淺談高速電力機車電磁干擾的測試

吳書偉，李顯欣

0 引言

按照國務院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的目標，中國將在2020 年建成“四縱四橫”的快速客運網(wǎng)絡體系，中國鐵路正步入高速時代，高速電力機車的應用必將越來越多。高速鐵路在機車、線路和接觸網(wǎng)等領域的技術與過去有本質的不同，隨著列車速度的提高，其電磁干擾強度和測試方法也必然發(fā)生變化。

1 電力機車高速運行時產(chǎn)生的電磁干擾

電力機車高速運行時產(chǎn)生的電磁干擾主要發(fā)生在受電弓滑板與接觸線的接觸點，電磁干擾能量的一部分在接觸點直接向周圍空間輻射；一部分沿接觸線縱向傳導，并在傳導過程中輻射并衰耗在接觸線上；另一部分能量沿受電弓傳導，在受電弓框架產(chǎn)生輻射，并衰耗在機車受流回路中。電磁干擾能量的傳播情況如圖1 所示，其中直接向周圍空間輻射的幅度變化范圍較大，頻譜很寬，能量也比較大，它是在現(xiàn)場測量到的電磁干擾的主要部分。

2 相關測試標準

國際上，日本、美國和歐洲均對電氣化鐵路（包括高速）電磁輻射進行過大量實際測量和研究。尤其是CENELEC（歐洲電工技術標準化委員會）經(jīng)過多年的試驗與研究于2000 年發(fā)布了鐵路電磁兼容系列標準（EN50121），該標準已經(jīng)轉為IEC62236標準，對鐵路系統(tǒng)的各專業(yè)電磁輻射強度的測量方法和限值作出了規(guī)定。該標準給出的限值是以歐洲不同國家，不同線路，尤其是高速線路的實測數(shù)據(jù)為基礎提出的，該數(shù)據(jù)測自法國TGV、德國ICE、英國和意大利不同類型的高速電氣化鐵路，反映了近年來國外采用最先進電力牽引技術的機車和線路的電磁干擾實際情況。

圖1 電力機車高速運行時產(chǎn)生的電磁干擾傳播示意圖

以往國內(nèi)普速電氣化鐵路電力機車電磁干擾測試主要采用國標GB/T15708-1995《交流電氣化鐵路電力機車運行產(chǎn)生的無線電輻射干擾的測量方法》進行測試。

2.1 2 個標準中測量方法的主要區(qū)別

國內(nèi)1995 年發(fā)布了GB/T 15708-1995《電氣化鐵道機車運行產(chǎn)生的無線電干擾測量方法》標準，該標準規(guī)定的測量方法與IEC62236-2《Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 2：Emission of the whole railway system to the outside world》中規(guī)定的測量方法有較大區(qū)別。主要表現(xiàn)在檢波方式、天線極化方式、采樣時間和處理方式等3 個方面。

2.2 2 個標準中測量方法的比較

通過對2 個標準中測量方法的比較，可以看出IEC62236-2 規(guī)定的方法更適用于高速電力機車的電磁干擾強度的測量，理由主要有以下2 個方面：

（1）高速情況下，準峰值檢波充放電時間相對于列車通過時間顯得太長；目前主要影響國內(nèi)鐵路沿線的不是聲音廣播而是電磁輻射。隨著技術進步，大量鐵路內(nèi)部電子設備和沿線民用電視及一些重要無線電設施的數(shù)字化程度越來越高，對瞬態(tài)尖峰輻射騷擾更為敏感，故采用峰值檢波比準峰值檢波更為合適。

（2）國內(nèi)標準規(guī)定的采樣時間和處理方法不適用于高速情況。其隨速度變化范圍大，取樣區(qū)間長短變化也較大，而80%的概率值又與取樣區(qū)間長短直接相關，使電磁干擾的大小因取樣區(qū)間的長度不同而失去可比性，整個取樣段全部數(shù)據(jù)參與統(tǒng)計導致測量結果受測試天線方向的影響較大。

雖然IEC62236-2 規(guī)定的方法更適用于對高速電力機車的電磁干擾強度的測量，但其給出的限值與國內(nèi)已制定的一系列有關鐵路干擾防護標準不具備可比性，無法相互兼容，為了保持對以往標準的平滑過渡，必須通過大量的測量和研究得出原有國家標準與最新國際標準之間的轉換關系。

3 實際測試案例

為了對高速電力機車運行時產(chǎn)生的電磁干擾頻率特性作一深入研究，筆者在某高速鐵路沿線進行了大量的現(xiàn)場測試，測試方法參考了IEC62236-2的部分規(guī)定。

3.1 測試方案

該次測試采用2 套測試設備同時進行測試，1套設備對電磁輻射的垂直分量進行測試，另1 套設備對輻射的水平分量進行測試。將測試接收機設置于示波器狀態(tài)，每次過車2 套設備對同一頻點進行測量，每次測試同時進行峰值、準峰值、均值3 種檢波方式的測量。當列車行駛至離測試點約450 m處時，2 套設備同時進行測量，10 s 后結束測量，每個頻點至少測10 組數(shù)據(jù)。

3.2 測試數(shù)據(jù)的處理

按照上述測試方案，每次測試分別得到2 種極化方式下的峰值檢波、準峰值檢波、均值檢波3 種檢波方式的數(shù)據(jù)，測試結束后對每種檢波方式的測試數(shù)據(jù)再按不超過50%、80%、90%、95%、最大值5 種概率進行取值，將測得的每個頻點在不同極化方式下的多次測試數(shù)據(jù)在各種概率下的值進行算術平均得到多次測量的平均值，再采用最小二乘法準則用MATLAB 編程進行曲線的擬合，使該曲線上各相應點的值與測量值之差的平方和在所有擬合曲線中最小，得到該高速鐵路電氣化區(qū)段電力機車運行時產(chǎn)生的電磁干擾強度統(tǒng)計結果。

3.3 測試結果的分析

在對實際測試數(shù)據(jù)進行上述統(tǒng)計處理后發(fā)現(xiàn)，30～1 000 MHz 頻段數(shù)據(jù)的變化趨勢與理論分析不符，將現(xiàn)場其他輔助測試項目記錄的數(shù)據(jù)進行綜合比較分析，發(fā)現(xiàn)電力機車運行時產(chǎn)生的電磁輻射在30～1 000 MHz 頻段內(nèi)比較小，經(jīng)常淹沒在測試地點的背景噪聲中，多數(shù)情況下無法進行測量。由于測試地點30～1 000 MHz 頻段的背景噪聲為30～55 dBμV/m，導致測試時多次出現(xiàn)干擾淹沒在MAX（測試設備的本底噪聲，測試時的背景噪聲）中的現(xiàn)象，無法測出電磁干擾的具體大小，在現(xiàn)場直接就將該數(shù)據(jù)剔除了，但也有時電磁輻射會比較大，測試儀才進行記錄和保存，這就必然導致測得的數(shù)據(jù)偏大。由于只有在電磁輻射強度超出MAX時才被記錄和保存，故由此得到的測試數(shù)據(jù)變化趨勢也與 MAX 類似，這就是上述測試 30 ～1 000 MHz 頻段內(nèi)測試數(shù)據(jù)的變化趨勢與理論分析不符的原因。

3.4 測試過程中應重點注意的事項

根據(jù)實際測試的工程實踐，結合相關測試標準的規(guī)定，筆者對測試過程中應重點注意的事項進行了總結，并對部分測試方法給出了自己的建議，主要有以下幾個方面。

3.4.1 測試地點

選取的測試地點應符合以下要求：

（1）測試地點應為可能產(chǎn)生最大電磁輻射的區(qū)段。

（2）被測列車經(jīng)過測試地點時其速度應高于最高運營速度的90%，同時機車功率應達到該速度下的最大值。

（3）被測列車經(jīng)過測試地點時應使其機車在達到最大額定功率的選定速度上運行，測量低頻分量時該項尤其重要。

（4）測試地點應避開接觸網(wǎng)非連續(xù)區(qū)段，并且四周比較空曠，沒有高大建筑物。

3.4.2 測試天線

由于測試天線感應到的是電壓信號的強度，故在進行測試前應注意將天線系數(shù)輸入測試儀器，用于把天線接收端（終端）電壓信號換算成場強。

3.4.3 測試參數(shù)

（1）檢波方式的設置。IEC 62236-2 規(guī)定為峰值檢波，由于目前較多儀器具備同時進行3 種檢波方式測試的能力，建議在測試時至少設置為峰值、準峰值2 種檢波方式，準峰值檢波的數(shù)據(jù)可以參考以往國內(nèi)標準的規(guī)定進行分析，以便得出2 種檢波方式下所得測試數(shù)據(jù)的差異。

（2）中頻帶寬的設置。測試接收機一般都有3 種中頻帶寬（注意該處的中頻帶寬指-6 dB 帶寬），分別為200 Hz、9 kHz、120 kHz，根據(jù)測量頻段的不同，測試時采用的中頻帶寬也不一樣，具體情況如表1 所示。

表1 測試接收機的中頻帶寬設置表

（3）儀器設備的校正。接上天線后對同一正弦波場的強度進行測量，與CISPR16-1 試驗設備相比較，驗證測量值的誤差在±4 dB 之內(nèi)。

（4）測試時間的選取。電力機車經(jīng)過測試點時，電磁輻射不一定最大，相反，最大值可能出現(xiàn)在機車車輛遠離測試點的某個位置。所以，測試時間必須足夠長，以保證可以捕捉電力機車經(jīng)過前后產(chǎn)生的最大電磁輻射值。這里的測試時間包含2 個概念，即從列車進入測試區(qū)段到完全離開的時間和儀器測試時停留在某個頻點的采樣時間。

因此在測試前應進行計算，經(jīng)調研，列車經(jīng)過該測試所選測試點區(qū)段時速度約為330 km/h，根據(jù)測試經(jīng)驗，電磁輻射的最大值一般出現(xiàn)在測試點前后約400 m 的區(qū)段內(nèi)，故測試時設置測試時長為10 s 即可滿足要求（儀器在列車進入測試區(qū)段時開始測試，列車完全離開測試區(qū)段時結束測試），此時可對列車經(jīng)過測試點前后各450 m 的區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生的干擾進行測量。

IEC 62236-2 標準推薦采用頻率掃描方式進行測量，在某個頻點的采樣時間為50 ms，這對儀器的要求比較高，因為儀器在進行頻率切換時存在切換時間，尤其是跨頻段切換時切換時間更長，在測試時應注意對測試儀器的參數(shù)進行詳細了解。即使儀器的性能可以滿足分頻段掃描方式測量，但也僅限在電磁環(huán)境很好的暗室或開闊場進行測量，不適合在電磁環(huán)境復雜的鐵路沿線使用，因為無法由測試數(shù)據(jù)中判斷干擾是否因電力機車通過引起。

筆者建議可以采用示波器的方式進行單頻點測試，為達到采樣時間不大于50 ms，只要其在10 s 的一個測試時段內(nèi)取200 個樣本即可滿足要求，為了更容易捕捉到交流牽引電流換向時產(chǎn)生的電磁輻射發(fā)射，該測試設置在10 s內(nèi)取500個樣本。該方法的缺陷是一次只能進行一個頻點的測試，需要選取有代表性的頻點分別進行大量的測試，將所得結果進行統(tǒng)計分析，才能得出比較科學的結果。

（5）測試天線的位置。測試天線應距離電力機車運行軌道中心線10 m 遠。如果使用對數(shù)周期天線，就是天線陣的機械中心距離軌道中心線10 m遠。該測試中測試區(qū)段為復線，故測試天線應距離最近軌道中心線10 m 遠。電力機車運行時對外輻射主要來源于滑行接觸，所以即使機車兩側安裝有不同的設備，也沒必要在兩側都進行測試。

（6）測試天線的架設。環(huán)形天線的中心應處于距軌平面1.0～2.0 m 的高度，偶極子天線與對數(shù)周期天線的中心應處于距軌平面2.5～3.5 m 的高度。經(jīng)過大量的實際測試，發(fā)現(xiàn)采用峰值檢波方式測試時，在低頻段（0.009～30 MHz）環(huán)形天線平行于軌道放置時測試結果大于垂直軌道放置時的測試結果，在高頻段（30～1 000 MHz）天線垂直極化測試結果大于天線水平極化的測試結果，所以在用峰值檢波進行最大干擾測試時，環(huán)形天線環(huán)面一般平行于測試線路架設，偶極子天線和對數(shù)周期天線平面一般垂直于測試線路架設。

3.4.4 測試時頻率的選擇

（1）測試頻率的選擇取決于測試現(xiàn)場的環(huán)境。在進行測試頻率選擇時應考慮附近是否有強信號存在，比如說公共廣播站和移動基站之類。建議避開強信號進行頻率的選擇，以免影響測試數(shù)據(jù)的準確性和正確性。

（2）測試頻率應滿足每10 倍頻程至少有3 個頻率測試點。

3.4.5 輔助項目的測試

（1）儀器本底噪聲的測量。測試前，在電磁環(huán)境相對較好的地方，對計劃測試頻點在測試方案要求的參數(shù)設置下進行設備本底噪聲的測量，作為現(xiàn)場測試時的綜合分析。

（2）背景噪聲的測量。在進行正式測試前應對計劃測試頻點在測試方案要求的參數(shù)設置下進行背景噪聲的測量，背景噪聲的測量應在沒有列車經(jīng)過的情況下進行，這樣就可以測出已通電線路產(chǎn)生的噪聲，在進行該項測試時可能需要用到上節(jié)所述的儀器本底噪聲進行分析。該項數(shù)據(jù)用于在測試電力機車運行產(chǎn)生的電磁輻射時進行比較分析，判斷測得的數(shù)據(jù)是否為真正的電力機車產(chǎn)生的輻射，防止誤將背景噪聲當成電力機車運行時產(chǎn)生的電磁干擾。

（3）環(huán)境溫濕度的測量。為使天氣對測試結果影響最小，測試宜在干燥的天氣里進行（24 h 內(nèi)的降雨量少于0.1 mm），溫度不低于5 ℃，應在測試過程中對測試點的環(huán)境溫濕度進行同步測量，可用于對干擾測試結果進行相關分析。

4 結束語

經(jīng)過對電力機車高速運行時產(chǎn)生電磁干擾測試方法的研究，結合相關測試標準，通過現(xiàn)場測試實踐得到的一些經(jīng)驗，總結出高速電力機車電磁干擾測試過程中應重點注意的事項，并對部分測試方法給出了建議，供業(yè)內(nèi)同仁參考。

[1] IEC 62236-2.Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 2: Emission of the whole railway system to the outside world.International Electro technical Commission,2008.

[2] 鐵道部電氣化工程局通信信號勘測設計院.GB/T 15708-1995 交流電氣化鐵道電力機車運行產(chǎn)生的無線電輻射干擾的測量方法[M].北京：中國標準出版社，1996.

[3] 全國牽引電氣設備與系統(tǒng)標準化技術委員會.軌道交通電磁兼容第2 部分：整個軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射（報批稿）.湖南，2009.

[4] 張晨.IEC 62236 鐵路應用-電磁兼容 第2 部分:《鐵路系統(tǒng)對外部電磁輻射》標準的等效采用工作項目.北京：中國鐵道科學研究院通信信號研究所，2009.

[5] 鐵道部電氣化工程局通信信號勘測設計院防護勘測研究設計所.交流電氣化鐵道的電磁影響及防護.天津：天津教育出版社，1993.

[6] 劉國林，殷貫西，等.電子測量[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.