受接触压力影响不大。电场噪声IFPVM主要分布在9～16 MHz,电场噪声AIFDD主要分布在8～14 MHz。     

基于FCM算法的光伏系统电弧故障检测方法研究北大核心CSCD

针对现有光伏系统电弧故障检测中易产生漏判、误判的问题,提出了一种基于FCM(模糊C均值聚类)算法的电弧故障检测方法。通过分析光伏系统电弧故障的时域、频域及电磁辐射特性,选取相邻窗口电流差值的峰峰值、电流频谱10~30 kHz频段的频域总能量与电磁信号的模极大值作为FCM的三维特征量,利用正常情况与故障情况下聚类中心在空间位置上的差异,实现光伏系统电弧故障的识别。仿真分析与试验结果表明,该方法能对光伏系统电弧故障进行准确识别且具有一定的抗干扰能力。     

基于磁流体动力学模型的弓网电弧温度场仿真

笔者针对弓网电弧产生的瞬时高温严重烧蚀受电弓滑板和接触网导线的问题展开研究。以磁流体动力学(MHD)理论为基础,考虑电弧的基本物理特性及电磁效应、热效应和辐射效应,建立了静态弓网电弧二维磁流体动力学模型,仿真计算了电弧的温度场分布,得到了电弧弧柱和两电极内部的温度分布特性。仿真结果表明,弧柱中心区域温度最高,并逐渐向外衰减;滑板表面温度高于导线表面,两电极表面温度低于弧柱温度;受电弓滑板表面的温度随着滑板材料热导率的增大而降低;电弧区域、滑板和导线上的温度随电流的增加而增大,而两电极之间的电位差基本保持不变。     

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。     

基于电流信号特征的弓网电弧识别方法

弓网电弧已成为电力机车安全运行的隐患,及时识别弓网电弧对于评价受流质量、调控弓网电弧、指导线路检修具有重要意义。该文开展了不同条件的弓网系统受流特性实验,将系统受流分为正常受流和电弧受流两种状态。提出一种基于回路电流和支持向量机(SVM)的弓网电弧在线识别方法及其工程实现方案。采用改进的F-score算法选择回路电流的平均值、标准差和相关系数作为弓网电弧的典型特征,利用svmtrain函数创建SVM模型,利用网格搜索算法优化SVM的径向基核函数。实验表明,该方法能够有效识别弓网电弧。接触压力、滑动速度和接触电流以及燃弧时间、电流采样频率均会影响弓网电弧的识别准确率。燃弧时间对识别准确率的影响较大,相同条件下燃弧时间越长,识别准确率越高。     

弓网电弧电气特性试验研究

利用自行研制的弓网电弧试验系统,测试了弓网电弧的电气参量。通过对弓网电弧的电气特征试验分析发现,弓网系统燃弧时,电弧电压、电流存在着较大的直流分量,谐波成分丰富;起弧瞬间电流具有较大的过冲,弓网两端电压迅速下降;在电弧稳定燃烧时,电弧电压值相对较稳定,电流呈正弦规律变化。     

SVD滤波的串联故障电弧特征分析

为进一步研究故障电弧特征,针对三相电动机及变频器负载开展了串联故障电弧实验。首先将电流信号经过一阶差分预处理,再通过奇异值分解SVD(singular value decomposition)对信号进行两级滤波,剔除信号中的工频和噪声成分。采用柯尔莫可洛夫-斯米洛夫K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验法分析SVD滤波信号的正态分布情况。采用线性调频Z变换CZT(chirp-Z transform)对SVD滤波信号0～500 Hz频段进行频谱细化分析。提取时域峭度和特征频段幅值平均值组成特征向量,并构建故障电弧区矩形。通过大量数据测试表明:该方法可有效识别三相电动机及变频器负载回路中发生的故障电弧。     

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。