杂散分析

杂散分析（共8篇）

杂散分析 篇1

直接数字频率合成(DDS)[1]是一种新的频率合成技术,具有频率分辨率高,频率切换速度快,并且在改变时能够保持相位连续,容易实现频率、相位和幅度的调制等特性。因此,在现代电子系统设备及频率源设计中,尤其在通信、雷达、电子对抗及仪器仪表等领域中被广泛应用。但DDS的输出杂散较大、频谱纯度较差在一定程度上制约了它的发展与应用。因此,如何抑制DDS输出杂散成了当前研究的热点。本文介绍了DDS原理和杂散来源,总结了当前一些有效的抑制DDS杂散的方法,以便能够帮助大家更好的了解、进一步研究和应用DDS技术。

1 DDS基本原理

DDS实质上是把一个周期的模拟波形信号通过采样、量化、编码,形成一个正弦函数表存储在ROM中,通过顺序的提供周而复始的地址,从ROM中读出该量化后的数字波形信号,再通过D/A还原,这种ROM+D/A模式的波形合成技术就是DDS技术的雏形。现在的DDS系统主要是有相位累加器、波形ROM、D/A转换器及低通滤波器四个部分构成。其基本构成原理图如图1所示。

相位累加器是由一个N位加法器和一个N位寄存器构成,通过把上一时钟的累加结果反馈到加法器的输入端而实现累加功能,从而使输出结果每一时钟周期递增Fr。其中,Fr称为频率控制字,它唯一的确定了输出信号的频率。当Fr=1时,DDS输出最低频率fc/2N,即DDS的频率分辨率。根据奈奎斯特准则,DDS输出的最高频率为fc/2,即Fr=2N-1,但实际中受LPF影响,一般输出频率不超过0.4fc。

2 DDS杂散来源模型

实际DDS中,由于相位累加器的位数N很大,一般不等于波形ROM地址线的位数,且波形ROM存储数据量化位数有限,因此在这个过程中会引入相位截断误差ξp(n)和幅度量化误差ξM(n),同时DAC的非线性也会产生转换误差ξDA(n)。正是这些误差在信号频谱中引入了杂散成分,并且是DDS中杂散的主要来源,杂散模型[2]如图2所示。

3 DDS杂散分析及抑制方法

首先,为了使DDS具有很高的频率分辨率,一般相位累加器的位数N都取的很大,如N=32,48等,若这N位都用于寻址,那么它所需的ROM存储量将为2N,此容量太大,实际并不可用,故通常将N位中的高M位用来寻址,其余舍去,这样就引入了相位截断误差。其次,在理论上任意模拟幅度值都需要用无限长的二进制数才能精确表示,而在实际DDS中,从相位到幅度的转换是通过查找波形存储表ROM来实现的,ROM要对模拟信号幅度值进行量化后才能输出,而ROM的输出位数为D,是有限的,从而引入了幅度量化误差,又称作背景噪声。

DDS中的这些误差严重影响了DDS性能,因此,国内外学者在深入研究DDS的杂散成因及分布规律的基础上,提出了不少抑制DDS杂散的有效方法。文献[3]中提出了一种改进相位累加器从而改善杂散的方法。由于相位截断误差ξp(n)是以2B/(2B,Fr)(B为截断位数)为周期,如果能够打破该周期性,那么就可以减少DDS中由于相位截断引入的误差。为此,文献[4]中提出了抖动注入技术。Wheatley又在此基础上提出了在每次相位累加器溢出时,产生一个0～Fr-1的随机整数加到相位累加器的寄存器上,使相位累加器的溢出不总是比理想的推后,而是随机地提前,从而打破了周期性的新方法,我们把它称为Wheatley相位抖动注入法[5]。文献[6]中提出了压缩ROM数据容量,因为相位寻址每增加一位,杂散大约改善6dB。因此在保证ROM容量不变情况下,压缩存储数据等效于增加相位寻址位数,以改善DDS杂散。常用的压缩ROM存储数据的方法有正弦值-相位差法[7],Sunderland提出的粗细ROM结构及其修正[8],Nicolas提出一种基于数字的优化方法[9]。此外,文献[7]中还介绍了两种通过计算的方法来实现相幅转换,即Taylor级数逼近法和CORDIC算法,文献[10]中提出了两种DDS+PLL的抑制杂散方法等等,这些方法都在一定程度上有效的改善了DDS的杂散并在实际制造过程中得到了应用,使得一些公司生产出了一系列性能优良的DDS器件。

4 D/A非理想特性对DDS输出的影响及改善的实现结构

DAC的动态非线性、静态非线性、有限分辨率、瞬间毛刺、数字噪声馈通及内部闪烁噪声等非理想特性都是导致DDS输出信号频谱劣化的因素。DAC的非理想特性难以建模,不同的器件性能各异,只能根据具体的器件参数分别考虑。由于DAC对输出频谱的影响跟相位截断误差和幅度量化误差比起来是很小的。因此,在DDS技术发展的二三十年中,对DAC非理想特性引起的误差问题研究不是很多。

在现代VLSI技术条件下,通过加大ROM容量及数据位数,DDS由相位截断和数据量化引起的杂散噪声已经可以很容易做到-70dB以下的理论值,但是工作在1GHz的高速DDS输出谱中总是存在-40dB左右的少数杂散谱线,这是由DAC的非理想特性引起的,因此DAC才是目前影响DDS频谱质量的决定因素。

近年来,随着集成电路制作工艺和电路结构的不断完善,DAC的非理想特性得到了很大的改善,然而这并不能彻底解决DAC的瞬态毛刺和非线性这些固有的缺陷,因此,设法改善DAC的固有噪声成为了必须。这里给出两种改善DAC固有噪声的结构。

1.平衡DAC结构法

这种结构是在电路中用两个完全相同的DAC,其中一个DAC前端增加一个反相器,然后使的两个DAC的输出相减,从而将同相的干扰相抵消。这种结构很容易就获得10dB以上的杂散改善。其原理图[2]如图3所示。

2.延时叠加法

延时叠加法可以抑制主谱中的边带杂散,提高DDS输出信号的信噪比,减轻DAC后低通滤波器的压力,从而使低通滤波器更容易设计。延时叠加法的实现方案[11]如图4所示。

本方案中采用了两片DAC,分别用相位相反的时钟进行触发,这样两个DAC的触发时间相差Tc/2。

设:DDS的输出信号为:

延时输出信号为:

所以叠加后输出信号为:

其中:

叠加前的信噪比:

叠加后的信噪比:

由(4)式可见,在叠加输出后,信噪比有一增量,这说明对频谱中的边带(主谱中的杂散)有一定的抑制作用。另外,它对量化噪声及其它杂散也有抑制效果。

5 结语

本文在介绍DDS基本原理和杂散来源的基础上,总结了近年来抑制杂散的一些有效方法。通过对DDS杂散的全面分析可以看出,目前制约DDS谱质性能的关键是DAC。除了工艺上的改进外,对DA C进行较完善的理论分析,并在此基础上修正或设计出更好DAC,正成为DDS技术发展的迫切需要。同时,像平衡DAC法,延时叠加法这样的DDS结构,也为提高DDS性能开创了另一种途径。总之,随着现代科技的不断发展,DDS的性能会不断地完善,应用领域也会不断地拓展。

摘要：本文简要说明了DDS的基本原理,给出了DDS杂散来源模型,分析总结了DDS中的杂散和杂散抑制的有效方法,介绍了当前研究很少的由于D/A转换器的非理想特性引起的误差及其改善的实现结构。

关键词：DDS,杂散分析,杂散抑制,D/A转换器

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杂散分析 篇2

摘要：本文简要介绍了英国TiePie公司生产的虚拟仪器HS801及其动态链接库。以杂散电流监测软件的开发为例，详细介绍了利用动态连接库对HS801进行二次开发与应用的方法。

关键词：虚拟仪器 动态链接库 HS80 Delphi 二次开发

0 引言

虚拟仪器技术是仪器仪表技术发展的最新阶段，代表了现代测量技术的发展方向。它充分利用现有计算机资源，配以独特设计的仪器硬件和专用软件，实现普通仪器的全部功能及一些在普通仪器上无法实现的特殊功能，功能多样，测量准确，操作方便，在现代测量和监测监控等领域得到了广泛应用。虚拟仪器HS801是我校世行贷款引进实验设备，具有高速的硬件采集系统和完备的动态链接库。本文介绍了基于虚拟仪器HS801的杂散电流监测软件的功能和设计思路。软件开发工具采用针对Windows平台的Delphi语言。

1 虚拟仪器HS801简介

虚拟仪器HS801由英国Tiepie公司开发。具有2个模拟输入通道和1个模拟输出通道，通过并口与计算机相连。HS801的最大采样速率为100MHz/s，A/D转换具有8位的分辨率，输入范围是0.1伏（满刻度）到80伏（满刻度），并支持测量数据的存储，存储深度为32K/通道或64K/通道。HS801是一款五合一的虚拟仪器，厂家所提供的软件功能包括任意信号发生器、伏特表、频谱分析仪、数字存储示波器和瞬态记录仪。其操作简单，使用方便，所有功能均可通过选择菜单或工具栏按钮操作，清晰的软件结构保证没有经验的用户在几分钟内就可以完成测量。Tiepie公司向用户提供了基于HS801的标准DLL库，为虚拟仪器HS801的二次开发提供了便利条件。

2 HS801在杂散电流中的应用

2.1 杂散电流监测的必要性 城市轨道交通系统中的杂散电流对地下或地面的金属构件如结构钢筋、地下管线等产生严重的腐蚀。腐蚀不仅造成大量的金属损失，更为严重的是，由于腐蚀的隐蔽性和突发性，一旦发生事故，往往会造成灾难性的后果。杂散电流监测有助于保证地铁的安全运行。《CJJ49-92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》将极化电压作为衡量杂散电流腐蚀危害程度的重要指标，并且给出了该指标的最大正向偏移平均值。为此，笔者利用Delphi通过调用动态链接库函数对HS801进行二次开发，设计了基于HS801的杂散电流监测系统，系统硬件结构如图1所示。

2.2 杂散电流监测软件 该软件主要包括初始化仪器、数据采集、数据动态存储、数据分析以及关闭仪器等几部分。软件流程图如图2所示。

2.2.1 初始化仪器。初始化过程通过调用动态连接库中的函数，实现对仪器的常规设定。初始化队HS801的稳定工作是极其重要的。

2.2.2 数据采集与波形显示。当测量键按下后，计算机启动HS801进行数据采集。HS801会将采集来的数据放到硬件的缓存中。当Delphi通过并口向硬件发出启动测量命令时，数据才被传送到到计算机。本软件通过Delphi中的Timer控件实现数据传送，每隔一定时间执行一次启动测量命令。采集的数据以波形的方式显示。首先，确定软件使用者选用的测量通道以及图形绘制的方式（即仅绘制通道一，仅绘制通道二或两通道皆画）。然后，根据采样长度设定绘图控件的内部坐标，为做到绘制过程简单，将坐标横轴的长度和采样长度保持一致。最后，调用Delphi中绘图命令绘制图形。以通道一的波形绘制为例。使绘图笔颜色为柠檬对应通道一波形，设定绘图控件PaintBox坐标系中X轴长度设为512（通道一的采样长度为512）。然后将首点移到显示原点（即控件左侧中间位置）后，通过循环逐一调入数据，使用Delphi中LineTo方法将采样点一一连线，生成波形。

2.2.3 数据的存储与分析。本软件采用了数据实时存储，将数据存储到一个Excel文档中。Microsoft Office中的Excel处理数据的能力已基本满足本软件通常使用领域，因而，本软件数据后分析由Excel完成。

2.2.4 关闭仪器。释放动态链接库和关闭程序。本着“谁分配谁释放”的原则，关闭仪器是必须要进行的步骤。如果用户没有关闭仪器，则会出现无法关闭或者内存地址错误等一系列问题。

3 结束语

虚拟仪器技术是杂散电流监测的良好选择。Tiepie公司的HS801具有良好的可靠性。利用动态链接库对HS801进行二次开发设计的杂散电流监测软件不仅可以用于研究和实验，而且可应用于杂散电流现场监测。现场测试表明，该软件运行良好。

参考文献：

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[2]Programmer`s manual TiePie Dll`s.TiePie engineering.1999年9月.

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[6]张栋梁.城市轨道交通杂散电流监测系统研究.硕士论文.中国矿业大学.2005.

杂散分析 篇3

DDS技术由J.Tierney在1971年首次提出, 随着集成电路及FPGA技术的迅猛发展得到了新的进步。由于DDS具有频率分辨高、频率切换速度快、输出相位噪声低、体积小、重量轻以及便于集成等优点, 近年来在跳频和扩频通信、线性调频、多普勒响应模型等领域得到了广泛应用, 但DDS的数字化也带来了输出杂散较大的缺点。本文介绍了DDS的基本工作原理, 总结了不同杂散的生成原因及抑制方法, 并对其低通滤波器进行了设计。

(二) DDS基本原理

对一个固定频率的正弦信号用周期为Tc的信号对其采样得到

由此得到相位差:

由相位到频率的转换可知

因此只要控制这个相位增量就可以就可以控制信号的频率。根据这个思想将相位空间2π分成M等份, σ=2π/M不断地累加相位当达到2π后便溢出fo得到:

再经DA转换低通滤波得到若每次的相位增益为δ的K倍则可得到而实际中受LPF的影响最高频率一般约为:fmax=40%fC

(三) DDS的杂散抑制分析

由图1可知杂散源主要是由相位截断、幅度量化和DAC的非理想特性等引起的, 因此我们必须针对这些杂散源采取相应的杂散抑制方法。

1. 相位截取引起的误差

设累加器为N位, ROM寻址位数为D位则舍弃位数B=N-D位此时DDS的输出为为相位截取引起的误差FCW为频率控制字。并得到其傅里叶变换为:

式中[FCW]2B是FCW对2B求模, 可以看出上式中除了w0以外, 在W=±m wT±nwC±w0 (m, n=0, 1, 2……) 也产生杂散输出。电路抑制方法采取三角分析法:基本思路为A、B、C分别代表高、中、低位, 由之可得:

2A+B+C→2A+B+2A+C, 假设A、B、C表示相角α, β, γ则有:

由于α远大于β和γ所以可近似得:cosβ=, 1cosγ=1因而上述公式可近似等价为:

2. 幅度量化引起的误差

由于ROM中样点位数与寄存器位数一致为N而其输出位应DAC位数D匹配一般小于N, 故必须截取寄存器中的样点位数, 而任何一个幅度值必须用无限长的比特流才能准确表示, 这必然影响幅度的精确度, 引起相应的误差。误差的引起是由于量化时上下偏离幅值的真实值因此可以采取双次叠加来减小误差。当只存在幅度量化误差下, DDS输出的信噪比为:

3. DAC的非理想特性引起的误差

DAC输出失真的原因主要是积分非线性、差分非线性和毛刺脉冲, 而造成非线性的原因有主要有电阻网络的失配、寄生参数的影响、开关泄漏电流、增益误差等等, 这必然那导致输出波形不再是单一的正弦波, 而含有各次谐波分量的杂波。在此我们可以采用双路DAC进行杂散抑制, 如图2所示:

采用双路DAC不仅可以起到相幅转换量化平均的作用, 而且可以更好的改善DAC的非线性, 因为多次叠加能够使电流更平滑, 消除电流波动抑制散粒噪声。

(四) 低通滤波器 (LPF) 的设计

在DDS波形合成技术中滤波器的设计应考虑滤波的幅频特性, 电路的阻抗匹配以及截止频率等本设计采用考尔滤波器它具有更陡峭的过渡带。下面是用相关软件设计的电路版图, 对电路进行了相应匹配并对其进行了虚拟仿真。

由上面仿真结果可以得出该滤波器回波损耗比较小, 过渡带较陡峭, 功率特性和幅度特性等各项指标均比其他类型滤波器优化很多。

(五) 结束语

当前, 影响DDS杂散的理论已经很成熟, 但在DAC、频率源、以及滤波器的设计中由于参考模型及非线性的问题还是难点, 本文从工程的角度对杂散的抑制及波形的产生进行了分析, 具有一定的实际意义。

摘要：杂散是制约DDS技术进一步应用和发展的重要因素, 文章分析了直接数字频率合成工作原理及当前设计方法中引起的杂散, 给出了杂散的抑制方法及其低通滤波器的设计。

关键词：直接数字频率合成 (DDS) ,杂散源,杂散抑制,低通滤波器

参考文献

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变压器杂散损耗的三维有限元分析 篇4

1 模型简化处理及建模计算

1.1 模型简化处理

以一台SFZ10-120000/220三相五柱式电力变压器为例进行计算。为便于计算以及更好地划分网格, 提高计算准确性, 现对其做出如下简化及假设:

1) 变压器整体结构前后对称;

2) 变压器的油箱壁及其他铁磁材料近似认为线性、均匀且各向同性;

3) 各相绕组安匝数之和为零, 电流在绕组内分布均匀;

4) 在求解场域中, 场量的变化方式为随时间进行正弦变化, 忽略其中的高次谐波;

5) 忽略其中位移电流产生的影响;

6) 油箱的箱盖、箱壁与箱底连接方式均为直角连接。

1.2 建模计算

1.2.1 金属结构件涡流损耗计算

首先进行漏磁场计算, 然后通过漏磁场计算求得的矢量磁位珗A标量点位φ计算得出涡流密度Je的分布, 进而通过涡流密度求得单位体积内的涡流损耗密度We为

金属结构件表面产生的涡流损耗Ws为

金属结构件产生的涡流损耗W为

式中:n是积分点的个数;Wei是积分单元i内涡流损耗的密度;Jei是积分单元i内电流密度;σ是材料电导率;Vi是积分单元i的体积;d是材料厚度;α是电磁波的衰减系数, 与透入深度成倒数[2]。

1.2.2 确定单元类型及材料属性

材料属性均按变压器的实际参数进行定义, 如表1所示。单元类型为solid117, 绕组、铁心、变压器油、空气的自由度为AZ, 其余为AZ和VOLT。

1.2.3 建模

在建模时将变压器的主要部件全部包括在内, 能够更加真实地反映变压器实际漏磁场的分布情况, 模型如图1、图2所示。

1.2.4 剖分

变压器油箱壁较厚, 且属于铁磁材料, 当其处于正弦交变漏磁场中, 由于集肤效应的影响, 需要考虑其透入深度问题。箱体的透入深度计算表达式为

式中:ω为正弦变化的角频率, 在工频情况下ω=2πf=314;电导率γ=7.6923×106s/m;材料磁导率μ=μ70μr=4π×10-×200=2.512×10-4H/m。

因此可得变压器油箱的透入深度d=1.8 mm, 小于其厚度。所以在对变压器绕组、拉板、夹件以及油箱进行扫略剖分时, 在沿油箱壁厚度方向上要进行多层剖分, 然后再对变压器油区及铁芯铁轭部分采用自由剖分, 并尽量保证变压器整体各个区域的剖分网格的大小近似相等, 提高模型的计算精度。

1.2.5 确定边界条件及激励

采用棱边单元法计算变压器漏磁场及涡流损耗, 需要对油箱外侧及对称面施加平行边界条件, 其余均默认为垂直边界条件。电流密度按磁势平衡条件施加在绕组上作为激励。

2 变压器油箱、拉板及夹件漏磁场与涡流损耗分析

2.1 变压器油箱漏磁场与涡流损耗分析

按计算步骤计算后, 可得到油箱、拉板及夹件漏磁场分布云图。油箱漏磁场分布云图如图3所示。

以油箱壁整体来看, 绕组外径与油箱壁中部最接近的地方漏磁密度较大。其中以中间铁心柱绕组外径与油箱壁最接近的地方漏磁密度最大, 这是由于两侧铁心柱上绕组产生的漏磁场相互叠加并作用于油箱壁最中间区域, 使这一区域闭合的磁力线最多, 漏磁密度最大。

油箱壁内表面沿幅向中轴线漏磁分布图如图4所示。

通过图4的曲线可以更加明显看到, 中间铁芯柱上的绕组所对应的区域最大漏磁密度要明显高于另两侧铁芯柱上绕组所对应的区域。综合图3、图4可以看出, 漏磁密度沿轴向方向都是远离绕组外径的地方漏磁密度变小, 反之则变大。

油箱壁内表面轴向中轴线漏磁分布如图5所示。由于3个铁芯柱上绕组对应区域的漏磁密度在沿轴向方向的变化趋势基本相同, 这里只单独对中间铁芯柱上绕组所对应区域进行分析。

综合图4、图5的曲线可以清楚看到漏磁密度沿高度和宽度方向的变化关系, 油箱壁左右两侧及上下边缘区域的漏磁密度变化幅度较大, 这是由于其距离绕组较远, 能够通过的磁力线大量减少, 漏磁密度快速下降。

油箱壁的内表面沿切向的漏磁分布如图6所示, 油箱壁的内表面沿法向的漏磁分布如图7所示。

通过图6可以看出, 与绕组端部对应的区域内不仅油箱轴向漏磁密度变化明显而且磁力线的方向发生改变。改变的原因根据电磁波的折射原理可知, 当磁力线的入射角达到一定度数时, 在油箱壁内磁力线的方向发生改变[3]。将图6和图7一起分析可以看出, 漏磁密度的最大幅向分量产生在油箱壁与绕组所对应的区域内, 漏磁密度的最大轴向分量产生在油箱壁与绕组中部所对应的区域内。产生这种现象的原因是磁力线在流经绕组到达端部时发生了弯曲, 倾斜或垂直进入油箱壁产生了幅向分量的漏磁, 然后在经过油箱壁后闭合。油箱壁中部离绕组越近的区域, 闭合的磁力线越多, 一部分磁力线未到达绕组的端部就直接同油箱壁形成了闭合回路, 所以油箱壁中部与绕组最近的区域磁密最大[4]。

变压器油箱壁涡流损耗分布云图如图8所示。

从图8可以看出, 涡流损耗密度的最大处在箱壁中部, 涡流损耗的变化规律同其漏磁分布类似, 这是由于磁密大的部位感应出的涡流密度也大, 涡流密度大的区域涡流损耗密度随之也大, 进而损耗也大。

2.2 变压器拉板及夹件漏磁场及涡流损耗分析

拉板漏磁分布云图如图9所示。

从图9可以看出, 拉板的漏磁主要集中在与绕组端部附近相对应的区域内, 拉板中部的漏磁密度较小, 这是因为绕组中部磁力线近似平行于轴向高度, 很少发生弯折, 无法经过拉板形成闭合回路, 而绕组端部磁力线出现弯折, 经由对应的拉板区域闭合的磁力线较多。拉板两端被夹件所挡, 该位置对应的磁力线大多只能经由夹件闭合, 所以该位置漏磁也相对较小[5]。因为此变压器的拉板漏磁密度非常小, 所以本文不对其进行涡流损耗分析。

上下夹件的漏磁分布云图如图10所示。

从图10可以看出, 夹件与主空道位置相对的上下夹件区域漏磁感应强度最大, 且下夹件略大于上夹件, 而夹件腹板位置上的漏磁感应强度均很小, 这是由于主空道上的漏磁感应较大, 受铁磁材料的影响, 磁力线向外弯折的部分经由夹件闭合, 而下夹件离绕组较近, 磁力线流入要比上夹件多。

夹件涡流损耗分布云图如图11所示。

从图11可以看出, 涡流损耗密度在靠近铁轭位置最大, 其余都很小。夹件的涡流损耗分布与其漏磁场分布近似, 同样是因为漏磁密度增大涡流损耗随之增大。

2.3 计算结果

通过ANSYS有限元软件计算求得变压器油箱及夹件的磁通密度、涡流密度及损耗值, 由后处理读取计算结果, 如表2所示。

本模型是对称建模, 损耗值为全模型的一半, 折算到变压器油箱整体的损耗值为34.6 k W, 所有夹件的损耗值为6.58 k W。所以变压器的杂散损耗为41.18 k W, 工程算法杂散损为Pzs=0.026×SNZn=43.84 k W, Pzs、SN为额定运行时的容量, Zn为额定运行时的短路阻抗百分数[6]。软件计算所得的值低于工程算法所得的值, 这是因为简化建模时忽略掉了一些对整体漏磁场计算影响较小的部件, 如螺栓等。

3 结论

1) 通过ANSYS软件对一实际变压器进行三维全建模仿真分析, 求出其油箱壁、拉板及夹件漏磁密度及涡流损耗的总体分布云图和数值。

2) 通过全模型分析, 可以看出油箱壁最大漏磁分布受两侧绕组漏磁场影响, 而拉板及夹件由于距离绕组非常近, 与三组绕组对应的区域漏磁分布基本一致, 且与最大漏磁密度基本相同。

3) 由软件计算所得损耗值和工程算法所得损耗值近似, 证明了软件计算的准确性。

参考文献

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杂散分析 篇5

当发射机杂散信号超过规定值时会对其他用频设备产生干扰,因此杂散信号作为考核发射机电磁兼容性能的重要指标之一,其测量结果是否准确可信显得尤为重要。由于有的操作者对频谱仪的测量方法不当,得到的测量值与真实值相比,可能存在很大的误差,夸大了实际的杂散信号,用这样的数据去评价发射机的电磁兼容性能是不合理的。在此分析了用频谱仪测量发射机带外杂散信号测量结果不准确的原因,给出了解决方法,可保证测量结果的科学性和准确性。

1 带外杂散信号的概念和测量方法

带外杂散信号是指发射机输出的除去谐波和噪声的处于基波频带之外的无用射频信号,其特征是在离散频率上的窄频带内存在显著的分量信号。

在对发射机进行测试中,频谱分析仪是信号分析的主要仪器,是目前较为常用而且较为简便的方法,测量杂散信号的方框图如图1所示。

2 测试结果及分析

2.1 内部衰减器对杂散信号测量的影响

对某发射机的耦合输出信号进行了测试,衰减为50 dB到0 dB时的基波附近杂散频谱的测试结果如图2、图3、图4和图5所示。图2中基波信号最大值为7.24 dBm,参考电平设置为30 dBm,此时频谱仪的内部衰减器自动调整为50 dB,噪声电平为-34 dBm,未发现明显的带外杂散信号;在图3中,当把基波信号移出测量范围,将参考电平下降30 dB变成0 dBm,此时仪器内部衰减器自动调整为10 dB,发现了杂散信号,其中比较大的达到-65 dBm;图4中参考电平为0 dBm,内部衰减自动减小为5 dB,又检测到了2个杂散点;图5中内部衰减自动减小为0 dB,发现这些杂散信号的强度测量值又增大了10 dB左右。

2.2 原因分析

从频谱仪工作原理入手来分析衰减器影响杂散信号的测量原因。频谱仪工作原理框图[1]如图6所示,射频输入信号与本振混频后,经中频滤波、检波,在显示器上显示其电平。其中混频器是典型的非线性器件。

基波大信号输入频谱仪后,容易导致频谱仪过载饱和,将产生非线性效应,产生出许多和大信号频谱形状相似的其他杂散信号。这些杂散信号不是外部进入频谱仪的信号,因此称为虚假信号。虚假信号有一个典型特点,就是过载越严重,虚假信号幅度越大。杂散的频谱和大信号的频谱形状相似,但宽度为后者的P/Q倍,P和Q为整数。据相关资料介绍,进入混频器端口的功率电平不大于-30 dBm时,可保证使频谱仪工作在线性范围,即在此条件下,频谱仪本身产生的非线性失真对被测信号来说其影响可忽略不计[2]。

有的频谱仪前级具有预先放大器或衰减器。当信号在频谱仪的衰减器放在最大值和预先放大器放在最小值时已经接近频谱仪的饱和门限,则当减小衰减量或增加预放,同样会导致频谱仪后级过载饱和,出现非线性效应,产生很多带外杂散。

当频谱仪信号过大饱和以后,仪器会提示过载饱和。但如果改变扫描范围,将大信号移出当前仪器显示窗口,则不会提醒过载饱和。然而由于仪器是宽开的,当把大信号移出当前显示窗口,如果衰减减小或预放加大,仍然会出现饱和现象,在带外出现许多虚假的杂散信号。

因此,为了准确测量带外杂散小信号,应尽量避免输入信号过大饱和。如果采用增加外部衰减和内置衰减的方法来降低输入大信号的幅度,将直接影响频谱仪的测量灵敏度,会使幅度较低的杂散小信号淹没于噪声中而不可测,即出现了一个矛盾,一方面要降低基波大信号的幅度,一方面又不能使杂散小信号幅度降低使测试非常困难。在下面将给出解决这个矛盾的办法。

2.3 真实信号和虚假信号的辨别

如何区分杂散信号是从外面进来的真实信号,还是仪器自身饱和引起的虚假信号,有简单的方法:如果大信号在当前窗口内,则饱和会出现相应的提示。如果大信号在当前窗口外,则不会有提示,此时可以看信号频谱形状是否和大信号相似,如果相似就可能是虚假信号;同时,对衰减器或预先放大器进行调整,外面来的真实信号的幅度不会改变,但虚假信号的幅度就会发生较大的改变。

从衰减为50 dB的图2到衰减为0 dB的图5,带外出现了越来越大的虚假杂散,它们的带宽和基波一样。此外,可以看到还有一个尖的真实杂散信号,它的幅度保持不变,是一个外来的真实信号。

3 测量方法的改进

为了准确测试杂散小信号,应该在射频输入信号进入频谱仪之前采用带通滤波器滤除基波大信号,保证进入混频器端口的功率电平不大于-30 dBm,避免基波大信号使混频器产生饱和非线性效应,同时增大测量动态范围,保证对需要测量的杂散小信号无损耗。据调研,福州博讯通电子有限公司研发的可调式带通滤波器具有较好的性能。其插入损耗约为1.1 dB±0.2 dB,带外抑制可达50 dB以上且较平坦,能够有效地抑制基波,对需要测量的杂散信号几乎无损耗,可满足测量要求[3]。

需要指出的是,带阻滤波器和高通滤波器虽然也可以有效滤除基波信号,但由于带阻滤波器的带外特性曲线和高通滤波器的特性曲线都不够平坦,通常波动可达3 dB甚至更多,且高通滤波器无法对低端信号进行测量,因此它们都不适合用来滤除基波信号。

使用频谱仪测量时,要保证测量的准确性还取决于所设置的频谱仪带宽(RBW和VBW)和扫描时间。有关带宽和扫描时间的设置与频谱仪用于其他测量时基本相同,不再赘述。

4 结束语

在测量发射机带外杂散信号过程中,避免频谱仪的非线性效应是至关重要的,直接决定着测量结果的准确性和可信性。解决饱和非线性问题的方法是研制一个滤波器件能有效地抑制基波大信号,同时对需要测量的杂散小信号无损耗。

参考文献

[1]蔡伟群,邹进兴.惠普系列频谱仪谐波测量的误差分析[J].中国无线电管理,2000,12(6):25-27.

[2]李爱国.关于用频谱仪测量发射机杂散信号的探讨[J].无线电工程,1997,27(3):55-57.

浅析地铁杂散电流的防护 篇6

世界各国都在关注如何对杂散电流进行防护, 以期切实解决埋地金属腐蚀的问题。采取有效的防腐蚀措施可控制杂散电流的腐蚀, 增加埋地金属的寿命, 对地铁工程具有一定的经济和环保效益。

1 地铁杂散电流的形成和危害

地铁直流牵引供电系统中, 牵引变电所流出的电流, 电力机车经由接触网或接触轨取流, 电流再通过钢轨作回路, 返回到牵引变电所。由于钢轨很难做到完全对地绝缘, 有一部分牵引电流经由钢轨流向大地, 再返回牵引变电所, 这种地下杂散电流又称为迷流[1]。 (图1)

杂散电流由大地进入钢筋时, 钢筋呈阴极状态。如果此处的钢筋周围环境属于酸性, 就会发生析氢反应, 且氢气不能由结构里逸出, 从而产生等静压力, 使钢筋与大地脱开。如果电流进入钢筋, 使其与大地结合处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐, 则会使地铁主体的刚性强度大大降低。

杂散电流由钢筋流出时, 钢筋呈阳极状态, 并发生腐蚀。腐蚀所产生的物质在阳极处堆积, 最终通过机械作用排挤大地, 使之开裂。

杂散电流不仅对地铁本身的钢筋有一定危害, 对于主体附近的埋地金属亦会产生腐蚀效应, 一种氧化还原的电化学反应过程, 即电化学腐蚀, 也危害着相关金属的结构物。

I1-机车的牵引供电电流, I2-通过钢轨向牵引变电所流回的电流, I3、I4-杂散电流

2 防护的现状与原理

欧洲国家一般是, 当轨道对地电压不太高, 选择排流法防护效果小时, 推荐强制排流法。日本则主要选择在产生钢轨对地的正值电压大, 在钢轨附近流入埋设管的电流从远离钢轨处的管部流出的场合使用.在这种情况下, 会因负馈线比埋设管的电压高而不能正常排流[2]。

在国内, 则是将杂散电流腐蚀防护的常规方法划分为被动型和主动型两种保护法。文献[1]提到, 在地铁的直牵引供电系统里, 杂散电流的防护准则为:寓防于“测”, 以堵为主, “堵”、“排”结合。

对于地铁工程的牵引供电系统, 防止牵引电流从钢轨泄漏出去形成杂散电流, 应该作为首要的防护举措。被动型保护法即是以堵为主, 也称为源控制法, 一般采取的措施有:对埋地金属进行涂层和增加绝缘法兰等钝化防护[3]、抬升供电牵引网电压、优化调整变电所位置、减小回流走形钢轨电阻、提高轨道对地的过渡电阻、合理设计混凝土钢筋的截面积、保证全系统钢筋的可靠连接等。

在地铁运行了若干年之后, 因为环境的破坏和设备的老化等原因, “源控制法”会逐渐失效, 这时, 就十分必要采用主动型保护法, 以保护日益损耗的地铁设施。主动型保护法的原理是将埋地金属中的杂散电流引至回流通路, 抑或者用保护设备产生的电流将杂散电流相互作用而抵消, 从而减小杂散电流的腐蚀。

在地铁的一些特殊地段, 由于设备运行环境和人为操作等, 引起杂散电流泄漏的原因较多, 会采用一定的单向导通装置, 来进行防护, 例如在停车场和列车检修库中。另外, 轨道由于电气系统运行的原因, 在此位置设有绝缘节。即, 在轨道上设置绝缘结, 并在绝缘结两端连接单向导通装置, 保证轨道电流不断流。这样, 不但解决了绝缘节的电气连接问题, 也解决了杂散电流防护的难题[4]。

3 主动型保护法

现在一般的保护方法有:阴极保护法、阳极保护法、排流法等。

3.1 阴极保护法

CJJ49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》中定义:阴极保护是电化学保护的一种, 通过向金属结构表面输入阴极电流, 使其电位向负极化, 并保持在比自然腐蚀电位更负的数值, 以达到防腐蚀的目的。

在埋地金属的防护中, 阴极保护是比较理想和有效的, 阴极保护有外加电流保护和牺牲阳极保护两种方式。一般工程上是将涂层与阴极保护组合, 成为联合保护。

具体而言, 牺牲阳极保护除具有阴极防护作用外, 还是很好的接地排流手段[5]。该方式适用面广, 工程操作简单, 使用比较安全, 可以完全避免将杂散电流流入埋地金属, 是国内目前使用较多的一种排流方式。但缺点是排流功率小、保护距离较短, 有待改进。

3.2 阳极保护法

将被保护物的电位提高到钝态电位, 从而阻止腐蚀, 称之为阳极保护。就是应用一种使金属向着更为阳极方向的电流使金属钝化的一种技术, 但是它只适用于表现活化-钝化性能的金属和合金。在地铁系统中, 即提高埋地金属设施的电位。

准确的维持整个埋地金属设施所要求的电位的能力, 在阳极控制中是至关重要的。如果电位过高或过低, 将导致腐蚀加剧, 适得其反。

阳极保护的主要优点是应用范围广, 操作费用低, 作用能力强, 能够保护复杂的结构, 几乎不需要辅助电极。但阳极保护只适用于表现钝态的金属腐蚀体系, 在不能钝化或含氯离子的介质中不能使用[6], 而且还有一个主要的缺点是致钝需要很大的电流。

因此这种技术发展有些缓慢, 在地铁系统也一般不选择用这种保护方式。

3.3 排流保护法

排流保护法主要是为保护埋地金属而采取的防护措施。当杂散电流从钢筋流出时, 才会对钢筋有腐蚀作用, 而杂散电流流出的区域主要集中在牵引变电所附近的阴极区。

其基本原理是将被保护的埋地金属和钢轨的阳极区用导线连接起来, 从而相当于将埋地金属与钢轨短路, 使被保护的埋地金属变为阴极性的, 进而防止金属发生阳极腐蚀。

排流法的一般做法是, 将道床混凝土钢筋做成电气上的杂散电流排流网, 其它有可能受到杂散电流腐蚀的埋地金属做成辅助排流网, 引至牵引变电所的负母排进行电气连接。由于杂散电流总是走电阻最小的通路, 则会选择直接流回牵引变电所, 这样, 在阳极区的范围内, 有力地减小了杂散电流从混凝土钢筋再泄露出去的可能, 削弱了杂散电流流出钢筋导致的腐蚀效果。

早期的地铁将是埋地金属与钢轨直接在牵引变电所附近相连, 称为直接排流法, 后来发展到加二极管的单向导通排流 (选择排流法) 、加直流电源的强制排流法等[7]。

3.4 其他

在实践中, 工程的防腐蚀还广泛采用加强排流法, 即排流防护和阴极保护的组合方法。它的阳极接地是用和整流器的正端子和钢轨相连接的阴极站代替, 电源负极和被防护的设施相连接。加强排流电路电能消耗很小, 也无需阴极保护的设备, 是不同于阴极保护的。同样, 它也不同于排流保护, 优点是不仅在钢轨的阳极区, 而且在杂散电流分布的任何区域, 甚至在无杂散电流时均可用于防护。

还有种由阴极保护法发展而来的防蚀器防护法。防蚀器的原理一般是辅助 (牺牲) 阳极, 且使流过的电流的方向是使被保护物 (原阳极) 成为阴极, 不再被电蚀, 从而得到有效的保护。它的防护电流主要靠电极, 即防蚀器本身的溶解作用完成的。电极主要是由镁的特殊合金制成。

4 结语

杂散电流防护系统对于地铁的正常运行非常重要。在城市轨道交通建成运营后, 应该重视杂散电流防护系统的功能, 及时监测分析相关的数据, 采取加强维护、合理排流等措施, 将杂散电流的腐蚀降低到最小。

从国内现状着点, 特别是工程实际中调查来看, 大多是直接使用单向导通装置, 来进行杂散电流腐蚀的防护。这是很大的一个问题。

应加强地铁的杂散电流防护技术的科研, 并重视与工程实践的合作, 开发出一系列杂散电流防护系统与设备的成套装置, 切实落实于工程的设计应用与施工运营中, 减少地铁杂散电流的腐蚀所造成的损失。

参考文献

[1]李威.地铁杂散电流腐蚀监测及防护技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004, 10.

[2]高敬宇, 易凡.地铁及轻轨杂散电流腐蚀的防护措施[J].天津理工学院学报, 1996, 12 (1) :32～35.

[3]战鹏.地铁杂散电流对钢筋混凝土结构腐蚀影响及防护[D].北京交通大学, 2009:59.

[4]郝卫国.城市轨道交通杂散电流的防护[J].城市轨道交通研究, 2004 (6) :53～55.

[5]刘凯, 马丽敏, 陈志东, 等.埋地管道的腐蚀与防护综述[J].管道技术与设备, 2007 (4) :36～42.

[6]王立新, 李勇.阳极保护技术控制腐蚀[J].山西化工, 1999, 19 (4) :62～63.

浅谈杂散电流的危害及其防护 篇7

目前城市轨道交通均采用走行轨回流的直流牵引供电系统, 接触网与牵引所的正母线连接, 回流走行轨与负母线连接。在经走行轨回流的途中, 由于轨道有电阻, 在靠近车辆的地方, 电位较高一些, 形成轨道阳极区, 就存在正相泄露电流流入大地。存在隧道混凝土结构钢筋中的电流会产生向走行轨回流的可能性。

2 杂散电流的危害

1) 钢轨及其附件的腐蚀。列车进入阳极区下部很有可能会产生电蚀, 同时电流腐蚀还可能会集中出现在道钉的钉入部位, 这部位腐蚀比较隐蔽。2) 钢筋混凝土金属结构物的腐蚀。在杂散电流由混凝土进入钢筋和由钢筋返回混凝土的部位, 钢筋都会受到电化学腐蚀, 其腐蚀产物与周围环境有很大联系。3) 埋地管线的腐蚀。在地铁线路上, 沿着线路都埋有许多管道, 这些管道有铸铁管和钢管之分, 电导通良好, 及其容易被杂散电流腐蚀, 据调查, 这些管线不同程度地受到电化学腐蚀。

3 杂散电流电化学腐蚀原理

金属电化学腐蚀的过程类似原电池的工作过程, 当电池接通外电路时, 两电极与电解质之间的反应如下:

锌壳发生氧化反应, 使锌原子离子化:

随着反应的进行, 锌壳不断地被离子化, 并给出电子, 在外电路中形成电流。离子化的结果使金属被腐蚀。

在地铁系统中, 杂散电流腐蚀原理图如下:

假设经过道床的泄露电流最后流回负极, 杂散电流流经途径:

1) 轨道 (阳极区) →道床, 大地→地网 (阴极区)

2) 地网 (阳极区) →大地, 道床→轨道 (阴极区)

由于这两个阳极区部有杂散电流经过, 进而导致这部分的金属铁在阳极过程中, 和周围的电解质电解产生腐蚀。腐蚀包括酸性的电解质产生析氢腐蚀的氧化还原反应和碱性的电解质产生吸氧腐蚀的氧化还原反应:

析氢腐蚀:

吸氧腐蚀:

上述两种腐蚀反应通常生成Fe (OH) 2, 而在钢筋表面或介质中析出, 部分还可以进一步被氧化形成Fe (OH) 3。生成的Fe (OH) 2继续被介质中的氧化成棕色的Fe2O3·2H2O (红锈的主要成分) , 而Fe (OH) 3可进一步生成Fe3O4 (黑锈的主要成份) 。

杂散电流腐蚀一般具有以下特点:程度剧烈;腐蚀集中局限在某一部位;如果存在防腐层, 则通常在防腐层存在缺陷处高度集中。

4 地铁系统中杂散电流的防护办法

1) 就车辆段和停车场而言, 必须以实际的工程条件为基础, 利用多个回流点的布设, 引导电流回流至最近的地方, 排除电阻阻碍回流通路, 使杂散电流总量控制在一定范围内。2) 增大钢轨泄漏电阻措施。解决轨道交通防护杂散电流的根本办法可以通过较高的泄漏电阻来完成。影响钢轨泄漏电阻的原因包括两方面:一方面是钢轨绝缘安装点的绝缘电阻, 另一方面, 钢轨与道床表面的空隙距离及道床环境条件。3) 杂散电流的流通路径控制措施。金属结构受到杂散电流的影响, 在其钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋、地网及地铁外部其他公共设施四个方面可能会产生腐蚀。杂散电流先经由钢轨, 泄漏到床结构中, 接着经过道床结构继续流向隧道、车站结构等其他结构中。通过整体道床内结构钢筋的纵向联通, 进而促进电气连续的杂散电流主收集网的形成和产生, 杂散电流通过这个电气通路流至牵引变电所, 从收集网流出来最终达到钢轨, 防止杂散电流在从道床流向其他结构过程中泄漏。除此之外, 如果工程条件允许, 增加素混凝土层在地下区段道床与隧道 (或其他结构间) 之间, 以此使道床与其他结构间泄漏电阻增加, 防止杂散电流流向其他结构的过程中泄漏。4) 排流柜设置方案。腐蚀钢筋一般也只有杂散电流流出钢筋时产生, 然而, 一般在在阴极区才会大量的积聚杂散电流, 如果当金属结构受到结构钢筋或其他可能受到杂散电流腐蚀时, 在牵引变电所处连接于钢轨或牵引变电所负母排, 因为杂散电流向牵引变电所直接流入通常经由的通路路径最短, 在阳极区范围内, 杂散电流的范围几乎不会经过钢筋扩大到混凝土, 电化学反应产生可能性也降低, 因此将其命名为排流法。5) 盾构区间防护杂散电流方案。联通管片内的所有钢筋, 利用铁垫圈有效的引出电气连接点, 接着利用铁螺栓和螺母联通所有隧道管片中钢筋的电气完成拼装隧道管片, 进而促进等电位的法拉第网的产生, 以此电气屏蔽掉地铁的杂散电流, 有效的减少地铁杂散电流向地铁基础结构和其他结构的泄漏。可是, 在具体实践中, 由于都是在各螺栓之间进行混凝土灌浆, 只是通过单纯机械的连接螺栓和螺母, 难以彻底导通连接电气, 相比之下远远不及管片采用绝缘隔离措施。

5 结束语

伴随着飞速发展的交通系统, 城市出现了地铁和轻轨等便利的交通工具, 人们也加强了防护地铁杂散电流的意识, 但是, 作为一个系统工程的地铁杂散电流防护必须依靠协调设计、施工以及运营的专业配合工作, 不仅能够有效的进行防护, 还能在预防方案上做出更大的研究。

参考文献

[1]马洪儒.北京地下铁道的杂散电流腐蚀与防护[J].城市轨道交通, 1990.

[2]易友祥.一种积极有效的地铁杂散电流防护方案[J].天津理工学院学报, 1995.

煤矿井下直流杂散电流的研究 篇8

煤矿井下架线电机车运输系统中, 通常是将电机车的运行钢轨作为供电回路。由于钢轨与大地之间不可能完全绝缘, 加之钢轨的衔接处焊接不好, 致使有一部分电流从钢轨中泄露出去, 形成杂散电流[1]。而且随着运营时间的增加, 由于污染、潮湿等原因, 钢轨与大地之间的绝缘性能有所下降, 杂散电流还将增大, 它严重影响煤矿井下的安全生产, 腐蚀沿线的金属管线, 更有甚者诱发瓦斯、粉尘爆炸, 危及工作人员人身安全[2]。因此, 研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 对煤矿井下的安全生产有着重要意义。本文通过建立电机车简单的单边供电模型, 在合理的假设前提下推导出了杂散电流的计算公式, 并应用Matlab仿真软件对推导出的公式进行仿真分析, 得到了煤矿井下直流杂散电流的分布规律及影响其分布的重要因素, 从而便于采取更加合理的措施抑制杂散电流的产生。

1 模型建立与公式推导

为了研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 有必要对煤矿井下直流电机车运行系统建立数学模型并进行相应的公式推导, 以便利用Matlab仿真软件作进一步的理论研究。

图1为杂散电流分布示意图。由于杂散电流分布的分散性, 为方便研究, 将空间上连续问题简化为平面连续问题[3], 即将牵引动力变电站一整套的整流设备用一直流电流源代替, 相应的电路模型如图2所示。

假设电机车与供电变电站之间的距离为L (km) , 钢轨的纵向电阻率为r (Ω/km) , 轨道对地的过渡电阻为ω (Ω·km) 。以电机车的位置为原点, Ut为距电机车x (km) 位置的轨道对接地网的电压, 即接触电压。当电机车于钢轨上行进时, 可以使用中程输电线路π型等效电路来建立煤矿井下直流电机车运行系统数学模型, 如图3所示。

I1-网络输入电流;I2-网络输出电流;U1-网络输入电压; U2-网络输出电压;rx-钢轨的纵向电阻

考虑到接地网有一定的电阻, 所以在建立模型时为了更接近实际情况, 在原有的等效电路模型上增加了接地网电阻, 如图4所示。

Rx-接地网电阻

图3、4中, Y=x/ω, 为电导, 由建立的模型可得到轨道的接触电压Ut、轨道电流It的关系式:

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经过矩阵运算可得:

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式中:U1为电机车位置的轨道接触电压, V;I1为电机车位置的轨道电流, A;R为接地网的纵向电阻率, Ω/km。

当边界条件x=L时:

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将式 (3) 代入到式 (2) , 可解得U1:

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将式 (2) 经过合理的变化, 即可得到轨道接触电压Ut和轨道电流It:

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得到轨道电流It后, 初始轨道电流I1与该处轨道电流之差即为杂散电流Is:

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则:

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2 仿真与分析

为了研究煤矿井下直流杂散电流的分布规律及其影响因素, 利用式 (7) , 运用Matlab软件进行仿真。通过分析仿真结果, 可得到杂散电流的分布规律及影响其分布的主要因素, 从而便于采取更加合理的措施来抑制杂散电流的产生。

根据工程实际的需要, 仿真参数设置如下:L为1 km, r为0.035 Ω/km, ω为15 Ω·km, I1为1 000 A。根据式 (7) , 利用Matlab软件, 选择1个变化参数, 其它参数均取典型值, 分别画出轨道接触电压和杂散电流与距离关系的曲线, 分析轨道接触电压和杂散电流的变化规律。

2.1 改变电机车到牵引变电站的距离L

改变电机车到牵引变电站的距离L (分别取为0.50 km、1 km和2 km) , 输出图形如图5所示。

从图5可以看出, 电机车与牵引变电站间的间距对轨道的接触电压和杂散电流都有明显的影响, 接触电压和杂散电流随间距的变化而变化, 所以, 在规划牵引变电站时, 要考虑不能让供电区间太长。供电区间太长将会使杂散电流增大, 加大钢轨和附近金属体的腐蚀, 同时, 还可能会使接触电压过高, 危及乘客的人身安全。

2.2 改变过渡电阻ω

从图6 (a) 可以看出, 轨道接触电压随过渡电阻的不同取值没有明显的变化, 这说明过渡电阻对轨道的接触电压影响很小。从图6 (b) 可以看出, 随着过渡电阻取值的增加, 杂散电流越小。

2.3 改变钢轨的纵向电阻率r

改变钢轨的纵向电阻率r的取值 (分别取为0.015 Ω/km, 0.035 Ω/km和0.060 Ω/km) , 输出图形如图7所示。

由图7可以看出, 随着钢轨的纵向电阻率的增加, 钢轨接触电压和杂散电流均增加。所以, 选择钢轨时, 在综合其它因素的情况下应选择纵向电阻率较小的钢轨, 在钢轨连接处也要很好地结合, 如果采用无缝钢轨效果会更好。

2.4 改变供电电流I1

轨道的接触电压受供电电流I1的影响较大, 接触电压因供电电流变化而变化, 如图8 (a) 所示, 这有可能是导致电机车在启动的一段时间内轨道接触电压过高的因素之一。当改变回馈到牵引变电站的供电电流I1时, 杂散电流明显增加, 如图8 (b) 所示。

3 结语

文章通过建立煤矿井下直流电机车运行系统杂散电流的数学模型, 推导出了杂散电流的数学公式, 并利用Matlab仿真软件对其仿真, 得到杂散电流的分布规律:在单边供电的区间内, 随着距电机车的距离增大, 杂散电流先增大后减小, 在供电区间的中点达到最大。通过改变特定参数, 并进行分析, 得到影响杂散电流分布的主要因素及其影响程度:轨地过渡电阻和轨道纵向电阻对杂散电流泄漏影响很大, 轨地过渡电阻越小, 轨道纵向电阻越大, 杂散电流越大;供电距离和供电电流对杂散电流的影响也很大, 供电距离越大, 供电电流越大, 杂散电流越大。当供电电流过大时, 可以通过提高供电电压而在功率相同的情况下减小供电电流。因此, 在煤矿井下电机车轨道建设和运营时, 应该采取有效的措施增大轨道对地过渡电阻, 即增加绝缘措施, 减小轨道纵向电阻;选取适当的供电距离, 采用较高的供电电压, 从源头上减少杂散电流。

参考文献

[1]王志宏.杂散电流及防治[M].北京:煤炭工业出版社, 1986.

[2]国家安全生产监督管理局, 国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京:煤炭工业出版社, 2004:12~14.