弓網(wǎng)離線接觸電流總諧波畸變率的實驗研究

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驗研究

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)在運行過程中會發(fā)生離線現(xiàn)象，弓網(wǎng)離線會帶來嚴(yán)重的電磁噪聲問題。利用弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗平臺開展了不同條件下的弓網(wǎng)離線實驗，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)電磁噪聲提供了實驗依據(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，電力機車通過安裝于受電弓上的滑板從接觸網(wǎng)取得電能。在電力機車運行過程中，接觸網(wǎng)導(dǎo)線不平順、接觸網(wǎng)振動等多種因素導(dǎo)致的滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線短時分離的現(xiàn)象，稱為弓網(wǎng)離線。弓網(wǎng)離線會產(chǎn)生電弧放電并帶來嚴(yán)重的電磁噪聲問題，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)離線電弧的過電壓問題，針對弓網(wǎng)離線接觸電流的研究還很少見[5]。

本文研制了一套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗平臺，開展了不同條件下的弓網(wǎng)離線實驗，測量了弓網(wǎng)離線狀態(tài)下接觸電流的實驗數(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 實驗條件與實驗方案

2.1實驗裝置

實驗利用弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗平臺完成，通過控制實驗平臺中的弓網(wǎng)電弧發(fā)生器實現(xiàn)弓網(wǎng)離線。

弓網(wǎng)電弧發(fā)生器是在原有的滑動電接觸實驗裝置[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，實物圖如圖1所示。

圖1 弓網(wǎng)電弧發(fā)生器實物圖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、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步進(jìn)電機和可以將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的滾珠絲杠之間的配合來實現(xiàn)。通過驅(qū)動步進(jìn)電機的左旋轉(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

實驗利用NI PCI-6251型數(shù)據(jù)采集卡實時采集接觸壓力、接觸溫度、滑動速度、滑板往復(fù)移動速率、接觸電壓和接觸電流等實驗數(shù)據(jù)，并上傳到上位機的數(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。數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10kHz。

2.2實驗材料

實驗中用到的接觸導(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實驗方案

實驗旨在研究不同條件下弓網(wǎng)離線時接觸電流的畸變情況。通過控制接觸壓力、滑動速度和接觸電流，以銅導(dǎo)線和浸金屬碳滑板為實驗對象，進(jìn)行了64組實驗，實驗條件如表1所示。

表3 實驗條件Tab.3 Experimental conditions

3 傳導(dǎo)電磁噪聲測量與分析

3.1傳導(dǎo)電磁噪聲測量結(jié)果

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

圖3 系統(tǒng)未運行電流波形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)半周不再對稱，波形發(fā)生了畸變?；兊慕佑|電流會導(dǎo)致牽引變壓器的鐵心飽和程度加劇、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)離線時接觸電流的傳導(dǎo)電磁噪聲，利用總諧波畸變率來反映接觸電流的畸變程度，即弓網(wǎng)離線時傳導(dǎo)電磁噪聲的強弱。

總諧波畸變率（THD），是用來表征波形相對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驗條件之間的關(guān)系

（1）接觸電流總諧波畸變率與滑動速度、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，接觸電流總諧波畸變率隨接觸壓力、滑動速度之間的變化關(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速度的增加而呈現(xiàn)總體增大的變化趨勢。當(dāng)滑動速度提高時，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)電弧時有時無，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。增大接觸壓力，會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)滑動速度分別為20km/h、25km/h、30km/h、40km/h時，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，接觸電流的總諧波畸變率變化不大，雖有微小波動，但總體有減小趨勢。隨著接觸電流的增加，弓網(wǎng)離線時產(chǎn)生的電弧的輸入功率增加，當(dāng)電弧的散熱功率沒變時，弓網(wǎng)電弧的穩(wěn)定性增強，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）計算不同條件下弓網(wǎng)離線時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、滑動速度、接觸電流給定值擬合進(jìn)行擬合計算，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實驗因素之間的3個最優(yōu)擬合表達(dá)式。

（3）對接觸電流總諧波畸變率與每一種單個實驗因素之間的3個最優(yōu)擬合表達(dá)式進(jìn)行全排列組合計算，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。

在擬合計算時，通常采用擬合優(yōu)度統(tǒng)計量對擬合度進(jìn)行評價。本文采用決定系數(shù)R2作為擬合優(yōu)度統(tǒng)計量來評價擬合效果。R2越接近1，說明擬合度越高、擬合效果越好。

決定系數(shù)R2的表達(dá)式為:

圖8 不同滑動速度時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——實測值；

y——測值的平均數(shù)。經(jīng)擬合計算，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驗值與預(yù)測值Tab.4 Experimental and predicted value of THD

表4為不同的接觸壓力、滑動速度、接觸電流給定值條件下，接觸電流總諧波畸變率的實驗值與模型預(yù)測值的對比。表4表明，接觸電流總諧波畸變率的實驗值與模型預(yù)測值基本一致，證明了模型的有效性。

5 結(jié)論

通過自行研制的弓網(wǎng)電弧電磁噪聲實驗平臺，對弓網(wǎng)離線時接觸電流的傳導(dǎo)電磁噪聲進(jìn)行了測量與分析，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，并驗證了該模型的有效性。該數(shù)學(xué)模型可以用來進(jìn)一步研究弓網(wǎng)系統(tǒng)滑動電接觸的傳導(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，長期從事電接觸理論及其應(yīng)用、智能電器的研究。

國家自然科學(xué)基金項目（51277090），遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)研究項目（LZ2014024）。

2014-09-10

王喜利 男，1986年生，博士生，研究方向為電接觸理論及其應(yīng)用。