弓网电弧电磁干扰传播的若干理论研究

摘要

实验室测试结果显示离线引起接触网—受电弓之间的电弧（弓网电弧）是一个频谱很宽的电磁干扰发射源。一方面铁路地面架设的供电导体:接触网、负馈线和钢轨等供电导体构成的多导体传输线(MulticonductorTransmissionLineMTL)为弓网电弧电磁干扰的传播提供了回路，另一方面沿着地面架空MTL传播的弓网电弧电磁干扰也向外辐射电磁波，影响铁路沿线电子敏感设备的正常工作。这些为电磁干扰提供传播路径的MTL都架设的大地之上，大地是一个由固体颗粒、水和空气构成的复杂不均匀混合体，由于长期的沉积作用，明显表现出水平分层特性。由于在分层结构表面吸附表面波(trappedsurfacewave)的存在，弓网电弧电磁干扰沿分层土壤表面的电磁辐射也发生明显变化，同时也影响了电磁干扰沿架空MTL的传播特性。为了简化分析本文把土壤看成是二层结构，其中下层土壤厚度为无穷大，分别研究了AT变压器、轨道电路和二层土壤对电气化铁路弓网电弧电磁干扰传导和辐射传播的影响。
　　本文基于多导体传输线理论的时域有限差分法（Finite-DifferenceTime-DomainFDTD）研究了弓网电弧电磁干扰沿架空多导体的传导干扰传播特性，首先根据研究对象不同分别把架空多导体等值合并为三导体和四导体传输线，计算了多导体的二层土壤自阻抗和互阻抗矩阵，并用矢量匹配法得到了该阻抗值的近似结果。考虑到AT变压器和轨道电路设备对电弧电磁干扰的传导影响较大，介绍了基于试验和矢量匹配法得到等效电路的步骤，并根据它们等效电路的状态变量方程和输出方程，推出了集总元件（AT变压器和轨道电路设备）连接在多导体终端和中间时的FDTD迭代公式。从推出的结果可以看出由于AT变压器和轨道电路设备不是连接在主动线(ActiveLine)和参考线之间而是连接在主动线和主动线之间，使得FDTD迭代公式中的矩阵不再是对角线矩阵，增加了求解时间。
　　弓网电弧电磁干扰没有成熟的数学模型，而梯形电压波可以很方便地调节参数模拟不同带宽的干扰源，所以本文基于以上推导的迭代公式以梯形电压波作为弓网电弧电磁干扰源研究了不同带宽电磁干扰源的传播特性;二层土壤通过影响电报方程中的地阻抗而影响电弧电磁干扰的传导，通过改变上层土壤的厚度研究了不同土壤结构对电磁干扰传播的影响;由于弓网电弧的发生位置是随机的，且同时也可能连续发生多个干扰源，本文研究了弓网电弧距AT变压器不同距离和单个、双个电磁干扰源的传播特性。
　　最后论文研究了二层土壤结构对弓网电弧电磁干扰辐射传播的影响，基于频域麦克斯韦方程推导了架设在二层土壤上无限长导体的场分量积分表达式，根据围道积分理论得出在土壤表面的场，包括直射波、反射波、侧面波和吸附表面波，分析得出该吸附表面波由被积函数的极点留数决定，与上层土壤厚度有很大关系（在一定厚度下吸附表面波占主要成分），且离开地面以后迅速衰减的结论。并指出了电气化铁路电磁干扰测试中由于天线距离地面1-3米，此时吸附表面波几乎已经衰减完，不能反映出地面吸附表面波的情况。分析结果显示，地面电子敏感设备建设仅依据测试结果是不行的，还要参考施工地点大地的电磁特性，最好能测试出贴近地面的电磁干扰值作为一项重要的附加参考指标。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 弓网电弧电磁干扰研究背景

1．2 弓网离线电弧危害及其抑制技术

1．3 弓网离线电弧电磁干扰的研究现状

1．3．1 电气化铁路电磁兼容标准的制定

1．3．2 弓网电弧电磁干扰实验室电气特性研究

1．3．3 弓网电弧电磁干扰测试方法的研究

1．3．4 弓网电弧电磁干扰横向衰减研究

1．3．5 铁路供电多导体电磁干扰传播的研究

1．4 论文立题的意义和研究内容

1．5 论文结构

第二章 电气化铁路弓网系统及分层土壤概述

2．1 电气化铁路牵引供电

2．1．1 AT牵引供电网

2．1．2 电气化铁路接触网

2．1．3 电气化铁路牵引供电多导体

2．2 电气化铁路受电弓

2．3 弓网离线的评价标准

2．4 轨道电路及其干扰

2．4．1 轨道电路分类

2．4．2 轨道电路的干扰

2．4．3 轨道电路的抗干扰分析

2．5 土壤分层及其电磁特性

2．6 土壤结构对电磁干扰传播的影响

2．7 本章小结

第三章 弓网电弧电磁干扰传导仿真研究

3．1 地面架设牵引供电多导体

3．2 多导体的传输线求解

3．2．1 架空线的电报方程应用条件

3．2．2 铁路架空多导体时域电报方程

3．2．3 三导体架空线的传输线参数值

3．2．4 架空线二层土壤地阻抗的时域处理

3．2．5 二层土壤地阻抗矢量匹配近似

3．3 AT变压器的等效电路模型及状态方程的处理

3．3．1 AT变压器的等效电路模型

3．3．2 AT变压器状态方程的处理

3．4 铁路系统架空线的FDTD迭代方程

3．4．1 FDTD离散原则

3．4．2 FDTD迭代中电磁干扰源

3．4．3 考虑二层土壤地阻抗的FDTD电流迭代

3．5 计算结果与讨论

3．5．1 不同带宽的影响

3．5．2 电弧位置与AT变压器距离的影响

3．5．3 第一层土壤不同厚度的影响

3．5．4 有多个电弧发生的叠加影响

3．6 本章小结

第四章 弓网电弧对轨道电路的耦合干扰仿真研究

4．1 考虑轨道电路影响的供电多导体

4．1．1 不规则导体圆柱近似法则

4．2 供电多导体中间连接集总元件的处理

4．3 直流轨道电路

4．3．1 发送端等效电路及FDTD离散

4．3．2 接收端等效电路及FDTD离散

4．3．3 直流轨道电路最终迭代公式

4．4 计算结果与讨论

4．4．1 单源和双源的影响

4．4．2 不同带宽的影响

4．4．3 不同位置轨道电路设备的响应

4．4．4 接收端和发送端的响应

4．5 任意轨道电路FDTD迭代公式

4．6 本章小结

第五章 弓网电弧的辐射干扰仿真研究

5．1 测试点波的构成

5．2 二层土壤对铁路架空线电磁辐射场研究

5．2．1 被积函数的枝点和极点

5．2．2 二层土壤弓网电弧电磁干扰的吸附表面波

5．2．3 二层土壤铁路架空线侧面波

5．2．4 二层土壤铁路架空线总场表达式

5．2．5 计算结果与分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 今后工作展望

参考文献

攻读博士期间发表的论文

作者简历