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。     

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。     

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。     

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。     

波动载荷下弓网滑动电接触载流特性研究

为获取波动载荷下弓网滑动电接触载流特性,利用FCH-03型销盘式滑动电接触摩擦磨损试验机模拟弓网接触状态,进行强电流密度、不同速度与波动接触压力条件下的浸金属碳/铜对磨实验。根据实验数据获得载流效率、载流稳定性在不同条件下的特性规律,并针对影响受流的运行速度、接触电流、波动接触压力等因素作出深入的机理分析及电弧能量干扰相关性分析。研究表明:载流效率随接触压力振幅的增大而减小,随接触压力频率的增大呈较小的增大趋势。载流稳定性随接触压力振幅的增大而减小。低速时基本不随接触压力频率变化;高速时随接触压力频率增大呈先增大后减小。弓网离线及离线电弧是导致高速弓网系统载流质量下降的主要原因。     

弓网系统滑动电接触特性

弓网系统接触电阻不仅是表征其电接触性能的重要指标,而且对弓网系统的受流质量和使用寿命有着重要影响。因此开展了不同牵引电流、运行速度和接触压力条件下的动态接触电阻试验,分析了上述3个因素对接触电阻的影响机理。研究表明:当接触压力小于100 N时,弓网系统接触电阻随着接触压力的增大而减小,当接触压力大于100 N时,接触电阻的变化趋于平缓;弓网系统接触电阻随着运行速度和牵引电流的增大而增大,且上升趋势较陡峭;在运行速度和牵引电流一定时,当接触压力大于80 N时,受电弓滑板的磨损量随着接触压力的增大而增大。     

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。     

基于HHT的单次电弧辐射电磁噪声时频分析

滑动电接触故障下产生的电弧放电会辐射强烈的电磁噪声,针对电弧辐射电磁噪声时域信号持续时间短、突变快等特点,利用Hilbert-Huang变换(HHT)技术对辐射电磁噪声进行分析。用经验模态分解法(EMD)分解辐射电磁噪声并获得其固有模态函数(IMF)分量,选取与噪声信号相关性最高且方差贡献率最大的IMF并进行Hilbert变换,获得了不同实验条件下电弧辐射电磁噪声的瞬时频率。磁场噪声瞬时频率的均方根在60MHz附近,电场噪声瞬时频率的均方根在96~165MHz。随着接触电流、测量距离的增加,磁场噪声瞬时频率的均方根稍有增加,电场噪声瞬时频率的均方根明显减小。电场噪声的频率随时间的变化快于磁场噪声。     

单次电弧条件下辐射电场噪声时域传播特性

为准确评估载流滑动摩擦副周围的电磁环境及干扰水平,利用自行研制的实验装置,在电波暗室环境中开展了单次电弧放电的辐射电磁噪声实验,基于电场噪声辐射阻尼系数分析了不同测量距离、不同接触电流条件下的电弧辐射电场噪声的时域传播特性。在不同的波峰范围内,电场噪声辐射阻尼系数是不同的,在测量距离不变的条件下,电场噪声辐射阻尼系数随接触电流的增加而减小;在接触电流不变的条件下,电场噪声辐射阻尼系数随测量距离的增加而增大。最后,建立了电场噪声辐射阻尼系数与测量距离、接触电流之间的数学模型,为评估不同工况条件下电场噪声的衰减快慢提供了参考。     

基于Hilbert分形天线的弓网电弧电磁辐射研究

弓网(PC)电弧带来的电磁干扰会影响到车载数字设备的正常工作。因此,有必要研究弓网电弧的电磁辐射特性。首先,基于ANSOFTHFSS仿真软件建立仿真工程,设计了一种用于监测电弧电磁辐射的4阶Hilbert分形天线。其次,搭建了弓网电磁辐射信号测量实验装置,以铜合金接触导线-纯碳滑板为研究对象,在不同试验电流及不同电极间距下,分别开展多组弓网电弧辐射电磁实验。对采集到的电磁辐射时域脉冲信号进行快速傅立叶变换,提取频谱分布范围及典型频率值。研究结果表明:弓网电弧电磁辐射频段主要分布在0～160 MHz,特别是在0～40、60～100 MHz频段内强度较大。改变试验电流和电极间隙,电弧电磁辐射频谱分布整体相似,且频域峰值都出现在18MHz。通过对电磁辐射的实时监测,可获得电弧发生时刻和持续时间等信息,提供了一种有效的弓网电弧监测方法,有助于对弓网系统受流水平进行评价。