高速铁路弓网离线在线识别及应对策略

电气化铁路车辆运行过程中,受电弓与接触网之间的短暂分离(即弓网离线)易引发过电流问题,产生安全隐患、影响铁路运营秩序。文章基于既有动车组牵引电传动系统,介绍其主电路结构及网侧整流器的控制方法,分析弓网离线对系统的影响,着重研究弓网离线后恢复接触时产生过电流问题的原因,提出弓网离线在线快速识别及应对策略。文章搭建了包含电弧模型的牵引电传动系统全数字实时仿真模型,首先通过与实测波形对比证明模型的准确性,然后基于该模型验证文中提出的弓网离线在线识别及应对策略。

高速铁路弓网离线过电压对车体电位的影响

基于现场采集的阻抗参数,建立高速铁路“网-车-轨”牵引供电系统等效电路模型,进而建立包含弓网电弧仿真模型的“网-车-轨”三位一体的牵引供电系统有限元模型,并通过与实测升弓过电压进行对比,验证有限元模型的可靠性;将由等效电路模型计算得到的电压激励加载在有限元模型上,调整列车运行速度和弓网离线时间,分析其对弓网电弧发展的影响,研究弓网中离线和大离线工况下的过电压特性和不同接地方式下的车体电位和磁场分布。结果表明:当列车运行速度较大且弓网离线时间大于200 ms时,易发生弓网完全离线,并产生较高车体过电压;车速为300 km·h^(-1)时,弓网离线导致的车体过电压达6.45 kV;车底主要区域对地电位高于2 kV,磁感应强度峰值为3.8 mT;通过增加3车保护接地数量,提高车体过电压的泄放能力,使车顶-轴端过电压降至5.47 kV,最大磁感应强度降至2.6 mT,车底区域磁场分布更加均匀,有效地抑制了车体过电压,改善了车载设备的电磁工作环境。

考虑过渡函数的电气化铁路弓网离线电弧建模与验证分析

随着列车速度的提高,弓网离线电弧现象频繁发生,对列车的安全运行产生影响。因此有必要研究弓网电弧模型,分析其电气特性。在计及横向吹弧的Habedank电弧模型基础上,以电弧电流作为变量构建了过渡函数,较合理地实现了串联电弧模型的动态电阻分配。在MATLAB/Simulink仿真软件中,通过S-函数的编写实现了电弧模型的仿真,并将对得出的仿真波形与实验波形进行对比分析,验证了所搭建模型合理性。结果表明:列车速度增大,电弧电流不会随之增大,而是基本保持不变,但电弧电压却会随之增大,其中燃弧电压增大程度最大。

弓网分离时刻牵引电流相位对弓网离线电磁骚扰影响研究

弓网离线电弧引起的电磁辐射,是列控系统主要的电磁骚扰源之一。为研究弓网离线时刻牵引电流相位对弓网离线电磁辐射特性的影响,在实验室中搭建弓网分离时刻电流相位可控的低压大电流弓网离线拉弧模拟试验平台,同步采集不同离线相位下的电弧电压、电弧电流及电磁辐射的时域波形数据,通过对电磁辐射时域信号进行快速傅里叶变换(FFT),分析离线相位对电磁辐射信号频域特性的影响规律。结果表明:弓网离线拉弧放电过程中,起弧和熄弧时刻的电磁辐射通常大于稳定燃弧时的电磁辐射;离线拉弧电磁辐射主要频段的中心频率约为4,7,15和25 MHz左右,且不同频段电磁辐射强度与弓网分离时刻的牵引电流相位相关,4和7 MHz骚扰信号峰值出现在270°相位发生离线时,15 MHz骚扰信号峰值出现在234°相位发生离线时,25 MHz骚扰信号峰值出现在306°相位发生离线时;离线时刻相位的随机性是导致弓网离线干扰故障随机性的重要原因之一。试验结果对于搭建测试平台进行故障复现、研究过分相区断路器的分合闸控制策略以降低电磁骚扰,具有一定的借鉴和启发。

动车组弓网离线放电电磁骚扰源模型研究

基于接触线的振动微分方程,得到弓网离线时放电电弧等效电路时变电阻和时变电感与动车组速度的关系,在此基础上结合动车组牵引供电系统等效电路,建立动车组弓网离线放电电磁骚扰源模型。通过Matlab/Simulink仿真软件得到不同傅里叶级数下弓网离线时动车组车体馈电端骚扰电压的仿真波形,并与实测结果对比。结果表明:取傅里叶级数大于4即可保证仿真的准确性,验证了模型的正确性;弓网离线产生的骚扰电压呈周期性变化,动车组的速度越高,骚扰电压的变化周期越短,而放电频率和骚扰电压幅值越大,骚扰电压与动车组速度为指数函数关系。

弓网离线接触电流总谐波畸变率的实验研究

受电弓与接触网(弓网)是电气化铁路中牵引供电系统的重要组成部分,弓网系统在运行过程中会发生离线现象,弓网离线会带来严重的电磁噪声问题。利用弓网电弧电磁噪声实验平台开展了不同条件下的弓网离线实验,分析了弓网离线状态下接触电流的频域特性。采用接触电流总谐波畸变率来表征弓网离线的传导电磁噪声特性,获得了接触电流总谐波畸变率与回流电流、接触压力和滑动速度之间的变化关系,建立了有效的接触电流总谐波畸变率数学模型,为深入研究弓网离线传导电磁噪声提供了实验依据和理论基础。

弓网离线电弧对CRH380BL型动车组速度传感器的电磁干扰机理及抑制

分析CRH380BL型动车组门控信号控制系统工作原理可知,在降弓时动车组的速度传感器会受到弓网离线电弧所产生的电磁干扰,从而导致动车组车门非正常闭锁。现场测试结果表明：弓网离线电弧所产生电磁波的频率在10MHz以下时,辐射能量较多,电磁干扰主要集中在该频段;当频率在10~30MHz时,辐射在频谱上表现为窄带尖峰,且具有较强的随机性。弓网离线电弧干扰动车组速度传感器的机理为：电弧所产生的电磁辐射在速度传感器的编织型同轴电缆表面产生共模电流,使得地电位升高,从而干扰了速度传感器的正常工作。为此,提出并试验在速度传感器的电缆屏蔽层上嵌套磁环,以吸收电磁辐射的高频能量,抑制速度传感器受到的辐射干扰。试验结果表明：嵌套磁环后,车门非正常闭锁的问题得到有效解决;弓网离线电弧产生的电磁波频率在10 MHz以下时,磁环能够使速度传感器受到的电磁干扰峰值下降,最大达10dB;在10~30MHz时,辐射窄带尖峰明显被抑制。

弓网离线对牵引传动系统的影响

离线时间长短严重影响动车组受流质量,目前离线时间的划分主要根据运行管理经验,尚无理论分析。基于现场测试数据和MATLAB仿真软件,建立了包含弓网离线电弧和列车牵引变流器的仿真分析模型,分析了弓网离线时的过电压与谐波,以及离线对牵引变流器直流侧电压的影响。结果表明:弓网离线和恢复过程均有约1.3倍的过电压产生,并伴随有大量的谐波反馈到接触网上;牵引变流器直流侧压降速度随列车行驶速度的增加而呈指数增大,250 km/h以上行驶速度时1 000 V压降所需时间已经下降到100 ms以内;相同离线时间下,列车行驶速度愈大离线恢复时直流侧电压冲击和震荡愈大。上述分析表明,离线时间的划分应考虑列车行驶速度的影响,越高时速下,离线时间应作越严格的限制,以保证列车良好的受流质量。

弓网离线电弧对机场ADS-B地面站系统电磁骚扰测试与分析

为研究弓网离线电弧对机场广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance broadcast,ADS-B)地面站系统的影响同时给出电分相对ADS-B地面站系统的保护距离,实测并分析了动车组弓网离线电弧典型辐射特性。测试结果表明,弓网离线电弧电磁发射,电分相处强度最大。距离电分相拉弧点23.3 m处实测数据结果为峰值检波的最大场强值达66 d BμV/m;准峰值检波较峰值检波降低约20 d B;平均值检波较准峰值又降低约14 d B。依据GB 6364(航空无线电导航台(站)电磁环境要求)的一般保护率条件,分析各种影响因素,给出电分相拉弧点距离ADS-B地面站系统的保护距离为537 m。本研究结果能够对动车邻近机场区域的线路设计与布局提供依据;同时也对国标的修订提供重要参考。

弓网离线电弧辐射电场噪声研究

针对弓网离线电弧辐射电场噪声特性问题,利用弓网电弧电磁噪声实验平台开展了不同条件下的弓网离线实验,分析了弓网离线电弧电场噪声的幅频特性与接触压力和回路电流之间的作用关系.研究表明:弓网离线电弧辐射电磁噪声主要集中在30~500 MHz频段.随着接触压力的增大,弓网离线电弧辐射电磁噪声的幅值先减小后增大;随着回路电流的增大,电磁噪声幅值增大.

考虑脉动风下弓网离线影响的高速铁路接触网可靠性分析

为分析西北大风区高速铁路接触网可靠性,提出将脉动风引起的弓网离线因素融合到接触网系统可靠性分析中,采用谐波叠加法模拟脉动风风速时程,利用高斯分布统计脉动风分布概率,通过GO-FLOW法构建接触网系统可靠性模型,运用MATLAB对融合弓网离线故障率接触网系统可靠性进行仿真,并与已有研究成果进行对比。结果表明:脉动风对弓网受流产生一定影响,融合弓网离线因素后,接触网系统可靠度明显下降。研究结果可为接触网可靠性研究提供新的思路。

弓网离线状态下地铁辅助逆变器暂态过程研究

弓网离线对地铁车辆安全可靠运行带来很大危害。给出了弓网离线的等效过程,得到离线期间地铁车辆弓网系统的等效电路。以某地铁辅助逆变器系统为例进行了离线暂态分析与仿真验证。结果表明,离线引起逆变电路中基波分量大为减小,绝缘栅双极型晶体管IGBT上谐波成分增多,带来耐热、绝缘等方面的隐患,甚至造成逆变器模块损坏,极大地降低了地铁车辆运行的安全性、可靠性。对于IGBT的选型、保护及弓网结构的改进提供了重要参考。

基于FEKO的弓网离线电磁辐射研究

弓网离线产生的高频电磁噪声是高速铁路发展中不可避免的问题之一。从弓网离线电磁辐射产生的机理和特点出发,基于电磁场仿真软件FEKO搭建了接触网和机车的完整模型,在前人研究的基础上进一步对弓网离线的电磁骚扰特性进行了分析和研究。仿真实验结果不仅提供了精确的数据,而且对于弓网离线产生的电磁场的分布和衰减特性有了更直观地表现。

电力机车弓网离线电弧电磁辐射特性分析

在电气化铁路系统中,由电力机车顶部受电弓与供电牵引网之间不正常接触产生的离线电弧成为电力机车电磁干扰的主要来源。对电力牵引系统中电力机车弓网离线电弧高频电磁辐射的产生机理进行了探讨,分析了常压下气体放电物理过程,基于流注理论,将交流电弧的近阴极效应产生的电子堆振荡作为弓网离线电弧的辐射源,并将电子堆振荡等效为对称振子,借助高频电磁仿真软件模块HFSS15对远场方向图进行了仿真分析,相关结果与有关文献报导的实测结果基本相符。

钢筋混凝土对地铁弓网离线电弧屏蔽效能的研究

为了研究地铁站钢筋混凝土层对地铁弓网离线电弧的屏蔽效能,基于有限积分法（Finite Integration Technique,FIT）计算并分析了钢筋混凝土对平面波的屏蔽效能;讨论了不同混凝土结构对屏蔽效能的影响因素;实测得到了某地铁站的屏蔽效能.研究结果表明：素混凝土对电磁波的屏蔽效能具有一定的周期性,增加厚度对高频段的屏蔽效能影响不大;钢筋网的屏蔽效能在0.1～0.8GHz频带范围内大于30dB;双层钢筋混凝土在0.1～1.3GHz频带范围内的屏蔽效能大于40dB;实测屏蔽效能在整体上跟数值计算结果吻合得较好,验证了本文方法计算钢筋混凝土对地铁弓网离线电弧屏蔽效能的正确性.

基于改进Mayr模型的弓网离线电弧仿真分析

弓网离线电弧对受电弓滑板和接触网导线具有烧饬作用,严重危害列车的运行安全。首先介绍Mayr电弧模型,并基于能量平衡理论和横向吹弧理论,对弓网离线电弧弧柱的能量过程进行数学分析,研究高速气流对电弧耗散功率的影响。确立电弧耗散功率Ploss和车速v、电流I和离线间距l之间的函数关系,对Mayr电弧模型进行改进。然后运用Simulink仿真软件,搭建改进的Mayr电弧模型。最后对比分析弓网离线电弧仿真波形和实验波形,验证搭建的弓网离线电弧模型的合理性。结论如下:随着列车运行速度提高和离线间距的增大,气流对电弧的吹弧作用更加显著,电弧耗散功率增加,燃弧尖峰电压和熄弧尖峰电压增大。

基于D-dot传感器的弓网离线放电瞬态电场时域测试方法

弓网离线放电电磁辐射具有瞬态、宽频带的特性,可使用D-dot传感器对其进行时域瞬态电场测量,但在对传感器所测微分信号积分还原时,存在信号恢复失真问题严重。搭建了包含脉冲电场发生装置和测量装置的瞬态电场时域波形还原系统,开展了基于D-dot传感器的去直流、数值积分、消除趋势项以及系统辨识低频补偿在内的瞬态电场时域波形测试方法的研究,利用该方法测试了不同电压下弓网离线放电电磁辐射的电场时域波形。理论与实验结果表明:本文所提出的方法能准确、稳定地还原弓网离线放电所辐射瞬态电场的原始时域波形,还原信号与实测微分信号的主要频率分量均在7.5 MHz,二者的相关系数达到93%以上。

弓网离线的电气特性分析

随着现代高速列车的速度不断提高,弓网离线越来越严重。这不仅影响列车受流,还会对电气设备造成损害,其原因在于离线瞬间弓网电气特性发生变化。弓网离线实验装置实现弓网离线电气参量的测量,分析离线瞬间的弓网电气特性。实验结果表明:离线瞬间受电弓电压发生突变;正弦周期内不同时刻离线电流变化情况各异;离线瞬间弓网间电阻随弓网拉开距离的增大而增大,熄弧后变为无穷大。

动车组弓网离线电磁干扰研究

随着动车组列车运行速度的提升,弓网耦合振动加剧,弓网离线产生的电磁辐射更加剧烈,可能会对车载通信信号造成干扰,严重时可能造成通信中断,威胁列车运行安全。因此,有必要对弓网离线电磁干扰进行研究。建立接触网-受电弓-车厢有限元分析模型,研究离线电弧产生的电磁波在车体各部位的分布规律。结果表明:弓网离线电弧电磁波沿列车行驶方向衰减迅速,在受电弓所在车厢正下方电场强度最大,车厢内最大电场强度为11.1 V/m。该结论可为抑制弓网离线电磁干扰提供一定的理论基础。

电气化弓网离线电弧对GSM-R的电磁噪声分析

本文主要讨论GSM-R数字移通信系统的电磁干扰和电磁兼容问题,分析了电气化弓网离线噪声,以及此类噪声对GSM-R无线通信的影响,为降低此类噪声对GSM-R的影响做了有意义的工作。