鐵路牽引供電弓網(wǎng)噪聲的分析與處理

鐵路牽引供電弓網(wǎng)噪聲的分析與處理

用電天路設(shè)計對無線通信系統(tǒng)的影響隨著電氣化道路的快速開發(fā)，電氣化道路對其他廣播設(shè)備的影響越來越受到關(guān)注。對于雷達站、機場導(dǎo)航臺等設(shè)施，國標中都明確規(guī)定了防護距離以避免或降低來自電氣化鐵道的干擾。我國鐵路擁有專用的無線通信系統(tǒng)，包括450/800MHz的無線列調(diào)與列尾系統(tǒng)、GSM-R鐵路綜合通信系統(tǒng)，以及用于重載列車同步操控的Locotrol系統(tǒng)等。對于這類通信設(shè)備，無可避免地工作在鐵路沿線的電磁環(huán)境下。研究電氣化鐵道電磁騷擾的來源和機理，及其對鐵路無線通信系統(tǒng)的影響，具有現(xiàn)實的工程意義。本文通過實驗室模擬，對機車受電弓滑動離線引起的電磁干擾噪聲進行數(shù)學(xué)建模，并使用APD統(tǒng)計測量方法分析了此噪聲對無線通信系統(tǒng)的影響。1磁體氧化法的風(fēng)險模型現(xiàn)有的文獻及實測1.1空氣間隙放放線模式根據(jù)湯遜理論式中的α系數(shù)代表一個電子沿電場方向運動經(jīng)過1cm長度平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)，γ標示折合到每個碰撞陰極表面的正離子使陰極金屬平均釋放出的自由電子數(shù)，d為氣隙長度即電極間距離。巴申定律式中A和B是取決于pd乘積的氣體常數(shù)。在標準大氣狀態(tài)條件下（p=101.3kPa,T=20℃=293K），空氣間隙的擊穿電壓一般可用經(jīng)驗公式計算：式中U單次的火花放電很容易在實驗室中實現(xiàn)除了放電電壓，放電時的其他條件如放電回路的阻抗特性的不同會使放電電流的上升沿時間、衰減常數(shù)都發(fā)生變化，噪聲信號的譜分布也大不相同。試圖用一個式子來描述不同條件下的放電噪聲是困難的。在此，我們將通過實測獲取的發(fā)生在t1.2弓網(wǎng)間電壓超過空氣間隙擊穿電壓時，．在機車運行時，火花放電并不是單次出現(xiàn)的。當受電弓與接觸線分離，空氣間隙的端電壓隨著接觸網(wǎng)工頻電壓變化到達擊穿電壓U首個火花脈沖的產(chǎn)生時刻與受電弓離線時的弓網(wǎng)間電壓條件有關(guān)：如果離線時刻發(fā)生在弓網(wǎng)間電壓高于空氣間隙的擊穿電壓之時，則首次放電即刻發(fā)生；如果該時刻弓網(wǎng)間電壓不足以擊穿空氣間隙，則弓網(wǎng)間出現(xiàn)短暫的斷流，然后在達到擊穿電壓的時刻發(fā)生首次放電。在受電弓離線的持續(xù)時間T離線的持續(xù)時間T將(5)式代入(3)得到擊穿電壓在T以TSG3型受電弓據(jù)此，可以得到一次離線期間發(fā)生的火花脈沖群的表達式：式中N為在受電弓離線的持續(xù)時間TA1.3接觸取流條件機車運行中受電弓與接觸網(wǎng)發(fā)生離線的成因有多方面的因素。弓網(wǎng)間的動態(tài)接觸壓力、接觸網(wǎng)硬點、受電弓振幅、接觸網(wǎng)導(dǎo)線的材質(zhì)與平順率、接觸網(wǎng)張力與彈性、上抬量、以及接觸網(wǎng)受激產(chǎn)生垂向振動及因此形成沿接觸網(wǎng)傳播的行波等，都是影響接觸取流條件的因素。在這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)中，接觸網(wǎng)硬點對于產(chǎn)生離線現(xiàn)象的貢獻為最由此可以得知，接觸網(wǎng)與受電弓之間產(chǎn)生的電火花群的出現(xiàn)頻率與以下幾個參數(shù)綜上，得到電氣化鐵道電火花脈沖騷擾的模型表達式:2混凝土網(wǎng)絡(luò)電流的apd特性2.1國外噪聲測量方法簡介幅度概率分布（AmplitudeProbabilityDistribution）測量方法于上世紀中葉提出，最初用于對大氣噪聲的統(tǒng)計測量，日本學(xué)者于70年代首先將其應(yīng)用于電氣化鐵道無線電噪聲的測量。上世紀80年代初，國內(nèi)的張林昌與沙斐教授曾對此進行過相關(guān)研究無線電騷擾的APD定義為2.2聲信號產(chǎn)生模塊基于前述的模型，搭建了弓網(wǎng)離線時產(chǎn)生火花騷擾的Simulink仿真模型，如圖4。該模型主要有五個部分組成：弓網(wǎng)離線事件模擬模塊、火花條件計算模塊、噪聲信號產(chǎn)生模塊、APD測量模塊與預(yù)處理模塊（圖中未顯示）。弓網(wǎng)離線事件模擬模塊根據(jù)設(shè)定的車速、定位點跨距、受電弓歸算質(zhì)量、弓網(wǎng)平均接觸壓力、最大離線間隙、離線概率等條件產(chǎn)生隨機的弓網(wǎng)離線事件，為仿真系統(tǒng)包括離線發(fā)生時刻、持續(xù)時間、弓網(wǎng)間隙的變化等信息?；鸹l件計算模塊根據(jù)來自離線事件模塊和接觸網(wǎng)工頻電壓的輸入信息來判定火花隙的產(chǎn)生時刻，并計算此時的放電電壓等級，并以此觸發(fā)下一級的噪聲產(chǎn)生模塊。最后，由APD測量模塊對仿真的噪聲進行統(tǒng)計測量。2.3電火花隙噪聲apd測量圖5是模擬20秒時間內(nèi)離線事件的發(fā)生情況。設(shè)置仿真條件為：車速200km/h，定位點跨距64m，受電弓歸算質(zhì)量49kg，接觸壓力109N，最大離線間隙1cm，經(jīng)過定位點離線概率0.2。圖5(a)中出現(xiàn)的矩形脈沖即代表發(fā)生一次離線，脈寬為T圖6顯示了被觸發(fā)后的噪聲源的輸出情況。(a)為火花判決條件，(b)為觸發(fā)脈沖，(c)為噪聲源的輸出。(d)是將(c)中一個輸出噪聲脈沖放大顯示的情況。需要說明的是這個輸出脈沖并不是所采集電火花脈沖的直接復(fù)現(xiàn)，而是將原始波形經(jīng)過預(yù)處理模塊后得到的帶限響應(yīng)信號（等同于測量接收機經(jīng)過單位增益中頻放大后的信號包絡(luò)）。圖7為依照EMC標準測量方法對電火花噪聲進行120秒APD統(tǒng)計測量的結(jié)果。仿真條件為：車速200km/h，定位點跨距64m，受電弓歸算質(zhì)量49kg，接觸壓力109N，最大離線間隙1cm，經(jīng)過定位點離線概率0.5。不同頻點的APD繪在同一張圖中。圖中階梯狀左側(cè)四條曲線重合的區(qū)域是背景噪聲的貢獻，右側(cè)是火花脈沖的貢獻。圖8是在相同仿真條件下，不同離線概率下同一頻點（800MHz）的APD分布比較。由于弓網(wǎng)離線電火花的產(chǎn)生是由諸多條件觸發(fā)的事件，火花隙出現(xiàn)的累積時間與測量時間相比非常短。按照EMC標準測量方法所得到的APD測量結(jié)果可能無法反映火花隙對通信系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬態(tài)影響。可以用單次離線事件期間或連續(xù)發(fā)生離線事件（二者等價）的火花隙噪聲APD特性來作為考察及估計瞬態(tài)影響的參考。圖9是連續(xù)離線條件下弓網(wǎng)火花噪聲在800MHz的APD分布。3測試數(shù)據(jù)的擬合仿真本文提出了一種構(gòu)建電氣化鐵道電火花噪聲模型的思路和方法。對弓網(wǎng)離線的動力學(xué)模型、火花隙條件、火花群產(chǎn)生機理等方面借鑒吸收了前人的研究該模型的優(yōu)點在于：通過單次的現(xiàn)場實測采集數(shù)據(jù)后，即可通過仿真復(fù)現(xiàn)該工況下全頻段的騷擾測量結(jié)果，比之傳統(tǒng)的頻域測量方法節(jié)約了大量的試驗時間和成本。運用該方法進行數(shù)值仿真的結(jié)果對研究和預(yù)測電氣化鐵道的電磁干擾問題具有一定的實用意義。單個火花放電的參數(shù)是決定最終噪聲頻譜分布的一個重要條件，須經(jīng)實測獲得各典型工況的原始數(shù)據(jù)。通過對我們原有測試數(shù)據(jù)的擬合仿真，結(jié)果基本符合。目前課題組正積極組織進行測試，補充試驗數(shù)據(jù)，以改進和完善該模型。本文的受電弓動力學(xué)模型適用于剛性接觸網(wǎng)的情形，對于鏈型懸掛形式的電氣化鐵道接觸網(wǎng)，該模型需作一定程度的修正。2.2有限元法的ANSYS仿真利用有限元法的Ansys軟件分析正五邊形場域內(nèi)電勢分布。分析參數(shù)為V1=1,V2=-1,V3=1,V4=-1,V5=1；真空中相對介電常數(shù)為1。仿真結(jié)果如圖4所示。當n很大時，利用MATLAB編寫的有限差分程序具有局限性。理論上只需要改變?nèi)我庹噙呅蜠irichlet邊界條件值和標志值，外接圓半徑的邊界值和標志值，外接圓半徑的表達式等就可求解出場域內(nèi)的電位分布的等位線圖和電勢三維曲面圖，但在實際應(yīng)用當中，當n增大至某一個數(shù)值時，例如當n=20時，正多邊形與圓可以近似對待，程序不再適用，此時只需利用ANSYS的GUI方式，在“Selection”中定義20個邊界值“V1-V20”，在創(chuàng)建模型模式(Modeling)下確定圓形求解區(qū)域，其余步驟與正五邊形一致，即可近似得到正多邊形場域內(nèi)電位分布，仿真結(jié)果如圖5所示。3生成網(wǎng)絡(luò)地理位置內(nèi)的解矢量u本文通過對正五邊形場域內(nèi)的電位分布的仿真實驗，可以看出用有限差分法和有限元法得出的結(jié)果是一致的，如圖3和圖4所示。這說明本文對正多邊形有限差分算法推導(dǎo)結(jié)果是正確的；Ansys軟件的GUI方式不同于命令流方式，不需要編寫計算程序，操作簡便易懂，只要在GUI中按步驟一步步操作即可得到預(yù)想和需要的圖形。其缺點是在后處理器(GeneralPostproc)中的結(jié)果列表模式(ListResults)下通過選擇節(jié)點計算(NodalSolution)中的電勢(ElectricPotential)，得到的解矢量u是一個多行1列的矩陣，如在計算正五邊形模型時，在設(shè)置所選線上劃分單元數(shù)(