金夢哲，劉尚合，2，邢 彤，楊才智，劉衛(wèi)東，方慶園，胡 曼

（1. 石家莊鐵道大學(xué) 河北省電磁環(huán)境效應(yīng)與信息處理重點實驗室，河北 石家莊 050043；2. 陸軍工程大學(xué) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家級重點實驗室，河北 石家莊 050005；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 標(biāo)準(zhǔn)計量研究所，北京 100015）

0 引言

高速鐵路列車通過受電弓和接觸網(wǎng)（即弓網(wǎng)系統(tǒng)）的滑動電接觸來獲取牽引電流［1］。在高鐵動車組運行時，弓網(wǎng)應(yīng)保持良好的接觸狀態(tài)才能保證這種高速受流的穩(wěn)定性［2?3］。然而實際運行過程中，由于車體振動、接觸線不平順、過電中性區(qū)［4］等多種原因會導(dǎo)致弓網(wǎng)的瞬間脫離，即“弓網(wǎng)離線”。弓網(wǎng)離線會產(chǎn)生受電弓與接觸線之間的電弧放電現(xiàn)象，伴隨著強烈的弧光和高溫?zé)g，還會發(fā)出幅度高、頻帶寬的瞬態(tài)電磁輻射，將對列車控制系統(tǒng)和通信信號系統(tǒng)產(chǎn)生不可忽視的瞬態(tài)電磁干擾。弓網(wǎng)離線電磁干擾是影響高速鐵路系統(tǒng)電磁安全性的最主要因素之一，嚴重時甚至影響系統(tǒng)的正常運行及高鐵動車組的行車安全［5?6］。

針對高速鐵路系統(tǒng)弓網(wǎng)電弧輻射干擾問題，國內(nèi)外學(xué)者從現(xiàn)場測試、仿真計算和試驗?zāi)M3 個方面開展了大量的研究工作［7?13］。文獻［7］對意大利當(dāng)?shù)?5 kV 直流供電列車車廂內(nèi)的電磁輻射進行了測量與分析，指出了弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的輻射干擾能量分布在較寬的頻帶，而這種寬頻輻射會影響列車通信系統(tǒng)的正常工作。文獻［8］通過在軌旁路橋上架設(shè)天線的方式，接收列車駛過時的電磁場信號，分析得到在低頻范圍（10 kHz～1 MHz）內(nèi)磁場能量分布較為集中，而在甚高頻段（30～300 MHz）內(nèi)弓網(wǎng)電弧放電的主要能量集中在50 MHz，因此建議以50 MHz 的幅值特征作為弓網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)的判斷依據(jù)。文獻［9］利用在動車組車頂安裝的天線和電流探頭，測量了弓網(wǎng)電弧輻射場強及傳導(dǎo)耦合電流，并應(yīng)用統(tǒng)計分析方法研究了瞬態(tài)干擾脈沖的上升時間、脈沖寬度等時域參數(shù)的分布特征。文獻［10］結(jié)合國內(nèi)武廣線的現(xiàn)場測試與實驗室半實物仿真試驗，分析得到了弓網(wǎng)離線電弧頻譜以30～300 MHz之間最為豐富，還指出高鐵電磁環(huán)境的長期暴露可能影響人體健康。文獻［11］通過仿真方法計算了弓網(wǎng)電弧和通信設(shè)備之間的耦合系數(shù)，并在混響室中測量了弓網(wǎng)電弧的總輻射功率，而后計算得到了弓網(wǎng)電弧到通信設(shè)備的輻射耦合功率。

弓網(wǎng)電弧輻射的現(xiàn)場實測研究中，存在測試條件不可控、環(huán)境噪聲大等不足，而仿真研究方法也面臨模型精確度不足和電弧源近似等效不夠真實的問題，因此，一些研究團隊通過試驗方法研究弓網(wǎng)放電的輻射特性［12?13］。文獻［12］通過采集實驗室模擬的弓網(wǎng)電弧輻射發(fā)射信號，建立了弓網(wǎng)放電輻射電磁場的時域波形模型，并以此開展了不同接觸電流（5～40 A）條件下輻射發(fā)射的對比，得到了增大測量距離或增大接觸電流會減小輻射場脈沖幅值的結(jié)論。文獻［13］搭建了弓網(wǎng)電磁輻射信號測量放電試驗裝置，并利用自制的四階Hilbert 分形天線開展了不同試驗電流（8～16 A）和不同放電間隙（0～2 mm）下的弓網(wǎng)電弧輻射電磁場測試研究，結(jié)果顯示弓網(wǎng)電弧電磁輻射頻段主要分布在0～160 MHz。

現(xiàn)有試驗方法的研究結(jié)論具有一定參考性，然而所采用的試驗條件與我國高速鐵路牽引電流高達上千安培、行駛車速350 km／h 的實際情況相差較大，得到的結(jié)論并不能直接作為高速鐵路系統(tǒng)弓網(wǎng)放電輻射干擾研究的參考依據(jù)。本試驗研究的開展依托于中國鐵道科學(xué)研究院的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺［14］。該試驗臺是目前世界上唯一試驗速度超過500 km／h 的高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺，并且可提供最高1 000 A 的單相交流電流?；诖嗽囼炂脚_，本研究真實模擬了高速鐵路實際工況下弓網(wǎng)離線電弧的產(chǎn)生，開展了不同牽引電流及不同行車速度下的弓網(wǎng)離線放電試驗，利用自研的寬帶天線測量了放電輻射場的時域變化，并經(jīng)過快速傅里葉變換FFT（Fast Fourier Transform）得到了弓網(wǎng)放電輻射的頻譜信息，分析了牽引電流和車速對主要能量分布、最大振幅及其對應(yīng)頻率坐標(biāo)等輻射特性的影響規(guī)律，相關(guān)方法及結(jié)論可作為研究弓網(wǎng)放電輻射干擾形成機理及抑制措施的重要參考和試驗依據(jù)。

1 試驗裝置與環(huán)境

1.1 試驗裝置

高速弓網(wǎng)關(guān)系試驗臺的整體外觀以及受電弓碳滑板與接觸銅線細節(jié)見附錄A 圖A1。試驗臺由旋轉(zhuǎn)輪盤、受電弓、電源、負載等部分組成。轉(zhuǎn)盤由直徑為4 m 的高強度鋁合金主盤、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機和水平作動臺構(gòu)成。鋁制主盤的圓周安裝銅制接觸線，由轉(zhuǎn)速可調(diào)的電機驅(qū)動主盤旋轉(zhuǎn)，帶動接觸線運動產(chǎn)生線速度，用以模擬機車運行時弓網(wǎng)之間的高速相對運動。水平作動臺位于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)軸的正下方，能夠帶動轉(zhuǎn)盤在水平方向進行整體往復(fù)運動，可模擬弓網(wǎng)接觸點的橫向“之”字形運動。

轉(zhuǎn)盤圓周邊緣下方安裝真實受電弓，受電弓上碳滑板為浸銅碳材質(zhì)，接觸線材質(zhì)為銅銀合金，型號為CTA120，碳滑板和接觸線的相關(guān)物理屬性見附錄A表A1。

試驗供電電流從電源流出經(jīng)轉(zhuǎn)盤、接觸線、弓網(wǎng)接觸點，再通過受電弓流回負載和電源模塊，如附錄A 圖A2 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)盤高速轉(zhuǎn)動時，原本接觸良好的弓網(wǎng)兩極由于高速接觸碰撞、“之”字形運動、受電弓自然振動等引起離線，產(chǎn)生電弧離線放電，引起空間輻射發(fā)射。試驗臺配有控制室，能夠?qū)崟r控制電源輸出的牽引電流、弓網(wǎng)相對速度等參數(shù)。試驗臺電流路徑、牽引電流有效值、弓網(wǎng)相對速度與實際列車運行工況基本一致。

弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的電磁輻射脈沖由于其快時變、寬頻帶的特性，不適合直接進行頻域測量。而時域測試不僅可以清晰地區(qū)分放電和環(huán)境噪聲，采集時域波形后應(yīng)用FFT還可得到輻射的頻域特性。時域測試所用傳感器包括鉗式電流環(huán)、差分電壓探頭和螺旋天線，其中電流環(huán)和電壓探頭相關(guān)技術(shù)參數(shù)見附錄A 表A2。試驗采用是德科技MSOS404A 型高速數(shù)字示波器來記錄和存儲弓網(wǎng)放電瞬態(tài)干擾的時域信號，該示波器模擬帶寬為4 GHz，最大采樣率為20 GSa／s。

輻射場測試利用本課題組為研究弓網(wǎng)放電輻射場自制的阿基米德螺旋天線［15］，該天線具備小型化、超寬帶的特點，適合動車組車體內(nèi)部、車底等狹小空間架設(shè)測試，天線仿真模型圖及實物圖見附錄A 圖A3。該天線在0～1 GHz 頻率范圍內(nèi)的駐波比VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）變化曲線如附錄A圖A4 所示，在20 MHz～1 GHz 的頻段內(nèi)，天線的VSWR值小于4.3 dB。

相關(guān)傳感器安裝位置見附錄A 圖A5。大孔徑的鉗式電流環(huán)安裝于受電弓底座下方，同時套住受電弓底座伸出的4 根回流線；差分電壓探頭一端接轉(zhuǎn)軸下方水銀滑環(huán)引出的金屬體，另一端連接受電弓碳滑板下端金屬支架，由于金屬導(dǎo)體電阻相比電弧電阻較低，可近似認為該電壓探頭測試結(jié)果就是電弧電壓；螺旋天線放置距離弓網(wǎng)接觸點約2.8 m處，并保持與接觸線處于同一水平面。傳感器通過50 Ω 同軸線纜與示波器相連，示波器同時記錄和存儲放電電流、電壓及輻射場變化。

1.2 試驗環(huán)境

由于試驗現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，空間輻射、轉(zhuǎn)盤電機、電源等輻射干擾源都會影響測量結(jié)果，因此試驗開始前進行了以下3 輪背景輻射噪聲的測試，以確定測試環(huán)境中的輻射噪聲對測量結(jié)果的影響。

1）空間輻射噪聲的測試：關(guān)閉輪盤驅(qū)動電機等用電設(shè)備，控制弓網(wǎng)處于分離狀態(tài)，接收天線測得空間輻射噪聲的時域波形和經(jīng)FFT 后的頻譜見附錄A圖A6（a）?？梢钥吹?，測試現(xiàn)場存在未知的不同幅值的空間瞬態(tài)脈沖信號，最大幅值超過50 mV。

2）轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機工作產(chǎn)生輻射噪聲的測試：開啟輪盤并調(diào)整至450 km／h的轉(zhuǎn)速，控制弓網(wǎng)以50 N壓力保持接觸，此時主回路不加電，測量電機負載工作時釋放的輻射信號，見附錄A 圖A6（b）。對比圖A6（a）可知，當(dāng)輪盤負載轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動電機釋放的電磁脈沖幅值明顯增大，達到約210 mV，但與弓網(wǎng)放電時比較，不到放電輻射幅值（約700～1 200 mV）的30%。另外從頻譜上看，電機負載工作時，只在10 MHz 附近頻率范圍有抬升。因此，可以判斷轉(zhuǎn)盤驅(qū)動電機工作對弓網(wǎng)放電輻射噪聲的測試結(jié)果影響不大。

3）主電路通電產(chǎn)生輻射噪聲的測試：控制轉(zhuǎn)盤不轉(zhuǎn)，操作控制臺保持弓網(wǎng)接觸良好，將主電路牽引電流調(diào)節(jié)至700 A，此時無電弧放電現(xiàn)象，輻射場波形見附錄A 圖A6（c），測試結(jié)果與圖A6（a）十分相似，說明主電路通過穩(wěn)態(tài)50 Hz 交流電流時對空間輻射影響不大。

通過以上分析，試驗環(huán)境空間輻射噪聲的幅值相對待測弓網(wǎng)放電電磁輻射較小，在弓網(wǎng)放電電磁輻射的測量中背景噪聲的影響基本可以忽略。

1.3 試驗條件

為研究不同牽引電流和行車速度下弓網(wǎng)離線電弧的輻射特性，在附錄A 表A3 所示的試驗條件下采用單因素試驗法開展了16 組弓網(wǎng)電弧電磁輻射試驗，其中牽引電流為有效值，變化范圍為100～700 A，行車速度即弓網(wǎng)相對速度，變化范圍為150～450 km／h。所有試驗均在弓網(wǎng)接觸壓力為50 N 的設(shè)置條件下完成。由于受電磁力作用和周圍氣壓變化影響，電弧的形狀和位置在起弧、燃弧過程會存在一定的隨機性。因此，本研究在相同試驗條件下進行了5 組重復(fù)試驗，并計算了同一條件下測試結(jié)果的平均值。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 起弧熄弧過程

示波器3個通道同步采集回路電流、電弧電壓和空間輻射場的時域波形，設(shè)置采樣頻率為1 GSa／s，采用電弧電壓的上升沿進行采樣觸發(fā)。試驗條件設(shè)置為牽引電流500 A、行車速度350 km／h 時，一次弓網(wǎng)分離起弧而后接觸熄弧的完整過程中回路電流、電弧電壓和空間輻射場的典型時域波形如圖1所示。圖中：t1為弓網(wǎng)分離起弧時刻；t2為電弧的熄弧時刻；t1—t2對應(yīng)于電弧的燃弧階段，該時間間隔主要受弓網(wǎng)振動運動和分離時刻電源電壓相位等外部條件影響，對測試結(jié)果影響較小。

圖1 回路電流、電弧電壓和空間輻射場的時域波形Fig.1 Time-domain waveforms of loop current，arc voltage and space radiation field

在t1時刻之前，弓網(wǎng)之間以單個或者多個接觸點維持電連接，接觸電阻相比負載電阻低很多，弓網(wǎng)兩端的電壓保持為0，且不存在回路電流的瞬變，因此，在t1時刻之前測得的輻射場僅為空間噪聲，幅值約為0.2 V。此時接觸點承受了所有牽引電流，焦耳熱導(dǎo)致接觸局部溫度急劇升高。

在t1時刻，接觸線與受電弓的碳滑板分離，接觸電阻瞬間增大，更多焦耳熱產(chǎn)生的高溫使接觸點金屬顆粒熔化、汽化，金屬蒸汽維持回路電流的導(dǎo)通。與此同時，在極短的弓網(wǎng)間隙下產(chǎn)生較強的電場，弓網(wǎng)間隙中的空氣分子在高溫?zé)犭娮影l(fā)射和強電場場致發(fā)射的綜合作用下發(fā)生電離，形成電弧等離子體的電流通路，瞬變電流引起電磁波的向外發(fā)射。由于放電產(chǎn)生了導(dǎo)通電流，而電弧電阻的存在導(dǎo)致在t1時刻放電兩極的電壓上升。同時，回路總電阻的變大使得回路電流在t1時刻有一定幅度的下降。t1時刻因回路電流瞬變產(chǎn)生的弓網(wǎng)放電電磁輻射幅值約為0.9 V，明顯區(qū)別于空間輻射噪聲（幅值小于50 mV）。

t1—t2時段內(nèi)，電壓維持在一定水平，電弧穩(wěn)定燃燒，很少出現(xiàn)電弧電壓和回路電流的瞬態(tài)變化，因此也幾乎沒有明顯的電磁輻射脈沖；接近t2時刻，電壓的振蕩幅值變大，輻射場天線可以接收到一系列幅值逐漸變大的輻射脈沖；直到弓網(wǎng)接觸的t2時刻，電弧瞬間熄滅，回路電流和電弧電壓再次瞬變，此時出現(xiàn)幅值約為0.75 V的輻射脈沖信號。

2.2 弓網(wǎng)放電輻射特性

為展示輻射幅值在起弧時刻的瞬態(tài)變化，截取了t1時刻附近持續(xù)時間為10 μs 的放電脈沖電流和輻射場變化波形，如圖2 所示。可以看出，放電脈沖電流在102～109 μs 期間呈現(xiàn)雙極性振蕩形式。脈沖電流的振蕩持續(xù)時間、振蕩主頻與電磁輻射脈沖基本接近，一般認為該振蕩持續(xù)時間和主頻由弓網(wǎng)之間的電容、電弧電阻和電感確定［16］。

圖2 弓網(wǎng)放電起弧階段脈沖電流和輻射場的時域波形Fig.2 Time-domain waveforms of pulse current and radiation field during pantograph-catenary arc initiation stage

結(jié)合圖1 可觀察得到，弓網(wǎng)電弧電磁輻射脈沖伴隨著放電電流的瞬態(tài)變化而產(chǎn)生，兩者在時域上具有較強的同步性。由電磁感應(yīng)定律，電磁輻射由瞬變電流產(chǎn)生，電弧放電輻射的幅值Earc與電流的變化率dIarc/dt成正比［17］，即：

式中：c為傳播速度；ε0為空氣介電常數(shù)。

熄弧階段t2時刻附近的脈沖電流、輻射場時域波形與起弧階段波形相似。為獲取弓網(wǎng)電弧的電磁輻射特性，對截取的起弧階段（102～109 μs）和熄弧階段（376～383 μs）時域脈沖輻射信號分別進行FFT，除去空間背景噪聲的頻譜分量，得到如圖3 所示的弓網(wǎng)起弧和熄弧對應(yīng)的輻射頻譜，用以討論弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射頻譜峰值、對應(yīng)頻率值和主要能量分布的頻率范圍。

圖3 弓網(wǎng)放電輻射頻譜Fig.3 Radiation spectrum of pantographcatenary discharge

從圖3 中起弧階段的輻射頻譜可以看出，輻射能量主要分布在0～85 MHz 范圍內(nèi)，頻域峰值為32.4 dB，對應(yīng)的頻率為50.3 MHz，頻譜上其他振幅高于環(huán)境輻射噪聲10 dB的頻率位于0～15 MHz、25～38 MHz 頻段和82 MHz 頻點附近。對比熄弧階段的輻射頻譜可知，熄弧階段的輻射強度低于起弧階段的輻射強度，熄弧階段輻射的頻域峰值為29.8 dB（低于起弧階段的2.6 dB），對應(yīng)的頻率為51.4 MHz，主要干擾能量仍分布在0～85 MHz頻率范圍之內(nèi)，熄弧階段頻譜上振幅高于環(huán)境噪聲10 dB 的頻率集中在5～10 MHz、28～40 MHz頻段和82 MHz頻點附近。

為更準(zhǔn)確地描述弓網(wǎng)電弧輻射的頻率分布，本研究統(tǒng)計了主要能量分布頻段內(nèi)電磁輻射的振幅高于環(huán)境噪聲10 dB 的頻點個數(shù)Nfs。表1 給出了牽引電流為500 A、行車速度為350 km／h 條件下各個頻率區(qū)間的頻點概率Pfs（Pfs=Nfs/Ntotal×100%，其中Ntotal為該頻段內(nèi)頻點總數(shù)）。頻點概率Pfs越大表示弓網(wǎng)電弧輻射能量在該頻段內(nèi)的分布越密集。

起弧和熄弧階段電磁輻射的頻點分布柱狀圖見附表A 圖A7。由圖可知：起弧和熄弧階段的電磁輻射均在45～55 MHz 頻段分布最為密集；對比熄弧階段，起弧階段的電磁輻射在0～15 MHz的較低頻段更為密集，且起弧階段的電磁輻射在各個頻段的分布密度均高于熄弧階段。在起弧階段，弓網(wǎng)間隙存在較大濃度的帶電粒子（自由電子和金屬離子），而隨著弓網(wǎng)間隙的逐漸變大，由于等離子體復(fù)合作用，帶電粒子濃度會有所下降，所發(fā)出的電磁輻射也會減弱，因此熄弧階段的輻射分布密度在各個頻段均有所降低。

2.3 不同牽引電流下弓網(wǎng)放電輻射特性

2.3.1 牽引電流對輻射時域特性的影響

控制試驗臺保持模擬速度為350 km／h，并調(diào)整牽引電流為100、300、500、700 A，分別記錄起弧、熄弧階段的輻射脈沖幅值變化情況，見表2。試驗中隨著牽引電流的增大，輻射脈沖幅值有增大的趨勢，這與文獻［13］在8～16 A 電流變化范圍內(nèi)所得規(guī)律相似。但是相比牽引電流試驗條件的變化，放電電磁輻射幅值的變化幅度不是十分明顯，即牽引電流從100 A 變化為700 A（增大600%）時，起弧階段的輻射脈沖幅值僅增大了約30%，這也說明了牽引電流對弓網(wǎng)輻射發(fā)射的影響是有限的。

表2 不同牽引電流下起弧和熄弧階段的輻射脈沖幅值Table 2 Amplitude of radiation pulses during arc initiation and arc extinction stages under different traction currents

對比表2 中相同牽引電流下起弧和熄弧階段的幅值可知，起弧階段的輻射脈沖幅值均大于熄弧階段的輻射脈沖幅值。這可能是由于燃弧過程釋放的大量熱能導(dǎo)致放電通路溫度增高，因此相比起弧階段，電弧等離子體在熄弧階段的電阻更小。當(dāng)弓網(wǎng)接觸時，回路中阻抗主要為負載電阻RL、電極電阻Re和接觸電阻Rc，則電極分離前瞬間電流I0的計算公式為：

式中：U為電極兩端電壓。

電極分離之后，Rc變?yōu)?，但是起弧產(chǎn)生了電弧電阻Rarc，此時回路電流I1的計算公式為：

由圖1 弓網(wǎng)電極分離后電流下降的實際情況可知，Rarc>Rc，若電流瞬時變化值記為dI，將式（2）與式（3）相減可得：

因此，當(dāng)Rarc變小時，電流瞬時變化值也變小。將式（4）代入式（1），并假設(shè)弓網(wǎng)電弧在起弧和熄弧階段的持續(xù)時間相同，即dt不變，可知起弧階段的輻射脈沖幅值大于熄弧階段的輻射脈沖幅值，與試驗結(jié)果一致。

2.3.2 牽引電流對輻射頻域特性的影響

由前文分析已知，在0～15 MHz、45～55 MHz 和75～85 MHz 頻段內(nèi)起弧階段的電磁輻射分布較為密集，所以選用起弧階段的這3 個典型頻段來分析弓網(wǎng)放電的電磁輻射頻點分布情況。不同牽引電流下輻射幅值高于10 dB 的頻點在典型頻段的分布情況見附錄A 圖A8，隨著牽引電流從100 A 增大至700 A，典型區(qū)間內(nèi)輻射的頻點概率呈現(xiàn)不同的變化趨勢。其中，0～15 MHz 和45～55 MHz 的低頻段輻射分布隨牽引電流的增大而變得更加密集，而在75～85 MHz 的較高頻段電磁輻射頻點分布疏密程度變化較小，說明隨著牽引電流的增大，弓網(wǎng)放電的電磁輻射強度整體是增大的，而增大趨勢集中體現(xiàn)低頻段輻射分布區(qū)域。這是由于實際電弧存在一定的電感，在電感作用下瞬變的電流在時域上逐漸放緩，隨著電流的增大，更多的輻射能量分布在低頻區(qū)域，而高頻段的輻射能量分布變化不大。另外，在100～700 A 的電流變化范圍內(nèi)，弓網(wǎng)放電的電磁輻射頻點主要分布在0～100 MHz 區(qū)間，其中最密集的分布頻段始終保持在45～55 MHz。

弓網(wǎng)放電輻射頻譜上的峰值及其對應(yīng)頻率隨牽引電流的變化規(guī)律如圖4 所示。由圖可知：牽引電流增大后，輻射頻譜峰值有增大趨勢，但是僅增大了約5 dB，變化仍然不顯著；而峰值對應(yīng)的頻率保持在49.8～50.7 MHz 的窄帶范圍內(nèi)，基本不隨牽引電流變化。頻譜峰值對應(yīng)的頻率取決于電弧電阻和空氣介電常數(shù)，而介電常數(shù)不隨電流大小而改變，并且在暫態(tài)階段，電弧電阻率與電流大小相關(guān)性較?。?7］。因此，弓網(wǎng)離線電磁輻射的頻域峰值對應(yīng)頻率在較大區(qū)間內(nèi)與牽引電流無關(guān)，基本維持在50 MHz 附近。這與文獻［13］中不同試驗電流下電弧輻射頻域峰值保持在相同頻率的規(guī)律相符。

圖4 頻譜峰值及對應(yīng)頻率隨牽引電流的變化Fig.4 Variations of peak amplitude of spectrum and corresponding frequency with traction current

2.4 不同行車速度下弓網(wǎng)放電輻射特性

2.4.1 行車速度對輻射時域特性的影響

為研究行車速度對弓網(wǎng)放電輻射時域特征的影響，試驗中保持牽引電流為500 A，調(diào)整行車速度分別為150、250、350、450 km／h，測量并記錄了起弧和熄弧階段電磁輻射的時域變化情況，如表3 所示?？梢钥闯?，行車速度增加后，弓網(wǎng)放電起弧和熄弧階段的電磁輻射幅值均沒有顯著變化，這與文獻［12］中輻射脈沖幅值與行車速度相關(guān)性較小的結(jié)論一致，而起弧階段電磁輻射幅值高于熄弧階段的規(guī)律仍較為明顯。

表3 不同行車速度下起弧和熄弧階段的輻射脈沖幅值Table 3 Amplitude of radiation pulses during arc initiation and arc extinction stages under different driving speeds

2.4.2 行車速度對輻射頻域特性的影響

輻射頻譜峰值及其對應(yīng)的頻率隨行車速度的變化如圖5 所示?？梢钥闯觯?dāng)行車速度從150 km／h增大至450 km／h時，弓網(wǎng)電弧輻射脈沖的最大幅值變化幅度不大，即放電輻射的頻譜峰值隨行車速度變化不明顯。而頻譜峰值對應(yīng)的頻率從53 MHz 降低至41 MHz，呈現(xiàn)隨行車速度增大而減小的趨勢。

圖5 頻譜峰值及對應(yīng)頻率隨行車速度的變化Fig.5 Variations of peak amplitude of spectrum and corresponding frequency with driving speed

根據(jù)文獻［18］提出的電極分離放電模型，離線瞬間弓網(wǎng)兩極等效于一個帶電電容C0，電弧產(chǎn)生時自身電阻、電感分別為Rarc和Larc，則相當(dāng)于在電弧產(chǎn)生時刻，C0對Rarc和Larc回路放電，模型見圖6。

圖6 弓網(wǎng)放電的電極分離放電模型Fig.6 Electrode separation discharge model of pantograph-catenary discharge

考慮到電弧電感很小，忽略Larc，則RC 振蕩電路引起的輻射頻率f0為：

設(shè)ρ為電弧電阻率，l為弓網(wǎng)放電間隙，A為弧柱平均橫截面積，則電弧電阻為：

將式（6）代入式（5），有：

考慮行車速度對弓網(wǎng)離線距離的影響［19］，若行車速度記為v，單位為km／h，放電間隙l單位為mm，則有：

將式（8）代入式（7），有：

根據(jù)式（9）可知，當(dāng)v增加時，f0逐漸變小。高鐵列車通過車載BTM 系統(tǒng)發(fā)送27 MHz 信號來激活置于線路上的無源應(yīng)答器。隨著行車速度的提高，弓網(wǎng)放電最大輻射對應(yīng)頻率將逐漸靠近BTM 工作頻率，因此在高速行車條件下應(yīng)答器-車載BTM 設(shè)備的信號傳輸更易受到弓網(wǎng)放電電磁輻射干擾的影響。

3 結(jié)論

通過大電流、高速條件下弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射特性的試驗研究，得到結(jié)論如下。

1）弓網(wǎng)放電期間在起弧和熄弧階段回路電流的瞬間突變會產(chǎn)生電磁輻射脈沖。單個輻射脈沖呈現(xiàn)短暫的振蕩衰減現(xiàn)象，持續(xù)時間約為200 μs，起弧階段產(chǎn)生的電磁脈沖強于熄弧階段。電弧放電產(chǎn)生的電磁輻射能量主要分布于0～100 MHz 頻率范圍內(nèi)，其中起弧階段的電磁輻射主要集中在0～15 MHz、45～55 MHz、75～85 MHz 頻段，而熄弧階段的電磁輻射主要集中在45～55 MHz頻段。

2）在100～700 A 牽引電流區(qū)間內(nèi)，隨著牽引電流增大，電磁輻射幅值呈現(xiàn)增大趨勢。而最密集頻段始終保持在45～55 MHz，頻域峰值對應(yīng)的頻率始終保持在較為固定的窄帶范圍內(nèi)，不隨牽引電流發(fā)生變化。

3）在150～450 km／h 行車速度變化范圍內(nèi)，弓網(wǎng)電弧輻射脈沖峰值基本保持不變，而頻域峰值對應(yīng)的頻率從53 MHz 降低至41 MHz，呈現(xiàn)隨行車速度增大而減小的趨勢。

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