（通信与信息系统专业论文）动车组弓网系统电磁骚扰研究.pdf

中文摘要 摘要：我国电气化铁路采用的是2 5 k v 的工频交流电为动车组供电。一方面在接触 网上普遍存在着硬点问题造成受电弓与接触网分离，另一方面，为了降低单相负 荷引起的负序电流含量，铁路系统通过设置电分相实现循环换相的解决方法。运 行中发现，在动车组发生离线或者通过电分相时，发生多次电弧烧毁接触网、吊 弦的事故以至于影响到动车组控制系统的正常运行，严重影响了铁路运营安全。 因此研究动车组受电弓离线和通过电分相的过程，探索故障机理，对于电气 化铁道的建设和运营有一定的指导意义。 本文首先介绍了受电弓离线的过程，首先利用有限元法计算了变压器中的分 布参数。继而利用所得到的分布参数来构建变压器的一维色散传输线模型。在模 型中添加骚扰源，仿真在动车组行驶过程中发生受电弓离线时产生的振荡骚扰， 观察变压器模型在这种激励下的响应。使用电路仿真软件，模拟动车组在行驶中 时的离线过程，从而得到受电弓离线时的骚扰幅值以及主要通过传导方式传导的 结果。 其次介绍了动车组通过电分相的整个过程，并逐一加以分析和理论推导，得 到以中性线对地电压为变量的电路全响应。利用电路仿真软件对动车组通过电分 相的整个过程进行了仿真分析，验证理论，得到了动车组通过电分相时对动车组 的骚扰。 最后针对以上问题提出了合理建议和解决措施。 关键词：动车组；受电弓和接触网；电分相；电弧；弓网放电 分类号：t n 0 3 a bs t r a c t a b s t r a c t s i l l g l e - p h a s ea cp o w e rs y s t e i 玛2 5k v ，i sa p p l i e di i lc i l i l l a e l e c 仃i f i e dr a i l w a y o nm eo n eh 锄d ，t l l es 印a r a t i o no fp 觚t o 掣- a p h 锄dc a t e n a r i e sc a u s e d b y n l eh a r ds p o t 谢d e l yd i s t r i b u t e di i lc a t e n 乏t r i e s ；o nt l l eo t l l e rl l a n d ，i no r d e rt 0s o l v et l l e p r o b l e m ，s i r 培l e p h a u s el o a d sn e g a t i v es e q u e n c ec m r e n te 筇e c t so n l e 颤b i l i 锣o fm e p o w e rs y s t e m ，h o m e 趾da b m a d s e te l e c t r i cp h a s eb r e a k w 池n l eh e l po f 锄s e q u i p m e n t ，m e t l l o do f p h 嬲eb yp h a s ec y c l ec 锄b e u s e dt 0r e d u c et l l en e g a l i v es e q u e n c e c l l n e n tc o n t e m i d e n t i f i e di i lt h eo p e r a t i o n ，w t l i l et h es e p a r a t i o no fp a m o 鲫h 缸dc a t e n a r i e so r 曲i e e ，sp a s s i n gt 1 1 ep h a s eb r e a k ，m ec o i n a c tl i i l ea r cb 啪e do u t b ya r c ，锄d 恤n 0 姗a l 0 p e r a t i o no fm ca t ps y s t e mi s 疵c t e d t h e s ea c c i d e n t st a l 【es e r i o u s l yi l t l p a c to nm e e l e c n i f i e dr a i l w a ys a f e t y 1 1 1 e r e f o r es t u d yo ne m u sp a l l t o 卿ho m i n ea 1 1 dp a s s i n gt l l e e l e c t r i c a lp h a s eb r e a l 【，e x p l o r et ：h e 缸l u r em e c h a i l i s m ，f o rt l l ec o n s m l c t i o na i l do p e m t i o n o fe l e 嘶f i e d 仡i l w a y sh a v es o m es i 鲥f i c a i l c e f i r s to fa l l ，“sp a p e rd e s c r i b e sm ep r o c e s so f t h es 印删i o no f p 锄t o g r a l p h 锄d c a t e n a r i e s ，d i s c l l s sm e r e 舔o no fh a r a l s s m e n t 撕s i l l gf 如mt l l es 印a r a t i o n o nt h j sb a s i s ， t l l ed i 嘶b u t i o n 仃a n s f o r m e ri sd 甜v e dp a r a m e t e r s ，u s eo fm a t l a ba 1 1 do t t l e rs o 凤础： p r o c e s sm o d e l i n g 强ds i m l a t i o ne x p e r i m e n t st op a i l t o 鲫ho f n i n eb y t 1 1 el l a r a s s m e m o f 锄p l i t u d e a i l dc o n d u c t i o n 也r o u g l l 也ec o n d u c t i o no ft l l ei i l a i nr e s u l t s ，n l e n ，t l l i sp a p e ri i l 仃o d u c e sm ee n t p r o c e s so fe m u sp a s s i n gm ee l e c t r i c a lp h a u s e b r e a k a i l do n eb yo n ea i l a l y s i s 孤dt h e o r e t i c a ld e r i v a ：t i o n s i m u l a t em ee n t i r ep r o c e s so f e m u p a s s i i 培t h ep h a s eb r e a l 【w i mi l s i n go f c i r c u i ts i m u l a t i o ns o 胁a r e o n 廿1 eb a s i co f s i i i l u l a t i o na i l a l y s i sa i l dc o m b i n m gw i m 吐l et e s td a t a ，t h ec o r r e 咖e s so f m et l l e o r yw 嬲 v t 啊f i e d f i 枷l y ，i l ls u p p o r to f 恤锄j y s i so fm e 廿l e o 巧，“sp a p e r 西v e ss o m ee 船c t i v e m e a s u r e st or e s o l v e 锄dr e a s o n a b l es u g g e s t i o n s k e y w o l l s ：e m u s ；p a n t o 伊印ha n dc a t e n 撕e s ；p 1 1 a s eb r e a k ；a r c ；d i s c l 鹕e c i a s s n o ：t n 0 3 致谢 本论文的工作是在我的导师朱云老师的悉心指导下完成的，朱云老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。从基础知识的学习和科研 能力的培养，到论文的选题、深入、成文，朱云老师都以他敏锐的视角、渊博的 知识和严谨的态度对我做了关键性的指导。在此衷心感谢三年来朱云老师对我的 关心和指导。 沙斐、闻映红、王国栋、周克生、王凤兰、陈嵩、崔勇老师悉心指导我们完 成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此 向沙斐老师、闻映红老师、王国栋老师、周克生老师、王凤兰老师、陈嵩老师和 崔勇老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，杨永亮、张强、冯玉明、霍宏艳、卢怡等同 学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，他们在我研究生学习和生活期间给予 了我无微不至的关心和帮助，在此向他们表达我的感激之情，谢谢你们让我有了 这么一段难忘的经历。 另外也感谢我的父母，他们给了我很多信心，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业，你们永远健康快乐是我最大的心愿。 最后向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢! 1 引言 作为一种新兴的机车车辆组成与运营形式，动车组与我国传统机车车辆运用 检修体制存在一定的矛盾，故在我国起步较晚。为了提高客运质量和速度，提升 旅客运输能力及运输效率，近几年来国家大力发展动车组技术，我国机车车辆工 业企业制造了“和谐号”c i m 型系列动力分散型高速动车组，并已投入运营。 在高速动车组技术高速发展的同时，其带来的电气化问题也越来越多，其中 电磁兼容问题关系到列车的行驶通信安全，应加以重视。 弓网系统一直是一个列车电磁兼容方面比较大的骚扰源，特别是当弓网间发 生火花放电现象，会影响到机车的正常通讯，甚至威胁到车辆的行驶安全。本课 题旨在研究高速动车组弓网系统中的电磁兼容问题，通过研究提出解决实际弓网 系统中存在的问题。 1 1高速铁路系统中主要干扰源 电气化铁道供电系统的原理如下图1 1 所示，电能从电厂发出以后，经过变换 电压，通过高压输电线或者先经过电力系统的变电所再经过高压输电线到达牵引 变电所，经过变换电压通过馈电线输送至接触网，电力机车通过受电弓从接触网 获取电流带动自身牵引电机驱动机车前进，最后电流通过钢轨以及回流线回到牵 引变电所，图中表示出了电流的方向。以上各部分构成了整个电气化铁道供电系 统的一次回路。其中1 、2 、3 、4 、5 称为电气化铁道的一次供电系统，主要完成 发电、变电和输电功能。6 为牵引变电所，主要功能是把电力系统三相1 1 0 k v 或 2 2 0 k v 交流电流变换为机车所使用单相2 5 k v 交流电流。 其中电气化铁道的一次供电系统中存在变电站，这样就会使用大量整流电路、 斩波电路，同样的在机车内的牵引系统中，也有很多整流电路，它们是干扰主要 的产生源，其中整流电抗器l 。和电机平稳电抗器h 是最主要的噪声产生元件，这 些元件产生的干扰频谱的特性取决于其电流波形。整流电感器是产生干扰的最大 潜在干扰源，因为其峰值电流超过了电机电流，还因为其电压和电流波形随时间 快速变化，并且谐波分量很丰富。 图1 1电气化铁道供电系统原理图 f i g u r e1 1e 1 e c n f i e dr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e ms c h e m a t i c 卜发电机；2 一电厂变电站；3 一电厂母线；4 一电力系统变电站；5 一变电站 母线；6 一牵引变电所；7 一接触网；8 一受电弓；9 一回流线；1 0 一相分段；1 1 一钢轨； 1 2 一高压输电线；1 3 一馈电线；1 4 一接地网；1 5 一高压输电线 我国的电气化铁道采用单相工频交流制，牵引变电所沿铁路沿线配置，通过 馈电线向接触网输送电流，为了平衡电力系统的三相电流以及利于牵引供电系统 的保护动作，通常在接触网的中间断开，分为互相绝缘的两部分，由两边的变电 所分别供电，每一部分称为一个供电区，也称为供电臂，供电臂之间通常电压相 位不同，需要有分段绝缘装置连接，称之为相分段，如图1 1 中的1 0 。在分段区 间会有一段无电区，依靠火车滑行经过无电区时会出现火花放电现象，在受电弓 离线或者升降弓时，也会出现类似情况。火花放电会伴随着大量的谐波噪声，而 通过分相区段，受电弓离线或者升降弓都可以认为是切断电感负载，而后也会产 生瞬变噪声。 1 1 1电气化铁道的一次供电系统 一次供电系统中的电磁兼容问题，在背景中有所提及，主要是整流电路的元 件产生干扰，电机平稳电抗器l i i 的时间导数具有傅里叶基数特性，其展开形式为： 九o ) 2 善c 。s ( 2 碱( 1 1 ) 式中 2 = ( 筹) s 缸g 砸) 石一一斩波重复频率 j 一一占空因数 整流电抗器l 。磁通量的导数具有的傅里叶级数展开形式为： 如( f ) = 屯c o s ( 2 砚f q ) ( 1 2 ) 一= l 式中 以= ( 一爿磊h 引岫裕 上面的式子说明b 和l 。共同产生( f ) 丰富的谐波成分，其频率从到高于五 的频率。 实际情况中比理论分析更为复杂，这是由于机车从静止启动时，电机反电动 势很小，这时必须有很小的占空因数来使电机电流达到允许的值。由于强制整流 f m ? 、 的最小占空比因数为l 正j ，有的斩波系统起初通过将频率厶从一个低的初始值 向上偏移到正常的工作值来控制启动电流：另外一些系统则通过脉冲跳变，来达 到以上目的( 这些脉冲跳变省略掉电机电流脉冲的可变成分，该脉冲具有短期内 重复和期限内可变的形式) 。每个步骤都使频谱更为复杂。 1 1 2受电弓和接触网之间的火花放电现象 机车在行驶时，受电弓从接触网中受流，为机车供电，但是在行驶过程中， 受电弓和接触网由于振荡或者硬点，会发生接触网和受电弓的短时间分离，这样 的分离就会引起火花放电现象。火花放电的同时就会产生大量的谐波，在实验室 中模拟实际中的放电情况，观察波形发现两种明显的情况，在0 5 1 姗z 有一个较 强的阻尼振荡，在2 0 m h z 附近有一个较小的阻尼振荡【2 j 。经过分析得出低频率的骚 扰主要通过传导发射，而高频率的主要通过辐射发射。 同时试验中也发现电压在电弧放电中的跌落并不是在供电周期中均匀的，对 于接触网的正极电压跌落很小，但是受电弓正极电压跌落很大，这样就在整个交 流周期中产生了一个直流电动势，这个电动势就相当于一个直流源，受电弓碳滑 板和受电弓作为直流源的正极，接触网作为负极。电源驱动电流在拉弧放电时通 过牵引机和回流电路，这样直流电流就迸入到整个列车系统中了l j j 2 基本原理 2 1受电弓离线产生的火花放电现象 火花放电现象是由受电弓离线所产生的大气放电现象的一种，所以先从物理 学的角度来分析火花放电。 2 1 1 气体放电中的基本过程与分类 干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为 电的导体。即通过某种机制使一个或者几个电子从气体原子或分子脱离而形成的 气体媒质称为电离气体。电离气体中含有电子、离子和中性原子或分子。如这时 在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个现象称为气体放电。 这是在电源电压较高，足以击穿气体，但电源功率不够大，不能维持持续放电 时产生的一种放电。它是一种自持放电，但瞬即熄灭，待电源电压恢复后，又重 新放电。放电时电极间有丝状火花跳过电极空间，其路程则是随机的。自然界中 的雷电，是一种大范围的火花放电，但在火花放电之前大多先出现电晕放电。 气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本 过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。基本过程的相互制约决定放电的 具体形式和性状。 激发过程： 荷能电子碰撞气体分子时，有时能导致原子外壳层电子由原来能级跃迁到较 高能级。这个现象，称为激发；被激发的原子，称为受激原子。要激发一个原子， 使其从能级为e 1 的状态跃迁到能级为e m 的状态，就必须给予( e m e 1 ) 的能量；这 个能量所相应的电位差设为e v e ，则有 e v e = e m e l ( 2 1 ) 电位v e 称为激发电位。实际上，即使电子能量等于或高于激发能量，碰撞未 必都能引起激发，而是仅有一部分能引起激发。引起激发的碰撞数与碰撞总数之 比，称为碰撞几率。 电离过程： 在气体放电中还有一类重要的电离过程，即亚稳原子碰撞中性分子使后者电 离的过程。这种过程只有在亚稳原子的亚稳电位高于中性分子的电离电位( 如氖 的亚稳原子碰撞氩原子) 时才可能出现。这个过程称为潘宁效应。 4 消电离过程： 如果将一切电离因素都去掉，则已电离的气体，会逐渐恢复为中性气体，这 称为消电离。消电离的方式有三种：电子先与中性原子结合成为负离子，然后负 离子与正离子碰撞，复合成为两个中性原子。电子和正离子分别向器壁扩散并 附于其上，复合后变为中性原子离去。电子与正离子直接复合。 迁移： 在电场作用下，带电粒子在气体中运动时，一方面沿电力线方向运动，不断获 得能量；一方面与气体分子碰撞，作无规则的热运动，不断损失能量。经若干次 加速碰撞后，它们便达到等速运动状态，这时其平均速度u 与电场强度e 成正比u = k e ，系数k 称为电子( 离子) 迁移率。对于离子，k 是一个常数；对于电子， 它并不是一个常数，而与电场强度e 有关。 扩散过程： 当带电粒子在气体中的分布不均匀时，就出现沿浓度递减方向的运动，这称 为扩散。带电粒子的扩散类似于气体的扩散，也有自扩散和互扩散两种。扩散现 象用扩散系数来描述，它是带电粒子扩散能力的一种量度。多种带电粒子同时存 在于气体时，扩散现象变得复杂。其中特别重要的一种情况是电子、正离子浓度 相等( 即等离子体) 的情况，这时出现所谓双极性扩散。这是两种异号带电粒子 相互牵制的扩散，其基本特征是：电子由于质量小、扩散得较快：离子由于质量大， 扩散得较慢。结果电子走在前方，于是两种电荷间出现一个电场( 约束电场) ，这 电场牵引正离子使它跟上去。两种带电粒子的扩散速率始终一致，但电子总是在 前方，离子则在其后。 2 1 2气体放电的基本形式 气体间隙放电存在着多种形式，如暗流、辉光电晕放电、刷状电晕放电、火 花放电、弧光放电等【4 】。 r u 图2 1 棒板放电装置示意图 f i g u 陀2 1s t i c kd i s c h a r g eb e t 、 ，e 廿l ep l a t e ss c h e m a t i c l 厂 卜唆。 7 刷 靡 蓄 初耄 纛 电 图2 2 放电电压电流的关系曲线 f i g u r e2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i s c h a 唱ev 0 l t a g pa n dc u n e n t 这里以金属细棒与金属板之间的放电为例，图中金属棒和金属板之间的距离 很近，通过电源e 在棒上加正电压，在板上加负电压，r 是回路限流电阻，u 是棒 板之间的电压，i 是放电回路电流。在o a 段中棒板之间只有非常小的电流，是由 大气中的带电粒子产生的，这时不发光，称暗流。a b 段，当所加电压超过起始电 压u 。时，棒板之间开始放电，有淡蓝色的光点，成为辉光放电，电压升高电流也 随之升高。当电压再升高时就进入刷状电晕放电阶段即b c 段，电流随电压的升高 继续升高，刷状电晕发出羽毛状白光。随后进入c d 段火花放电阶段，金属棒和金 属板之间基本上被火花连接了，但是火花是不连续的，这个阶段电压随着电流的 升高而降低。d 点之后为弧光放电，金属板和金属棒之间的空气完全被电离，构成 连续放电通道，此时的电流很大但是电压很小。 2 2受电弓离线 2 2 1受电弓离线的概念和基本特征 离线是指在电力机车运行中，受电弓与接触线机械脱开的情况【5 1 。离线是受流 质量恶化的重要特征之一，我们主要是用离线率来表示这一指标，其表示为： g ：弩1 0 0 ( 2 2 )g 2 竽枷o ( 2 2 ) 其中丁表示被测区时间，而瓦表示的是被测区间内发生离线的总时间。当 弓网之间发生离线时，一般会伴随以下四个现象： 6 ( 1 ) 发生离线时受电弓与接触线之间的电阻变大： ( 2 ) 发生离线时受电弓与接触网之间的压力减小： ( 3 ) 离线时将会有高频电磁产生： ( 4 ) 发生离线时测量用受电弓与接触导线间产生火花，且火花电流变化陡峭： 2 2 2受电弓离线特点介绍 在正常状态下，气体具有良好的绝缘性能。但当在气体间隙的两端加上足够 大的电场时，就可以引起电流通过气体，就是通常我们所说的“气体击穿”，这种 现象称为气体放电【6 】【7 1 。影响气体放电的因素很复杂，参照上面关于气体放电的介 绍。 当机车高速运行时，机车通过其顶部的受电弓从高压接触导线获取所需要的 电流，当二者良好接触时，两者的电压相等。但在两者分离的瞬间，两者之间的 电压差急剧增加，从而使得他们之间的气体发生“击穿”现象，从而引起气体放 电现象。放电现象发生时，在电极最近处空气中的正负离子被电场加速，在移动 的过程中与其它空气分子碰撞产生新的离子，这种离子大量增加的现象我们称之 为“电离”。空气发生电离时，温度急剧上升，同时以弧光的形式发射出能量，这 就是我们要检测的“电弧”。产生这种弧光一般并不需要很大的电压，他是属于一 种属于低电压大电流的放电。 2 2 3离线产生的危害 当弓网之间发生离线时，对机车的安全运行的危害将会是非常大的，他主要 体现在以下几个方面 ( 1 ) 造成电力机车的不稳定运行 ( 2 ) 引起接触线和受电弓滑板的 ( 3 ) 产生无线电杂音干扰： ( 4 ) 使牵引电动机整流条件恶化 ( 5 ) 在主电路中引起过电压现象 除了以上几种危害之外，当产生离线电弧的时候还会产生其他比较严重的危 害，如电弧产生的磨耗造成接触线和受电弓滑板的凹凸不平，使接收电流不规则 地分布在接触表面，因而在接触表面发生过热点和小的熔接现象等。 7 2 3电分相 在图1 1 中的1 0 已经提到过相分段，简单介绍了相分段的作用，在平时我们 通常把相分段也成为中性段，分相区，电分相等。 在铁路第5 次，第6 次提速前，电分相一般由分相绝缘器实行，分相绝缘器 通常设置在牵引变电所，分区亭，开闭所等处，它不仅承受接触网上不同相位的 电压，还起到了机械连接作用。其弊端在于列车运行过程中，机车必须降弓减速 通过分相，所以大大影响了电力机车的重载、高速甚至是行车安全，而且为司机 的操作带来很大的难度，如果稍有疏忽，误操作就会引起拉弧，烧伤分相绝缘器 等事故。随着铁路大提速的实施，这种分相绝缘器已经远远不能满足机车运行的 需要。 后来我国开始采用锚段关节式电分相，最早出现在广深高速铁路，其技术已 经日趋成熟。从弓网关系分析，采用锚段关节式电分相可以满足时速2 0 0 l ( n l 以上 接触网系统的要求。 图2 3 电分相区示意图 f i g u 佗2 3p h a b r e a l ( s c h e m a t i c 在单向交流牵引供电系统中，为了平衡电力系统的a ，b ，c 各相负荷，一般采 用a ，b 相轮流供电。图二中，a 和b 段分别表示a 相位和b 相位两种不同相位的供 电区间，c 段则表示分相区，在实际的牵引供电系统中，每2 5 3 0 k m 就设一处电分 相，每一个分相区有3 5 0 m 左右，分相区有一段中性无电区域，机车首先由a 段供 电区间供电，在通过中性无电区时，需要提前断开主断路器滑行进入中性无电区， 通过中性无电区后闭合主断路器由b 段供电区间供电。在动车组使用双弓的情况 下，动车组的长度大于中性段的长度，此时如果司机误操作，带电进入分相区， 就会造成烧毁接触网，甚至威胁到动车组的行驶安全。 以七跨锚段关节式电分相为例，利用2 个绝缘锚段关节重合1 跨，增加一个7 跨分相锚段组成。 8 图2 4 七跨锚段关节式电分相 f i g u r e2 4s e v e nc m s s s t i o na n i c u l a 钯d 锄c h o rp h 签eb r e a l 【s c h e m a t i c 2 4升降受电弓 动车组行驶中一般采用单弓受流，在启动、停车、换向或者遇到其他特殊情 况时会对受电弓进行升降操作。 升弓是指升起受电弓使之从接触网受流，降弓是指降下受电弓使之与接触网 分离断开受流关系。在升弓和降弓的过程中，受电弓和接触网之间同样会产生拉 弧，打火花的现象，原理与受电弓离线相同。 2 5 电感负载切断时产生的瞬变噪声 在带有电感负载的一个简单回路里面，当突然开启开关时，在开关的两触点 间将产生放电现象h 3 。 s 上 t l 一一j l c 图2 5 电感负载回路不葸图 f i g u 陀2 5i n d u c t i v el o a dc i r c u i ts c h e m a t i c 图中s 位开关，l 为电感线圈的电感，r 为等效电阻，c 为等效分布电容。当 开关s 的触点放松即将离开但仍有接触时，由于触点间的接触面积大大减小，接 触电阻增加，电流的耗散功率产生高温使触点金属气化。当触点刚一离开，电流 为零的瞬间，电感产生反向电动式，此时反向电动式的值为 9 u ，：一三堕 出 ( 2 3 ) 通过电阻r 向分布电容c 充电。在开关触点间隙两端，分布电容的电压与电源电 压共同作用，在达到弧光放电起始电压值时，触点间出现拉弧。此时分布电容c 向供电回路放电。触点间距在不断的增加的同时，触点间的电压差也在减小，直 到不能满足弧光放电条件，电弧熄灭，此时如再拉弧放电不再是由于金属的气化 的电离，而是由于电离了气体分子造成的。电感l 又向分布电容c 充电，至重新 达到拉弧放电的条件，开始下一轮的弧光放电。 当受电弓在接触网上滑行时发生离线或者通过电分相绝缘点时产生强烈的火 花放电现象，其原理与上述分析相似。 2 6动车组列控系统 车载设备中，敏感设备包括很多方面，我们最关心也是最重要的部分是列控 系统。 动车组列控系统包括g s m r 系统及信息系统等，其中g s m _ r 系统及信息系统 是列车正常调度，正常运行和安全监督的重要保障，若其受到骚扰信号的骚扰不 能正常运作，则会危及到列车的正常行驶甚至是乘客的人身财产安全。分析无线 通信系统以及信息系统受到噪声的程度，首先应该对系统有初步的了解。 g s m r 系统按通信业务可以分为话音业务和数据业务，按照功能需求又可以分 为列车调度指挥、列车运行控制、列车运行安全监控等移动通信，应急通信，区 间、站场移动通信，公务移动通信，站场调车通信，静止图像传输，旅客服务信 息传送以及动态图像传输。由于线路，站场作业模式不同，因此无线通信业务的 要求也不尽相同。 现阶段的g s m r 根据g s m r 在欧洲铁路的发展与建设经验，结合我国在青藏、 大秦、和胶济线g s m r 工程经验，g s m r 系统在功能上可以代替列车无线调度通信 系统，4 5 0 删z 数传电台、区间通话柱、区间无线常规对讲系统、8 0 0 删z 数据通信 系统，同时还可以提供2 4 g h z 宽带无线数据传输业务等。 l o 3 受电弓离线产生电磁骚扰分析仿真 3 1单次火花放电 在第2 章中介绍过受电弓离线的基本知识，当受电弓离线时产生火花放电现 象伴随向外辐射电磁波，引起电磁骚扰。本章节来分析和仿真这种方式产生的电 磁骚扰。 在受电弓离线产生的气体放电现象主要包括火花放电和弧光放电两个阶段， 在这两个阶段中，电磁噪声主要来自于火花放电阶段，弧光放电阶段虽然电流很 大，但电弧的阻抗很低所以产生的噪声也较小【引。 首先，根据经典理论分析计算火花放电的等级。 在汤森德( t o w n s e n d ) 气体放电理论提出了气体自持条件公式： 血= y k 驴一1 j ( 3 1 ) 放电由非自持转入自持的条件，即气隙击穿的条件为 y k 4 “一1 j 1 ( 3 2 ) 放电自持条件为y k 驴5 1 ) = 1 。 上式中口电离系数表示一个电子沿着电场方向行经l c m 长度，与气体分子发 生碰撞所产生的自由电子数；，电离系数表示一个正离子碰撞到阴极表面时使阴极 金属表面平均释放出的自由电子数；s 表示气隙长度即电极间距离。 根据自持放电条件推导出击穿电压，假设电子在均匀电场中行经距离x 没有发 生碰撞，电子从电场中所获得的能量为p ，如果电子能够引起碰撞电离，则必须 满足条件 e 戥形或者及阢( 3 3 ) 只有那些自由行程超过t = 阢e 的电子，才能与分子发生碰撞电离。若电子的平 均自由行程为屯，自由行程大于x ，的概率为 p 一五阮 ( 3 4 ) 在1 c m 的长度内，一个电子的平均碰撞次数是l 屯。p 一葺他是一个电子自 由行程超过x ，而发生的碰撞次数，即碰撞电离次数。 。 根据系数口定义，有口：p 考：p 去，：彳万，并令彳u ，：b ，可得 a c e e 兰 口= 么万幸p e ( 3 5 ) s o ， 】o 5 鼍 曩 苦 1 a5 仉lo slsm的i 5 】妒 汹- 1 3 暑 图3 1 击穿电压与6 木s 的规律 f i g u r e3 1r e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nd i s c h a 噼v o l t a g e 锄d 万幸s 距离很小即在气体稀薄时，虽然电子的自由行程大，可以得到足够的动能， 提供给碰撞，但是碰撞总数少，所以击穿电压升高；距离增加即气体增加时，电 子自由程变小，得到的动能减小，所以击穿电压升高。 在标准大气状态条件下1 0 1 3 k p a ，t 一2 9 3 k _ 2 0 ) 假设受电弓离线在1 1 0 c m 范围内，空气间隙的击穿电压一般可以利用经验公式： = 2 4 5 5 d + 6 6 6 万( 3 1 4 ) 单位为l ( v ，d 的单位为c m ，击穿电压大约为3 0 k 、m 。 3 2多次火花放电 动车组的实际运行中，由于受电弓与接触网的分离造成的火花放电不是单次 出现的。当受电弓与接触网分离，空气间隙的端电压随着接触网工频电压变化到 击穿电压巩时，发生火花放电，形成电弧连接的电流通路。当该工频电流减小至 零点附近时，电弧熄灭，受电弓与接触网再次变为高阻状态；然后工频电流负半 周增加，当空气间隙又达到击穿电压时，重复上述现象，直到受电弓与接触网恢 复良好接触为止。 首个火花放电现象的发生时刻与受电弓离线时的电压条件有关：如果离线时 刻发生在受电弓与接触网的电压高于空气间隙的击穿电压时，则首次火花放电现 象即刻发生；如果该时刻受电弓与接触网的电压低于空气间隙的击穿电压，就会 出现短暂的断流现象，然后随着工频电压的变化弓网间达到击穿电压时发生首次 火花放电现象。 3 3受电弓离线骚扰 发生受电弓离线火花放电时，受电弓和接触网之间的电流变化陡峭，此时受 电弓和接触网间的电流可以视为一个电流源，此电流源的特性除了跟放电电压有 关，放电时的其他条件如回路的阻抗特性的不同都会影响到放电电流的上升沿时 间、衰减常数，使之发生变化。此时电流源两端分别连接受电弓和接触网，此时 受电弓和接触网可以视为天线的两端，这样他们作为天线向外辐射电磁波，另一 方面，受电弓以及受电弓连接的变压器、变流器等和接触网都会带有变化陡峭的 电流。 实际行驶过程中，一次离线过程中的放电频率大概在1 0 0 h z 左右，是因为随 着工频电压的波动，过零点时放电电弧会熄灭，之后当达到放电电压时会再次起 弧放电。 火花放电所产生的噪声频谱很宽，可以从数十k h z 到上g h z ，单次的火花放电 很容易在实验室中实现【9 1 。对单次火花放电的噪声进行高速采样( 5 g s p s ) 后进行谱 分析可知，其能量主要集中在1 o 频率附近( o 为放电脉冲的特征宽度) ，约数百 姗z 到1 g h z 。 h ，。 r 图3 2 典型的火花放电波形 f i g u r e3 2t y p i c 赳s p a r kd i s c h a r g e ，2 l v e f 0 i l ” ”。 “ 爱缓。一l 。，。一 图3 3 归一化频域分析 f i g u 秆e3 3n 0 n i l a l i z e ds p e c 臼u m 图3 2 为在距离接触线3 米处用电场探头与存储示波器测得波形，探头和示 波器之间利用2 0 米的同轴电缆连接，在示波器信号输入端接2 0 d b 衰减器，电缆 屏蔽层不接地，示波器通过电源地线接地，示波器输入阻抗5 0 q ， d c 耦合。电 1 4 场探头系数为6 0 d b 。 图3 3 为测量到的火花隙电磁噪声归一化功率谱分布。 由图3 2 可知，噪声波形实际上是一系列的衰减振荡的电脉冲，其脉冲的上 升沿在n s 的数量级上，振荡的持续时间约为十几到几十n s 。 由图3 3 可知，噪声的频谱在2 g h z 之后基本上是平坦的，噪声的能量主要集 中在3 0 0 姗z 到1 5 g h z 之间。最大的能量在1 1 g h z 到1 5 g h z 左右。 结合2 5 节中提到的g s m r 服务，我们所关注的频段在4 5 0 删z 、8 0 0 姗z 和 2 4 g h z 。根据噪声的频谱分析可以看出在相比较而言8 0 0 】岍z 的骚扰最大，即把这 个频段内的本底噪声抬高，使得信噪比降低，从而影响到数据信息的传输。 在实际动车组运行过程中，发生火花放电时，与受电弓相连接的主断路器( v c b ) 处于闭合状态，即火花放电产生的变化陡峭的电流直接输入到主变压器。 当放电脉冲进入变压器后，变压器对与脉冲的响应是我们想要了解的。 我们可以采用数值模拟的方法进行定量分析。基于传输线的行波理论，变压 器的线圈可以被等效成为分布参数的传输线等效模型，进而用数值仿真技术可以 很方便地沿线绕组上的瞬态电压分布【l o 】【l l 】。 本节采用有限元法( f e m ) ，有限元法是将微分、积分方程转化为矩阵方程来 求解的数字技术。有限元法的主要特点是可以利用任意形状的小单元来描述问题 中的复杂几何形状和复杂媒质分布。有限元法已经成功的应用于静态和准静态电 磁场的建模与分析，在电磁干扰电磁兼容( e m i e m c ) 建模中，可以使用拉普拉 斯方程和泊松方程解决各种静态问题。 当脉冲信号进入到变压器的线圈时，由于线圈绕组之间存在等效电容，使得 电磁波在传输过程当中会发生色散现象，即缈= v ；七2 ( 1 + 七2 镌) 。在色散传输线 中，当厶 0 时波形色散现象加剧且波形在传播过程中发生变化。为了使问题简 化，忽略其中的损耗和非线性电感。因此，对于无损耗的色散波传播过程可以描 述为图3 4 i 图3 4 色散传输线的单元模型 f i g u 佗3 4d i s p e r s i v e 仃孤s m i s s i o nl i n ee l e m e n tm o d e l 图中上= 厶缸，c l = g 缸，c 2 = c o 缸 粤一v ；鲁一乃黑：o ( 3 1 5 ) 萨一嘭爵一石丽2 0 ) 式中v j = 1 厶c 。，q 和c 0 分别为盘状高压线圈的线圈饼之间和线圈饼对地 的电容，乃= g c o 。 当c 。jo ，式3 1 4 中的第三项磊趋近于零，并且初始波形在传输过程中并 不改变。从而变成众所周知的均匀介质中的波动方程。然而当如( 等离子物理中 被称为d e b y e 屏蔽长度即任意电荷的电场所能作用的距离) 大于零时，电磁波在 传播的过程中被严重地色散，波形也在传播过程中不断的改变【1 2 】【1 3 】。采用伽略金 ( g a l e r k i n ) 有限元法，对于一维无损色散传输线，式3 1 4 可以用伽略金有限元 法中所采用的泛函表示为【1 4 】： = 甄害叫窘一乃袅卜= 。 旧 式中，是形状函数，对应的单个元素的矩阵方程是 e “”+ v ；s 。“+ 乃s 。“。= o 式中m ”表示电压与时间有关的二次导数，蟛和s 。为： 峥筇习 难出一1 ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) 式中，。是元素的长度。把所有的单元元素的矩阵方程组合在一起，得到下面 的系统矩阵方程 必“。+ v ；黜+ 乃鼬”= o ( 3 2 0 ) 模型中，在脉冲激励下的高压变压器的低压绕组的两端和变压器铁芯均看做 接地。期高压绕组由一系列的饼式线圈构成，为了使复杂的三维空间的变压器模 型简化，通常采用一维色散传输线模型来表述。 正主j 竺耍：至：主王： i 一 ! l 一- z 二工上一 图3 5 变压器绕组的一维色散传输线模型 f i g u r e3 5t r a n s f o 舯e rw i n d i n g o n e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f d i s p e r s i v e 胁s m i s s i o nl i n e 1 6 图中三= 厶出，c l = g 缸，c 2 = c o 出 u ：u + 掣出 ( 3 2 1 ) c f = f + 要次( 3 2 2 ) i = z + 出1 3 = z z ) c 为了创建传输线模型，绕组通常可以再细分为许多部分，图3 5 中忽略了等 效电阻，每个单元包括了电感，匝间以及对地电容。等效电路模型中分布电容和 电感的值通过静态条件下有限元计算参数的技术可事先获得。每一个传输线部分 的互感包含在三中。对于均匀绕组结构和各向同性介质，时域中的波过程可以用 式( 3 2 3 ) “。+ ，；s 。“+ 乃s 。“”= 厂o )( 3 2 3 ) 对于这样的问题可以使用n e 咖a r k p 法来解决。 3 3 1n e w m a d ( _ b 法简介 n e 砌a r k p 法是用来解决时域有限元的矩阵方程问题的常用方法之一。在迭 代过程中，n e 硼a r k b 法可用于解决每一个步进递增的问题。在计算时必须给定 初始条件： “b ，o ，o = 口 ( 3 2 4 ) 仇g ，f ) 国九却= 6 ( 3 2 5 ) 然后指定起始时间f ，和终止时间确定时间步长和p 值。经过时间迭代即 可算出空间某一点在某个时间瞬间变量的幅值。这种方法再加上适当的参数，可 以产生无条件稳定的系统且具有二阶精度。这就允许时间步进的选择只考虑得到 精确的精度而不用受稳定性评估的约束。但时间步进与网格的划分对计算的精度 有很大的影响。 使用n e w m a r k p 法，无条件的稳定可以通过给定的内插参数 1 4 允来得到， 这样可使结果中的误差最小。同时还发现，当址州c 时，可以得到精确解，其中 的c 是光速，五是频率响应的最小波长。 3 3 2 计算分布参数方法研究 首先利用有限元法计算软件，对变压器的分布参数进行计算。 1 7 分布电容的计算一般是基于能量法【1 5 】，就是假设线段电压分布是均匀的，分 布电容储存的静态能量等于绕组匝间分布电容和线饼间分布电容静态能量的总和。 在出现过电压时，可能会危及到匝间的绝缘，同时分布电容也会对周围的电子器 件产生骚扰。 几何电容计算分为：1 、电容耦合面为同心圆的径向几何电容计算，如圆筒内 绕组对铁芯间电容等；2 、电容耦合面为平板的轴向几何电容计算，如绕组匝间电 容和线饼间电容等；3 、电容耦合面不规则的电容计算，应尽量等效为同心圆或者 平板电容进行计算。 巳= 焉 ( 3 2 6 ) 巳：单 ( 3 2 7 ) 口j 2 上式中第一个适用于耦合面是同心圆的情况，第二个适用于耦合面是平板的 情况。 绕组分布电容的计算，由于绕组的结构形式不同，可以分为饼式绕组的分布 电容计算和层式绕组的分布电容计算。 饼式绕组包括连续式、纠结式等。各绕法任意单元分布电容的计算可以利用 下式： q = 墨c + 髟q( 3 2 8 ) 其中c ，、o 、k 、髟是匝间和饼间的几何电容及折算系数。若绕组有多个 单元组成，那么整个绕组分布电容数值上大约是各个部分电容g 的串联。 层式绕组的分布电容计算公式： t = 专木木手 ( 3 2 9 ) 。 = j t 其中s 是绕组层数；c 。是绕组层间距为d 时的几何电容；以是第七层和第七+ 1 层之间的绝缘层间距，式中将油道的厚度考虑进去；而d 是除油道外的其它层间 距，如果没有油道设置，两式中的求和部分就等于s 一1 。 1 8 xx a u il | xxa 纸砺 ( t )( b 图3 6 绕组电位分布图 f i g u r c3 6p 0 t e n t i a ld i s t r i b u t i o no f w i n d i n g 上图为绕组点位的分布，两个绕组工作电压分别为u ，和以，其间等高耦合面 分别为p 、p + g 和，z 、聊+ ，z i l 6 】，图3 6 中a 和b 的区别在于绕线电压升高的方向 相反，虽然几何电容c 1 ，相等，但是电容存储的静态能量有细微的差别，把这部分 的能量折算到绕组2 中，就等效于增加了一个等值分布电容c ，然后我们得到下 式： q 。= 嘉胁2 3 + 朋，z + 力2 ) 一晒6 + 聊g 2 + 印2 + 叼) b ： ( 3 3 0 ) u 2 t ，= 嘉2 3 + 加以+ 门2 ) 一晒3 + m g 2 + 印2 + w 壮。： ( 3 3 1 ) 当然也可以折算到绕组1 ，得出下式： c ：= 嘉k 2 3 + 历，z + ，z 2 ) 一6 + 嗍2 + 印2 + 砚g 煅： ( 3 3 2 )