矿用架线电机车弓网电弧辐射电磁噪声特性_王智勇.pdf

第卷第期年月电 力 电子技术，矿用架线电机车弓网电弧辐射电磁噪声特性王智勇夏春杰、侯星 雨，郭凤 仪（辽宁工程技术大学，电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛；国家电网河北电力曲阳县供电 公司，河北保定；温州大学，电气 与电子工程学院，浙江温州）摘要：在电波 暗 室中开展模拟矿用架线电机车运行条件下弓网 电弧辐射电磁噪 声实验。统计分析弓网电弧电场噪声 时域特性参 数随回路电流、接触压力和 滑动 速度的变化规 律。利用瞬时频 率分析法，计 算电场噪声峰值时 刻的瞬时频率（）及电场噪声持续时间内的瞬时频率均 值（）。电场 噪声 峰值和持续时间随回路电流增加而增大，上升时间和振荡周期受回路电流影响较小。峰值、上升时间、振荡周期 和 持续时间均 随滑动速度增加而小幅度增加，受接触压力 影响不大。电场噪声主要分布在，电场噪声主要分布在。关键词：弓网电弧；辐射电磁噪声；滑动 速度；矿用 架线电机车中图分类 号：文献标识码：文章 编 号：（），（，）：，？（），（）？，？，：；：（）；？（）引言煤矿井下作业空间狭小，大功率矿用电气 设备产生的辐射电磁噪声 会使周围电磁环境不断恶化，导致井下电子产品、监控与通信设备受干扰，造成开关误动、器件烧坏等，直接威胁煤矿安全生产。研宄煤矿井下电气设备的辐射电磁噪声特性对指导矿用 电气设备电磁兼容设计具有重要意义。基 金项目：国家自然科学基金（）；辽宁省自然科学基金（）定稿日期：作者简 介：王智勇（），男，副教授，研究 方 向 为电器理论及应用。矿用电机车是井下作业的重要运输工具。架线电机车通过 受电弓滑板与接触网导线之间的滑动 接触来 获 取动力。架线电机车运行 期间，时常出现受电弓滑板与接触网导 线脱离、产生弓网电弧放电 的现象。弓网 电弧产生的辐 射电磁 噪声，会对附近电子设 备和通信系统造成干扰。现有研宄主要是实 测煤矿井下不同作业区域电气 设备产生的辖射电磁噪 声特性，对矿用架线电机车辐射电磁 噪声特性的研究较少，特别是关于这种辐射电磁噪声影响因素的实验研宄还未见相关报道。这里开展了模拟矿用架线电机车运行条件下弓网电弧辖射电磁噪声实验，分析回路电流、接触压力和滑动速度对弓网电弧辐射电磁噪 声时域、频域特性的影响。矿用架 线电机车弓网电弧辐射电磁嗓声特性弓网电弧辐射电磁噪 声实验实验装置利用自行研制的弓网 电弧电磁噪 声实验系统，在电波暗室中开 展模 拟矿用架 线电机车运行条件下电弧辐 射电磁噪 声 实验。该系统由电波暗 室、弓网电弧实验主电路、信号检测系统组成，如图所 示。分别利用型环 形 天线和 型对 数周期天线检测弓网电弧磁 场噪 声 和电场噪 声。环形天线测量频段是，对数周期 天 线 测量频段是。利用型示波器同步接收天 线测得磁场和电电场噪声 那样明显的振荡 衰减过程。与电场噪声相比，磁 场噪 声 幅值非常 小。在相同条 件下，磁场噪声信号强度远小 于电场噪声信 号 强度。因此，这里着重分析弓网电弧的电场噪声特 性。图典 型的弓网 电弧电磁噪 声波形 场噪 声信号，将 其存储到盘中进行后 续 分析。电流；负载 柜：电源”上位机接线电扭右滑板电波暗室内部环形对 数周期大线天线电缆波导管图弓网电弧电磁噪声实验系统 实验方案采用浸铜碳滑板和截 面积为的铜 导线 作为 实验材 料，接触导线和滑板在的物理参数 见表。参照矿用架 线电机车的实 际运行 参数，使用电源，在阻性负载回路中开展组不同回路电流、接触压力和滑动 速 度条件下弓网 电弧辐 射电磁噪 声实验，具体实验 条 件见表。表滑板和接触导线 物理参 数 电场噪声时域 特 性分析采用峰值、上升时间、振荡周期、持 续时间来反映弓网电弧电场噪 声的时域 特 性。其中，峰 值能在一定程度上反映电场噪声的瞬时干扰强 度，振荡周期 是电场噪 声波形周期性变 化的度量，持 续时间能够 代表电场噪声干扰强度的有效区间。上述参数的具体定义及计算方法详见文献。回路电流对电场噪声时域特性的影响在接触压力为 条件下，弓网 电弧电场噪声 特 性 参数随回路电流和滑动速度的变化曲线 如图所示。上升时间振荡周期一会眷抑参数材料布氏硬度密度电阻率比热（导热率（）（？）（）（）浸铜碳滑板铜接触导线 滑动 速 度（）上升 时间、振荡周期与回路电流、滑动速度的关 系 滑动速度（）（）持 续时间、峰 值与回路电流、滑 动速度的关系表实验 条 件 组别回路电流接触压力滑动速度（），？，？，实验结果图为 典 型的弓网 电弧电磁噪 声波形。可以看出，弓网 电弧电场噪 声波形是 短 暂的阻 尼振荡脉冲。弓网电弧磁场噪 声波形无明显的衰减时间，信号在 峰值点之后很快 衰减到正常 值，并未出现图变化曲线图表明，回路电流对上升时间和振荡周期的影响非常小。这是因为这 两个特性 参 数主要由空间介质决定。若空间介质不变，则此空间内的电磁衰 减 率 就不会 变 化。因此，这两个参 数不会产生大 波动。图表明，回路电流越大，则电场噪 声的峰 值 越 高、噪声的持续时间越 长。这是因为：弓网电弧的辐 射电场噪 声是 随 着电弧电流的瞬 态 变化而产生，辐射电场噪声的幅值与回路电流的变 化率成正比。当回路电流 为时，电弧产 生 瞬间电流的下降速率明显小于回路电流为时的下降速率，所以 回路电流为时的 电场 辐射峰值低于时的峰值，即辐 射电场噪 声的峰值随回路电流的增加 而 增大。由于空间内电磁波的衰减速率 不 变。因此，电场噪声的峰值越 大，则噪 声 第卷第期年月电 力电子技术，一：时问：观 接触压 力（上 升 时间、振荡周 期与（）持续时间、峰值与接触压力、滑动 速度的关系接 触压 力、滑动速度的关系图变 化曲线当滑板和接触导线 脱离、产生弓网 电弧时，脱离 前滑动接触状 态下产生的焦耳热会在一定程度上影响滑板和接 触导线 表面的热发射作用，进而影响电弧 生 弧的难易程度。接触压力越 大、焦耳热越多，则电极 表面的热 发射作用越强烈，相同条件下更 容易引燃电弧，使回路电流（即 电弧电流）的时间变化率越大，由此产生的弓网 电弧电场噪声的幅值越大。由于实验期间回路电流较小，在接 触压力作用下因接触电阻波 动 产生的焦耳热的变化很小，因此，在小电流 条 件下弓网 电弧电场噪 声的上升时间、振荡 时间、持续 时间和峰值等特性 参 数随接 触压力的变 化并 不明显。电场噪声的时频特性分 析时频特性参数及其计算电场噪 声峰值时刻 释放的能量最强，对电子设备造 成的干扰最为强烈。持续时间过后电弧 释放的能量 会减小，对电子 设备 造 成的干扰也会减弱。因此，将电场噪声 和电场噪 声作为时频特性参数，通过计算和，可以获得电弧电场噪 声在电磁干扰最强瞬间的频率及电磁干扰 最强时间段内的平均 频率。采用瞬时频 率分 析法计算和，计算流程如图所示。相关系数和方差贡献率为（，）（），（）（）（）式中：为电场噪声信 号；，为信号分 解 得到的不同 固有模态 分 量（）；（，）为尺和，的协 方 差；（）和（人）分 别 为：和，的方差。图电场噪 声瞬时频 率的计 算流程 信号从峰 值时刻衰减到 峰值时刻所需的时间就越长，即 电场噪 声的持 续时间越 长。滑动速 度对电场噪声时域特性的影响由图可知，随 着滑动速度的增加，弓网 电弧电场噪声的上述个时域特 性参数都有增大的变化趋势，但除了持 续时间以外，其他个参数增 加的都不明显。弓网电弧产 生后，滑板与接触导线之间的相对滑动会对电弧形成 拉伸作用。在相同条件下，滑动速度越大，则电极运动对电弧的拉伸 作用越强，使电弧的弧柱长度越长、直径 越小，造成电弧电阻越大。根据电极分 离放电模型，在 滑 板与接触导线脱离、产生弓网电弧时，电路的瞬 态过 程相 当于弧隙的等 效电容对回路电阻进行放电，将产生阻容振荡。阻容振荡引起的电场噪声 的振荡频率 与 等 效电容和回路电阻的乘 积 成反比。由于振荡回路的 电阻由负载电阻和电弧电阻串联组成，在负载电阻 和等效电容相同时，滑板的滑动速度越 大，电弧电阻越 大，则电场噪声的振荡频 率 越小。电场噪 声的辐 射 频 率越小，则幅 值的波峰与波谷交替变 换的时间越 长。因此，电场噪 声的上升时间和振荡周期也 会 随之变 大。滑动速 度 增大 时，电极对弓网电弧 弧柱的拉仲 作用加 剧，造 成电弧燃弧状态波 动加 剧、电弧电阻快速变化，导致电弧电流变化率 增大、电场噪声的幅值 变大。由于空间内电磁波的衰减速率不变，因此，滑动速度增加 时，电场噪 声的持续时间增加。接触压力对电场噪声时域特性的影响在回路电流为条 件下，弓网 电弧电场噪声特性 参数随接触压力 和滑动速度的变化曲线如图所示。图表明，电场噪声 时域特性 参数随接触压力 的变化并不明显。滑板与接触导线 脱 离、产生弓网 电弧 之前，滑板与接触导线处于滑动接触状 态，接触电阻 处于波动运行状态。相同条件下，接触压力越大，则接触电阻越小。弓网 电弧电磁噪声实验时，滑板与接触导线回路采用恒压源作为实验电源，通过调节回路的负载电阻来控制给定的实验电流。在滑 板与接触导线滑动接触 过程中，接触电阻使回路的实际工作电流 不断变化。实验结 果表明，当回路电流设定为，滑动 速 度为，接触压力分别为，和，滑板与接触导线脱离前时间内回路电流分别为，和，接触电阻分另为，和，产生的焦 耳热分别 为，和。可见，接触压力增 加时，回路电流与接触电阻共同作用产生的焦耳热不 断增大。接触压力为时，图为电场噪声的瞬时频率（和）随滑动速度变化曲线。图表明，相同 电流条 件下，电场 噪声瞬时频率 随滑动速度增 加呈现下 降的变 化 趋势。相同条件下，增 加滑动速 度会 使电弧的拉伸 作用加剧，从而导致电场 噪声的振荡频率下降。图还表明，当回路电流由增 加至时，电场噪声瞬时频率 变化不大。这说明，弓网电弧辐 射能量最强时刻以及辐射最 强时间段的噪声瞬时频率受外界条件变化的影响有限，电场噪 声的瞬 时频率（和）主要 取决于空间内电磁波的衰 减 速率。参 考文献冯德旺，任锦彪，崔婷 婷，等煤矿井下电磁环境测试方法研宂中国安全科学 学报，丨，（）：邹 哲 强，庄捷，屉世甲煤 矿 井下中低频段电磁干扰测量与分 析工矿自动化，（）：郭凤仪，李 茁恒，唐爱霞，等降 雨环境下弓网电场噪声时域特性 分析辽宁工程技 术 大学学报（自然科学版），（）：金梦 哲，刘尚合，邢彤，等高速铁路弓网离 线电弧电磁 辐 射特 性的试验 研宄电力自动化设 备，（）：冯 晓丽，王智勇，杨 紫明，等基于的单 次电弧辐射电磁噪声时频分析电工电能新技术，（）：通过开展低速、小电流条件下的直流弓网电弧电磁噪 声 实验，得到以下结 论：电场 噪声的峰值和持续时间随回路电流的增 加而增大，上升时间和振荡周期受回路电流的影响较小。峰值、上升时间、振荡周期 和持续时间均随滑 动 速 度的增加而小幅度增加，受接触压力的影响较小；电场噪声峰 值时刻的瞬时频 率主要分布在，电场噪 声持 续时间内的瞬时频率 均值主要分 布在；弓网电弧电场噪声特性的主要 影响因素是回路电流的变 化率 和 空间介质，滑 动 速度和接触压力对电场噪声的影响较小。结论 滑动 速度（）图变化曲线 以 图的电磁噪 声 信号 为例，计算后 的相关系数及方差 贡 献率如 表所示。选取和最 大的计算电场噪声的瞬时频率，得到电磁噪声信号的瞬时频率 分 布，如图所示。表和：的计算结 果 分量，？电场 噪声的瞬时频率回路电流为时，图为电场噪声的瞬时频率（和）随接 触压力变化曲线。图表明，电场噪 声的主要分布在？，接触压力对的影响并 不明显。这是因为，电场噪声 峰值时刻瞬 时频率取决 于电弧电阻和空气介电常数。在 暂态阶段电弧电阻率与电流大小相关性较小，故受接触压力的影响不大，基本维持在附近。电场噪声的 主要分布在，持续 时间内电场噪声瞬时频 率的变化，主要与空间介质有 关。空间介质决定 着电磁波的衰 减速率，当电场噪 声的峰 值不变时，噪声从峰值时刻振荡衰减到峰值的所需的时间很难发生变化。因此，接 触压力对电场噪 声 的影响不大，也