郭鳳儀 王喜利 王智勇 王 丹 王寶巍

弓網(wǎng)離線接觸電流總諧波畸變率的實(shí)驗(yàn)研究

郭鳳儀 王喜利 王智勇 王 丹 王寶巍

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院 遼寧 葫蘆島 125105）

受電弓與接觸網(wǎng)（弓網(wǎng)）是電氣化鐵路中牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，弓網(wǎng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生離線現(xiàn)象，弓網(wǎng)離線會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的電磁噪聲問(wèn)題。利用弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了不同條件下的弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)，分析了弓網(wǎng)離線狀態(tài)下接觸電流的頻域特性。采用接觸電流總諧波畸變率來(lái)表征弓網(wǎng)離線的傳導(dǎo)電磁噪聲特性，獲得了接觸電流總諧波畸變率與回流電流、接觸壓力和滑動(dòng)速度之間的變化關(guān)系，建立了有效的接觸電流總諧波畸變率數(shù)學(xué)模型，為深入研究弓網(wǎng)離線傳導(dǎo)電磁噪聲提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

弓網(wǎng)離線 傳導(dǎo)電磁噪聲 總諧波畸變率 電磁兼容

1 引言

受電弓與接觸網(wǎng)（弓網(wǎng)）是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，電力機(jī)車通過(guò)安裝于受電弓上的滑板從接觸網(wǎng)取得電能。在電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中，接觸網(wǎng)導(dǎo)線不平順、接觸網(wǎng)振動(dòng)等多種因素導(dǎo)致的滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線短時(shí)分離的現(xiàn)象，稱為弓網(wǎng)離線。弓網(wǎng)離線會(huì)產(chǎn)生電弧放電并帶來(lái)嚴(yán)重的電磁噪聲問(wèn)題，弓網(wǎng)離線引起的電磁噪聲已成為制約高速鐵路發(fā)展的重要因素之一[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在弓網(wǎng)離線電磁噪聲研究方面做了大量的工作[4-9]。陳嵩[10]、張向明[11]等研究了弓網(wǎng)離線電磁噪聲的幅度概率分布特性，分析了弓網(wǎng)離線電磁噪聲對(duì)鐵路GSM-R通信系統(tǒng)的影響。這些大多都是研究弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的輻射電磁噪聲，關(guān)于弓網(wǎng)離線傳導(dǎo)電磁噪聲的研究，側(cè)重于分析弓網(wǎng)離線電弧的過(guò)電壓?jiǎn)栴}，針對(duì)弓網(wǎng)離線接觸電流的研究還很少見(jiàn)[5]。

本文研制了一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了不同條件下的弓網(wǎng)離線實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了弓網(wǎng)離線狀態(tài)下接觸電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。從諧波的角度分析了弓網(wǎng)離線狀態(tài)下接觸電流畸變產(chǎn)生的傳導(dǎo)電磁噪聲，研究了接觸電流總諧波畸變率的特性規(guī)律，建立了接觸電流總諧波畸變率的數(shù)學(xué)模型。

2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方案

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)利用弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成，通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的弓網(wǎng)電弧發(fā)生器實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)離線。

弓網(wǎng)電弧發(fā)生器是在原有的滑動(dòng)電接觸實(shí)驗(yàn)裝置[12-13]的基礎(chǔ)上添加弓網(wǎng)離線控制模塊改制而成，不僅可以模擬接觸導(dǎo)線與滑板的“之”字形運(yùn)行軌跡，還能夠?qū)崿F(xiàn)接觸導(dǎo)線與滑板之間的離線控制功能，實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)電弧發(fā)生器實(shí)物圖Fig.1 The picture of pantograh arc generator

如圖2所示，弓網(wǎng)離線控制模塊是由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、位移滑塊、壓力傳感器、彈簧、滑板組成，其離線控制主要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)和可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)的滾珠絲杠之間的配合來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的左旋轉(zhuǎn)和右旋轉(zhuǎn)驅(qū)使位移滑塊，進(jìn)而控制滑板的前進(jìn)和后退，實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)和離線的控制。

圖2 弓網(wǎng)離線控制模塊工作原理Fig.2 Principle of the off-line control module

實(shí)驗(yàn)利用NI PCI-6251型數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集接觸壓力、接觸溫度、滑動(dòng)速度、滑板往復(fù)移動(dòng)速率、接觸電壓和接觸電流等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、分析與存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10kHz。

2.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)中用到的接觸導(dǎo)線材料為純銅，截面積為120mm2，硬度為96.2HBS?；宀牧蠟榻饘偬?，其化學(xué)成份和性能參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

表1 滑板材料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of slide material(Wt.%)

表2 滑板材料性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of slide material

2.3實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)旨在研究不同條件下弓網(wǎng)離線時(shí)接觸電流的畸變情況。通過(guò)控制接觸壓力、滑動(dòng)速度和接觸電流，以銅導(dǎo)線和浸金屬碳滑板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了64組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表3 實(shí)驗(yàn)條件Tab.3 Experimental conditions

3 傳導(dǎo)電磁噪聲測(cè)量與分析

3.1傳導(dǎo)電磁噪聲測(cè)量結(jié)果

圖3所示為系統(tǒng)未運(yùn)行時(shí)的接觸電流波形，從圖中可以看出波形未發(fā)生任何畸變。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，典型的電流波形如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)未運(yùn)行電流波形Fig.3 The current waveform of before running

圖4 弓網(wǎng)離線狀態(tài)下的接觸電流波形Fig.4 Current waveform under off-line state

從圖4可以看出，弓網(wǎng)離線狀態(tài)下接觸電流波形的正半周、負(fù)半周不再對(duì)稱，波形發(fā)生了畸變?；兊慕佑|電流會(huì)導(dǎo)致?tīng)恳儔浩鞯蔫F心飽和程度加劇、漏電感的參數(shù)發(fā)生改變[14]。

3.2弓網(wǎng)離線接觸電流傳導(dǎo)電磁噪聲的頻譜分析

本文利用快速傅立葉變換來(lái)分析弓網(wǎng)離線接觸電流的頻譜特性。

圖5、圖6為圖4所示弓網(wǎng)離線接觸電流經(jīng)傅立葉變換得到的頻譜。由圖5、圖6可知，弓網(wǎng)離線時(shí)的接觸電流含有豐富的直流分量、奇次諧波和偶次諧波，諧波的頻率范圍集中在1 000Hz以下，特別是500Hz以下的諧波較多。

圖5 弓網(wǎng)離線接觸電流的頻譜Fig.5 Contact current spectrum of Fig4(a)

圖6 圖4（b）中弓網(wǎng)離線接觸電流的頻譜Fig.6 Contact current spectrum of Fig4(b)

4 接觸電流的總諧波畸變率及其數(shù)學(xué)模型

4.1總諧波畸變率

從諧波角度研究弓網(wǎng)離線時(shí)接觸電流的傳導(dǎo)電磁噪聲，利用總諧波畸變率來(lái)反映接觸電流的畸變程度，即弓網(wǎng)離線時(shí)傳導(dǎo)電磁噪聲的強(qiáng)弱。

總諧波畸變率（THD），是用來(lái)表征波形相對(duì)正弦波畸變程度的性能參數(shù)，其定義為全部諧波含量均方根值與基波均方根值之比，即:

式中 I1——基波電流峰值；

Ih——各次諧波電流幅值；

Irms——電流有效值，

4.2接觸電流總諧波畸變與實(shí)驗(yàn)條件之間的關(guān)系

（1）接觸電流總諧波畸變率與滑動(dòng)速度、接觸壓力的關(guān)系

當(dāng)接觸電流給定值分別為100A、150A、200A、250A時(shí)，接觸電流總諧波畸變率隨接觸壓力、滑動(dòng)速度之間的變化關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知:1）接觸電流的總諧波畸變率隨滑動(dòng)速度的增加而呈現(xiàn)總體增大的變化趨勢(shì)。當(dāng)滑動(dòng)速度提高時(shí)，弓網(wǎng)系統(tǒng)的離線率增加，越容易產(chǎn)生間歇性的弓網(wǎng)電弧，弓網(wǎng)電弧時(shí)有時(shí)無(wú)，造成接觸電流波形畸變嚴(yán)重、總諧波畸變率變大。

圖7 不同接觸電流給定值時(shí)的接觸電流總諧波畸變率Fig.7 THD of contact current with different contact current given values

2）接觸電流的總諧波畸變率隨接觸壓力的增加而呈現(xiàn)總體減小的變化趨勢(shì)。增大接觸壓力，會(huì)使接觸線與滑板之間的正壓力變大，使弓網(wǎng)離線率下降，改善了受流效果，使接觸電流的總諧波畸變率下降。

（2）接觸電流總諧波畸變率與接觸壓力、接觸電流給定值的關(guān)系

當(dāng)滑動(dòng)速度分別為20km/h、25km/h、30km/h、40km/h時(shí)，接觸電流總諧波畸變率隨接觸壓力、接觸電流給定值之間的變化關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)接觸電流給定值不斷增加時(shí)，接觸電流的總諧波畸變率變化不大，雖有微小波動(dòng)，但總體有減小趨勢(shì)。隨著接觸電流的增加，弓網(wǎng)離線時(shí)產(chǎn)生的電弧的輸入功率增加，當(dāng)電弧的散熱功率沒(méi)變時(shí)，弓網(wǎng)電弧的穩(wěn)定性增強(qiáng)，一定程度上改善了受流效果，使接觸電流的總諧波畸變率下降。

4.3接觸電流總諧波畸變率的數(shù)學(xué)模型

利用測(cè)得的接觸電流波形數(shù)據(jù)，建立接觸電流總諧波畸變率數(shù)學(xué)模型的步驟如下:

（1）計(jì)算不同條件下弓網(wǎng)離線時(shí)接觸電流的總諧波畸變率。

（2）接觸電流總諧波畸變率分別與接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流給定值擬合進(jìn)行擬合計(jì)算，以擬合度最高、出現(xiàn)次數(shù)最多為原則，確定接觸電流總諧波畸變率與每一種單個(gè)實(shí)驗(yàn)因素之間的3個(gè)最優(yōu)擬合表達(dá)式。

（3）對(duì)接觸電流總諧波畸變率與每一種單個(gè)實(shí)驗(yàn)因素之間的3個(gè)最優(yōu)擬合表達(dá)式進(jìn)行全排列組合計(jì)算，共得到27組擬合表達(dá)式，以擬合度最高為原則，確定接觸電流總諧波畸變率與接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流給定值之間的最優(yōu)擬合表達(dá)式，從而得到接觸電流總諧波畸變率的數(shù)學(xué)模型。

在擬合計(jì)算時(shí)，通常采用擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量對(duì)擬合度進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文采用決定系數(shù)R2作為擬合優(yōu)度統(tǒng)計(jì)量來(lái)評(píng)價(jià)擬合效果。R2越接近1，說(shuō)明擬合度越高、擬合效果越好。

決定系數(shù)R2的表達(dá)式為:

圖8 不同滑動(dòng)速度時(shí)的接觸電流總諧波畸變率Fig.8 THD of contact current with different sliding speeds

式中 n——樣本的數(shù)量；

yi——實(shí)測(cè)值；

y——測(cè)值的平均數(shù)。經(jīng)擬合計(jì)算，得到接觸電流總諧波畸變率的數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為:

式中 x1——接觸壓力；

x2——接觸電流給定值；

x3——滑動(dòng)速度。

參數(shù)p1～p15的取值分別為:

擬合表達(dá)式（3）的決定系數(shù)為:R2=0.9644，擬合效果較好。

表4 不同條件的電流總諧波畸變率的實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值Tab.4 Experimental and predicted value of THD

表4為不同的接觸壓力、滑動(dòng)速度、接觸電流給定值條件下，接觸電流總諧波畸變率的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的對(duì)比。表4表明，接觸電流總諧波畸變率的實(shí)驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值基本一致，證明了模型的有效性。

5 結(jié)論

通過(guò)自行研制的弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)弓網(wǎng)離線時(shí)接觸電流的傳導(dǎo)電磁噪聲進(jìn)行了測(cè)量與分析，研究發(fā)現(xiàn):

（1）弓網(wǎng)離線將導(dǎo)致接觸電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生豐富的諧波分量。其中，接觸電流畸變波形中含有的直流分量，會(huì)加劇牽引變壓器的磁飽和，影響其漏感參數(shù)。

（2）為了揭示不同條件下弓網(wǎng)離線時(shí)接觸電流的傳導(dǎo)電磁噪聲特性，獲得了接觸電流總諧波畸變率與滑動(dòng)速度、接觸壓力、接觸電流給定值之間的變化關(guān)系。接觸電流總諧波畸變率，隨滑動(dòng)速度的增加而增大、隨接觸壓力的增加而減小、隨接觸電流給定值的增加而緩慢下降。

（3）采用擬合計(jì)算法建立了弓網(wǎng)離線接觸電流總諧波畸變率的數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證了該模型的有效性。該數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)進(jìn)一步研究弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動(dòng)電接觸的傳導(dǎo)電磁噪聲特性。

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Experimental Research on Total Harmonic Distortion of Contact Current Caused by Pantograph-Catenary Off-Line

Guo Fengyi Wang Xili Wang Zhiyong Wang Dan Wang Baowei
（Faculty of Electrical and Control Engineering Liaoning Technical University Huludao 125105 China）

The pantograph-catenary system is an important component of the electrified railway traction power supply system. The off-line phenomenon often occurs during the operation of pantograph-catenary system. The off-line phenomenon will lead to serious electromagnetic noise problem. Some off-line experiments were carried out with self-developed experimental platform under different experimental conditions. The frequency domain characteristics of contact current in off-line state were analyzed. The total current harmonic distortion rate (THD) was used to represent the characteristic of conductive electromagnetic noise caused by off-line phenomenon. The relationships between THD and loop current, contact pressure and sliding speed were obtained. The mathematic model of THD was established. It can provide experimental and theoretical basis for further study on conductive electromagnetic noise of pantograph-catenary system.

Pantograph-catenary off-line;conductive electromagnetic noise;total harmonic distortion rate; electromagnetic compatibility

TM501

郭鳳儀 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)期從事電接觸理論及其應(yīng)用、智能電器的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51277090），遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LZ2014024）。

2014-09-10

王喜利 男，1986年生，博士生，研究方向?yàn)殡娊佑|理論及其應(yīng)用。