李希煒，朱 峰

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

1 概述

電氣化鐵路快速發(fā)展的同時(shí)也存在諸多問(wèn)題，其造成的電磁干擾便是其中之一。弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧產(chǎn)生的電磁干擾是電氣化鐵路電磁干擾的主要成分之一。由于高速鐵路線(xiàn)路的不平順、列車(chē)運(yùn)行速度變快等原因，這種電磁干擾在列車(chē)運(yùn)行時(shí)普遍存在，對(duì)高速列車(chē)電子電力設(shè)備，通信設(shè)備都產(chǎn)生了影響，形成安全隱患［1-2］。因此，有必要對(duì)弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行研究。

目前已有很多關(guān)于弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧電磁干擾的研究。文獻(xiàn)［3-4］采用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行研究，文獻(xiàn)［5-6］利用仿真建模來(lái)模擬弓網(wǎng)電弧電磁影響，文獻(xiàn)［7-8］中的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中搭建了弓網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用以研究不同因素對(duì)弓網(wǎng)電弧的影響。但是大多未對(duì)目前速度大幅提升的高速鐵路進(jìn)行實(shí)地測(cè)試研究。為此，在武廣高速鐵路電分相處進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，獲取弓網(wǎng)電弧電磁干擾的頻譜，研究其幅頻譜特性，為進(jìn)一步評(píng)估弓網(wǎng)電弧電磁干擾對(duì)高速列車(chē)的影響提供依據(jù)。

2 測(cè)試設(shè)置

2.1 測(cè)試地點(diǎn)選取

弓網(wǎng)電弧是由于列車(chē)運(yùn)行時(shí)，受電弓與接觸網(wǎng)在相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)中分離而產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象［9］。其產(chǎn)生與接觸線(xiàn)不平順、接觸網(wǎng)振動(dòng)、受電弓振動(dòng)、軌道不平順等多方面因素相關(guān)［10，11］，為幾率性事件。因此，沿線(xiàn)測(cè)試時(shí)選擇一個(gè)穩(wěn)定產(chǎn)生電弧的測(cè)試點(diǎn)非常重要。本次測(cè)試選擇地點(diǎn)為武廣高速鐵路咸寧段電分相處。這是由于在電分相處，高速列車(chē)將進(jìn)行換相(車(chē)載過(guò)分相)，在接觸弓距離中性段100 m開(kāi)外，通過(guò)地面?zhèn)鞲衅鲗?shí)行預(yù)斷，再進(jìn)一步實(shí)行主斷路器斷開(kāi)，如圖1所示。盡管受電弓在換相過(guò)程中一直與接觸網(wǎng)保持接觸狀態(tài)，但是弓網(wǎng)的電接觸狀態(tài)發(fā)生了改變，從“有電”到“無(wú)電”，再?gòu)摹盁o(wú)電”到“有電”，這種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，發(fā)生過(guò)電壓現(xiàn)象［12］，必定產(chǎn)生電弧。因此選取電分相處進(jìn)行沿線(xiàn)測(cè)試，可以盡可能多的采集數(shù)據(jù)。

圖1 列車(chē)過(guò)分相示意(單位:m)

2.2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置

測(cè)試地點(diǎn):在武廣高速鐵路群力變電所電分相處，距離軌中心15 m處，如圖2所示。結(jié)果將用GB/T 24338—2［13］中的規(guī)定轉(zhuǎn)換為10 m法標(biāo)準(zhǔn)值。

測(cè)試使用德國(guó) R＆S公司的接收機(jī)(R＆SESCI3)，其掃描范圍為9 kHz～3 GHz，測(cè)試天線(xiàn)使用R＆S公司的雙錐天線(xiàn)HK116(測(cè)試頻率范圍30～300 MHz)及對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)HL223(測(cè)試頻率范圍300 MHz～2 GHz)。天線(xiàn)采用垂直極化方式，如圖3所示。接收機(jī)使用頻譜掃描模式，檢波方式為峰值檢波，數(shù)據(jù)記錄為峰值保持模式。

圖2 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置(單位:m)

2.3 測(cè)試帶寬設(shè)置

在進(jìn)行實(shí)地測(cè)試時(shí)，接收機(jī)的分辨率帶寬(RBW)非常關(guān)鍵，這個(gè)數(shù)值的大小關(guān)系到掃描時(shí)間的快慢和采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否。GB/T 24338—2推薦在測(cè)試頻率范圍為30～300 MHz及300 MHz～1 GHz時(shí)RBW都設(shè)置為120 kHz。

圖3 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

在高速鐵路沿線(xiàn)實(shí)測(cè)之前，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)頻譜儀RBW與掃描時(shí)間及測(cè)試結(jié)果的關(guān)系進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。表1為頻譜儀掃描時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 RBW與掃描時(shí)間關(guān)系

武廣高速鐵路平均速度達(dá)到了280 km/h，受電弓經(jīng)過(guò)放電點(diǎn)的時(shí)間為300 ms左右。試驗(yàn)結(jié)果顯示，如果按照GB/T 24338—2的推薦RBW進(jìn)行設(shè)置，測(cè)試時(shí)間將大大超過(guò)受電弓通過(guò)無(wú)電區(qū)的時(shí)間，接收機(jī)將無(wú)法在列車(chē)通過(guò)時(shí)間內(nèi)有效地捕捉干擾。

但是RBW的改變會(huì)使接收機(jī)采集到的數(shù)據(jù)變化，為了對(duì)比不同RBW之間的測(cè)試結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室做了對(duì)比試驗(yàn)。通過(guò)天線(xiàn)用接收機(jī)接收信號(hào)源發(fā)射的信號(hào)，設(shè)置不同的RBW進(jìn)行掃描，對(duì)比獲得的數(shù)據(jù)。圖4為RBW設(shè)置為120 kHz時(shí)的測(cè)試結(jié)果，圖5為300 kHz時(shí)的結(jié)果，掃描頻率范圍都為30～300 MHz?？梢钥闯?，兩種帶寬測(cè)試的結(jié)果波形沒(méi)有差別，300 kHz下的測(cè)試結(jié)果與120 kHz的對(duì)比，底噪值的大小區(qū)別較為明顯，差別在10 dBμV左右;但是峰值則幾乎沒(méi)有差別，50 MHz處的信號(hào)峰值測(cè)試結(jié)果都為90 dBμV。圖6，圖7為300 MHz～1 GHz頻段，RBW為120 kHz及1 MHz時(shí)的對(duì)比結(jié)果，底噪相差10 dBμV，400 MHz處的信號(hào)峰值測(cè)試結(jié)果都為94 dBμV，600 MHz處的信號(hào)峰值測(cè)試結(jié)果都為84 dBμV，結(jié)果與30～300 MHz時(shí)的情況相同。

由于實(shí)地測(cè)試時(shí)，車(chē)速快，時(shí)間短，弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁干擾瞬發(fā)且無(wú)規(guī)律，并且本次測(cè)試目標(biāo)是獲得干擾的最大值，所以接收機(jī)RBW的設(shè)置使用300 kHz(30～300 MHz)、1 MHz(300 MHz～1 GHz)。

圖4 30～300 MHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測(cè)試結(jié)果

圖5 30～300 MHz，RBW=300 kHz電磁噪聲測(cè)試結(jié)果

圖6 300 MHz～1 GHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測(cè)試結(jié)果

圖7 300 MHz～1 GHz，RBW=1 MHz電磁噪聲測(cè)試結(jié)果

測(cè)試時(shí)將首先采集背景頻譜信號(hào)，在列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)采集離線(xiàn)電弧電磁干擾頻譜。一個(gè)頻段的測(cè)試重復(fù)多次，以求獲得電磁干擾的普遍特性。

3 測(cè)試結(jié)果與分析

在30～300 MHz這個(gè)頻段，干擾普遍存在，但在30～200 MHz較為密集，多次測(cè)試結(jié)果顯示每次每個(gè)頻點(diǎn)都有干擾出現(xiàn);而在200～300 MHz較為稀疏，一些頻點(diǎn)的干擾在一次測(cè)試中出現(xiàn)了，且幅度較大，而在下一次測(cè)試中則沒(méi)有(或者幅值較小)，這一段的電磁干擾的出現(xiàn)具有偶發(fā)性。此外，30～100 MHz的干擾普遍較強(qiáng)，最大的幅值達(dá)到了86 dBμV，而100～300 MHz的干擾幅值普遍在50～60 dBμV之間。如圖8所示。

圖8 30～300 MHz典型頻譜

在300 MHz～1 GHz，在876～880 MHz和921～925 MHz有持續(xù)的尖峰出現(xiàn)，幅值最高達(dá)到了100 dBμV，這個(gè)強(qiáng)烈的信號(hào)是GSM－R通訊信號(hào)。而在300～400 MHz，電磁干擾頻繁出現(xiàn)，幅值在55～70 dBμV。在多次測(cè)試的結(jié)果之中，僅有一次在400～600 MHz出現(xiàn)了強(qiáng)烈的干擾，幅值在60～68 dBμV。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，對(duì)這個(gè)頻段進(jìn)行了多次的測(cè)試，但再未出現(xiàn)類(lèi)似的干擾。

針對(duì)300～400 MHz這個(gè)干擾的高發(fā)頻段進(jìn)行了多次測(cè)試。結(jié)果顯示，在這個(gè)頻段，雖然干擾普遍存在，電磁干擾出現(xiàn)的頻點(diǎn)及其幅值偶發(fā)性都極強(qiáng)。如圖9及圖10顯示，在一次測(cè)試中，干擾集中在300～350 MHz且幅值較大，而在下一次測(cè)試中，300～350 MHz的干擾幅值較小，350～400 MHz出現(xiàn)了幅值較大的干擾。在300～400 MHz這個(gè)頻段，干擾幅值最大達(dá)到了68 dBμV，但是并未出現(xiàn)在固定頻點(diǎn)。

圖9 300～400 MHz典型頻譜(一)

圖10 300～400 MHz典型頻譜(二)

4 結(jié)論

本文研究了接收機(jī)RBW對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，獲得了最適宜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的RBW設(shè)置數(shù)值，即30～300 MHz設(shè)置為300 kHz，300 MHz～1 GHz設(shè)置為1 MHz。通過(guò)實(shí)地測(cè)試，獲得了干擾的頻譜數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧的電磁干擾獲得了以下3點(diǎn)結(jié)論。

(1)弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧電磁干擾，其分布頻率主要在30 ～400 MHz。

(2)在30～200 MHz，干擾是一直存在的，且在30～100 MHz干擾較強(qiáng)。

(3)在200～400 MHz，干擾出現(xiàn)的頻率及幅值具有偶發(fā)性。

這些認(rèn)識(shí)可以為進(jìn)一步評(píng)估弓網(wǎng)電弧電磁干擾對(duì)高速列車(chē)的影響提供依據(jù)。

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