西南交通大學物理科學與技術(shù)學院 劉伊寧 李相強 王慶峰 張健穹

動車組的升降弓操作或弓網(wǎng)離線會引發(fā)弓網(wǎng)電弧放電現(xiàn)象，這種瞬態(tài)放電會產(chǎn)生輻射及傳導(dǎo)干擾，威脅列車的正常運行。本文提出了一種用于監(jiān)測電氣化鐵路弓網(wǎng)放電輻射的射頻接收機結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實測獲取的弓網(wǎng)放電輻射特性確定了接收機的指標要求，通過高頻電路仿真軟件完成了仿真設(shè)計，并利用火花放電裝置進行了放電輻射采集試驗，對于弓網(wǎng)放電實時檢測的實現(xiàn)有一定參考意義。

在電氣化鐵路系統(tǒng)中，位于列車頂部的弓網(wǎng)系統(tǒng)將電能從供電站輸送到動車組牽引系統(tǒng)，為列車的驅(qū)動提供電能。然而，隨著列車速度的上升，弓網(wǎng)電弧放電現(xiàn)象越來越頻繁，這種現(xiàn)象的發(fā)生伴隨著強烈的寬頻帶電磁輻射。因此，對其進行放電監(jiān)測并提出預(yù)警可以改善動車組運行環(huán)境，預(yù)防事故發(fā)生。

對于弓網(wǎng)放電問題，目前普遍采用的檢測方法有脈沖電流檢測法與光學檢測法。脈沖電流法是當前國際上唯一有標準的局部放電檢測方法，其優(yōu)點是靈敏度高，但同時也存在檢測頻段窄，易受其他干擾源影響的問題。在動車組實際運行環(huán)境下，牽引系統(tǒng)、真空斷路器等裝置的正常操作也能在脈沖電流檢測頻段內(nèi)產(chǎn)生干擾，這使得脈沖電流檢測法很難將弓網(wǎng)放電與其他干擾源區(qū)別開來。光學監(jiān)測法是目前采用較多的弓網(wǎng)放電檢測方法，通過在動車組車頂受電弓下安裝光學探頭，捕捉放電時產(chǎn)生的光學信號，來實現(xiàn)弓網(wǎng)放電的實時監(jiān)測。這種方法在實際使用中存在靈敏度低，可靠性差的問題，此外，該方法只能通過捕捉光學信號來判斷是否存在電弧放電，無法對放電的強度進行評估。

近來年，隨著計算機系統(tǒng)性能的提升與小型化天線的發(fā)展，高頻輻射檢測法在工業(yè)領(lǐng)域獲得了大量應(yīng)用，這種方法是通過天線對高頻放電輻射信號進行采集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析獲取放電信號的幅值、放電次數(shù)等信息，從而對放電嚴重程度和危害性進行判斷。該方法具有靈敏度高、抗干擾能力強的優(yōu)點，非常適合對放電信號進行在線監(jiān)測。本文基于高頻輻射檢測法設(shè)計了一種用于接收用于弓網(wǎng)放電輻射信號的射頻接收機，結(jié)合小型化天線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以對頻段為30MHz～1GHz，輸入功率范圍為-60dBm～-15dBm的高頻信號進行實時采集，滿足弓網(wǎng)放電在線監(jiān)測的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)計指標的確定

為確定動車組弓網(wǎng)放電輻射接收機的設(shè) 計指標，需要先對弓網(wǎng)放電的輻射特性進行測量，測試場地選擇溫州軌道交通S1線桐嶺站，為排除其他干擾源，列車采用靜態(tài)測試并盡量關(guān)閉不必要的電子設(shè)備。測試布局如圖1所示，采用羅德施瓦茨HE300天線模組連接示波器，采集升降弓過程中車體3m遠處的放電輻射，測試獲取的示波器端口電壓波形如圖2所示，在弓網(wǎng)放電的瞬間產(chǎn)生一個高頻振蕩，并隨時間逐漸衰減。

圖1 測試布局

圖2 天線模組采集的弓網(wǎng)放電（單位：V）

示波器端口電壓與空間電場關(guān)系如式1所示，其中E為電場強度，U為電壓：

將示波器端口電壓數(shù)據(jù)折算成空間電場強度，再對空間電場數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，頻譜分布如圖3所示，放電輻射能量主要集中于1GHz以下頻率。

圖3 空間電場頻譜

弓網(wǎng)放電監(jiān)測要求將監(jiān)測系統(tǒng)裝車進行實時測量記錄，為減小空間占用，需采用小型化寬頻帶天線作為接收天線。由于小型化寬頻帶天線的增益與羅德施瓦茨天線模組不同，接收到的輻射信號功率也不同，因此接收機的性能需要根據(jù)小型化天線的增益與輻射特性進行制定。

整個監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖4所示，首先天線將放電產(chǎn)生的輻射信號接收后輸入射頻接收機中，經(jīng)過限幅器、濾波器。放大器與檢波器四個部分處理后，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采樣、數(shù)據(jù)處理，并最終存儲記錄。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)框圖

Hilbert結(jié)構(gòu)具有縮小天線尺寸的優(yōu)點，常用于射頻識別與檢測領(lǐng)域，本文采用五階Hilbert分型天線作為弓網(wǎng)放電的接收天線。根據(jù)Hilbert天線增益特性可以計算出，其在10m距離接收到的弓網(wǎng)放電功率在-65dBm～-15dBm范圍內(nèi)，根據(jù)弓網(wǎng)放電輻射特性，射頻子系統(tǒng)設(shè)計指標如表1所示。

表1 設(shè)計指標

2 建模與仿真

2.1 限幅器

限幅器的作用是對防止信號功率過大對電路造成損害，當限幅器輸入信號功率較小時，信號可以正常通過限幅器。當輸入信號功率上升到一定值時，限幅器輸出信號維持在限制功率附近。本文的設(shè)計采用單級PIN對管限幅電路，采用MICROSEMI公司的GC4732型號PIN二極管設(shè)計，頻率上限可達18GHz，具有插損小、功率容量大等優(yōu)點，仿真電路如圖5所示，參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5 限幅器仿真電路

使用諧波平衡法運行仿真，仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，在設(shè)計頻段內(nèi)滿足最大插入損耗小于3dB，限幅功率+10dBm的設(shè)計要求。

圖6 輸出功率隨輸入功率變化（700MHz）

圖7 插入損耗與回波損耗

2.2 帶通濾波器

帶通濾波器用來濾除檢測頻段外的干擾信號，增強放電信號的檢測效果，提高系統(tǒng)的靈敏度。濾波器低頻部分采用集總元件設(shè)計，采用L型網(wǎng)絡(luò)濾除20MHz以下的信號，采用150pF電容與150nH電感組合而成，高頻部分采用三階巴特沃斯微帶線結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖8所示，仿真結(jié)果如圖9所示，濾波效果滿足設(shè)計要求。

圖8 濾波器設(shè)計圖

圖9 濾波器仿真結(jié)果

2.3 放大器

一般通過小型寬頻帶天線采集的放電信號相對較弱，因此通過放電來保證監(jiān)測系統(tǒng)接收到的信號功率滿足要求。設(shè)計采用AFT54143芯片，為了在較寬的頻段內(nèi)對信號進行放大，放大器采用電壓并聯(lián)負反饋結(jié)構(gòu)，在放大器輸入與輸出端間建立負反饋回路，來保證放大器在寬頻段內(nèi)保持增益平坦與良好的阻抗匹配。仿真設(shè)計如圖10所示，仿真結(jié)果如圖11所示，放大器仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求，設(shè)計完成后還需通過直流穩(wěn)壓電源對放大器進行偏置。

圖10 放大器設(shè)計圖

圖11 放大器仿真結(jié)果

2.4 檢波器

檢波器采用峰值包絡(luò)檢波方式，電路結(jié)果如圖12所示，利用檢波二極管、電阻、電容組合，將高頻信號濾除而保留脈沖的大小和相位，實現(xiàn)信號檢波的功能，大大減小數(shù)據(jù)存儲量以便后續(xù)處理。根據(jù)設(shè)計頻率要求，可以通過充電時間計算出相應(yīng)的元件值，本設(shè)計中采用10KΩ電阻與10pF電容相連。

圖12 二極管峰值包絡(luò)檢波電路

3 實測驗證

采用已有器件組成系統(tǒng)，先對各元件性能測試，均滿足設(shè)計指標后，將各器件整合進機箱。為驗證整體效果，在實驗室內(nèi)利用火花放電裝置進行初步設(shè)置，測試布局如圖13所示，依次連接Hilbert分形天線、一體化接收機、示波器，設(shè)置火花放電電壓為25KV，放電間隙為1mm，示波器設(shè)置為觸發(fā)采樣模式，采樣時長20μs，觸發(fā)電平100mV。

圖13 測試布局

示波器接收到的波形如圖14所示，接收機輸出的電壓包絡(luò)，其包絡(luò)與放電波形包絡(luò)特征相同時長相等，并且經(jīng)過增益換算后兩者的包絡(luò)峰值量級相同，說明接收機能夠?qū)崿F(xiàn)檢測弓網(wǎng)放電的檢測要求。

圖14 接收機輸出波形

結(jié)論：為實現(xiàn)對弓網(wǎng)放電進行實時監(jiān)測，本文提出了一種用于監(jiān)測電氣化鐵路弓網(wǎng)放電輻射的射頻接收機方案，并通過仿真與實測，并通過火花放電裝置進行了初步測試，驗證了接收機方案的可行性。實際使用中，還需配套相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)與小型化天線，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)在動車組上的安裝環(huán)境選擇合適的天線并適當調(diào)整放大器增益。本文提出的放電檢測技術(shù)不僅在動車組弓網(wǎng)放電檢測上有一定參考意義，還可以應(yīng)用于其他高壓放電監(jiān)測中。