電氣化弓網(wǎng)離線電弧對(duì)GSM-R的電磁噪聲分析

歸甜甜

（西南交通大學(xué)，四川 成都 610000）

1.弓網(wǎng)電弧的噪聲分析

現(xiàn)有的文獻(xiàn)及實(shí)測(cè)均表明，對(duì)GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)的主要電磁干擾來(lái)自于弓網(wǎng)電弧，其主要產(chǎn)生的是高頻電磁波，且頻率有大部分正好是落在GSM-R所使用的頻段范圍內(nèi)[1]。所以分析弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生噪聲對(duì)研究GSM-R抗干擾問(wèn)題是必要的。既有文獻(xiàn)[2]對(duì)弓網(wǎng)電弧進(jìn)行了Simulink建模仿真，在解決弓網(wǎng)離線對(duì)電磁兼容環(huán)境造成的污染，做了積極地探索工作。本文主要是針對(duì)弓網(wǎng)電弧對(duì)GSM-R所在的900M頻段的噪聲仿真，有更強(qiáng)的針對(duì)性。

（1）單次火花放電

要探討弓網(wǎng)離線電弧在900M頻段的噪聲，那先要考慮弓網(wǎng)離線單次放電情況。火花放電具有很寬的噪聲頻譜，從十KHZ到上GKHZ。單次火花放電所產(chǎn)生的噪聲是由一系列衰減震蕩的脈沖組成，該噪聲峰值檢波電壓服從高斯分布，半峰值脈寬為2.36σ,有MATLAB仿真得到下面圖1。

圖1 單次火花放電的時(shí)域波形

由圖1可知，火花放電脈沖上升沿在ns數(shù)量級(jí)上，振蕩持續(xù)時(shí)間約為十幾到幾十ns。單次火花放電所產(chǎn)生的噪聲，其電流幅值的衰減在誤差范圍內(nèi)滿足負(fù)指數(shù)分布規(guī)律。

（2）連續(xù)放電

列車在運(yùn)行過(guò)程中，弓網(wǎng)離線造成的放電并不是單次出現(xiàn)的。那分析弓網(wǎng)電弧在900M頻段的干擾需要分析連續(xù)放電情況。當(dāng)受電弓與接觸線分離，空氣間隙的端電壓隨著接觸網(wǎng)工頻電壓變化逐漸增大，直到到達(dá)擊穿電壓Ub時(shí)，間隙就被擊穿了。此時(shí)，若電源容量足夠，氣隙將形成電弧放電。這時(shí)間隙完全喪失絕緣性能，形成了短路的通道，產(chǎn)生很大電流的電弧，溫度達(dá)上千度，產(chǎn)生強(qiáng)光輻射以及高頻電磁波。當(dāng)該工頻電流減小至零點(diǎn)附近時(shí)，電弧熄滅，受電弓與接觸線之間恢復(fù)高阻狀態(tài)；然后空氣間隙的端電壓再次達(dá)到擊穿電壓，重復(fù)上面所描述的現(xiàn)象，直到受電弓與接觸線恢復(fù)良好電接觸為止。

弓網(wǎng)電弧噪聲模型由列車經(jīng)過(guò)硬點(diǎn)、弓網(wǎng)離線、單次空氣放電、連續(xù)空氣放電、電弧產(chǎn)生。擊穿電壓取30 KV，極間距離取1 cm，空氣密度取1，火花放電時(shí)間取10 us，受電弓歸算質(zhì)量取59 kg，極間距離取10 cm，弓網(wǎng)一次離線在900MHZ頻段電弧噪聲分布仿真如下圖2所示。

圖2 弓網(wǎng)一次離線電弧噪聲分布

有圖2可知，弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的高頻電磁波頻率部分散落在GSM-R系統(tǒng)的載頻范圍內(nèi)，造成同頻干擾。當(dāng)電磁噪聲幅度較大時(shí)，將對(duì)系統(tǒng)的可靠性造成嚴(yán)重影響，使得系統(tǒng)誤碼率急劇增高，甚至?xí)a(chǎn)生通信中斷現(xiàn)象。對(duì)于一般的通信來(lái)說(shuō)，這種現(xiàn)象不會(huì)造成嚴(yán)重的后果，列控系統(tǒng)的車地雙向通信數(shù)據(jù)需要通過(guò)GSM-R系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，不能有絲毫的錯(cuò)誤發(fā)生。因此，系統(tǒng)誤碼率升高和通信中斷會(huì)嚴(yán)重威脅列車行車安全，對(duì)列車營(yíng)運(yùn)造成極大的安全隱患。

（3）連續(xù)放電的重復(fù)頻率

為了仿真列車運(yùn)行過(guò)程中連續(xù)離線弓網(wǎng)噪聲在900MHZ頻段分布，需要用到電弧的重復(fù)頻率。接觸網(wǎng)與受電弓之間產(chǎn)生的電弧出現(xiàn)頻率與以下幾個(gè)參數(shù)相關(guān)：接觸網(wǎng)定位點(diǎn)之間的跨距d，列車運(yùn)行速度v，以及在單個(gè)定位點(diǎn)處發(fā)生弓網(wǎng)分離的概率。由此，可以得到統(tǒng)計(jì)意義上的電弧重復(fù)頻率[2]

其中：v表示列車運(yùn)行速度（km/h）；d表示硬點(diǎn)間距（m）；ρ表示弓網(wǎng)離線概率。

本文通過(guò)輸入接觸網(wǎng)硬點(diǎn)間距，列車運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)列車周期性的通過(guò)硬點(diǎn)；以指數(shù)概率分布作為受電弓離線的概率分布，并同時(shí)以之生成最大離線間隙；通過(guò)最大離線間隙、回復(fù)力（一般近似等于接觸網(wǎng)壓力）和受電弓歸算質(zhì)量計(jì)算弓網(wǎng)離線的時(shí)間以及所產(chǎn)生的擊穿電壓。最大離線間隙取1 cm，回復(fù)力取79.79 N，硬點(diǎn)間距取70 m，列車運(yùn)行速度取300 km/h，弓網(wǎng)離線概率0.45，仿真如圖3所示。

圖3 弓網(wǎng)連續(xù)離線噪聲分布

由圖3可知，弓網(wǎng)連續(xù)離線產(chǎn)生的噪聲如圖，在過(guò)硬點(diǎn)的時(shí)候發(fā)生離線事件，具有隨機(jī)性。電力機(jī)車速度越高，受電弓與接觸導(dǎo)線分離的可能性越大，弓網(wǎng)電弧越容易產(chǎn)生。電弧產(chǎn)生時(shí)向周圍發(fā)射高頻噪聲，對(duì)機(jī)車沿線的通訊信號(hào)和無(wú)線電信號(hào)造成很大的干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通訊間斷和無(wú)線電信號(hào)失效等現(xiàn)象。

2.弓網(wǎng)離線噪聲分析

對(duì)于本文所研究的弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的高頻同頻電磁噪聲，幅度具有隨機(jī)性，而頻率分布也是在900MHz附近分布，噪聲的頻率分布范圍與GSM-R的工作頻率相互重疊，而且幅度變化較大，噪聲強(qiáng)度高的時(shí)候會(huì)對(duì)GSM-R通信系統(tǒng)的性能造成嚴(yán)重影響。對(duì)于GSM-R基站發(fā)射的信號(hào)來(lái)說(shuō)，信號(hào)要經(jīng)過(guò)空間的衰落，空間傳播信道可看做瑞利信道，而且具有多徑效應(yīng)，幾乎在列車運(yùn)行時(shí)GSM-R的天線系統(tǒng)很少有機(jī)會(huì)收到直達(dá)波，但是對(duì)于弓網(wǎng)電弧放電產(chǎn)生的高頻電磁波噪聲則不同，這種噪聲源距離天線接收系統(tǒng)極近，空間損耗幾乎可以忽略，距離就為機(jī)車電弓與GSM-R天線系統(tǒng)的距離，而且?guī)缀踅^大部分是直達(dá)波接收，再加上強(qiáng)度足以干擾GSMR正常接收的概率也較大，隨著機(jī)車速度的提升，這種干擾的影響已經(jīng)不容忽視。

根據(jù)上面對(duì)弓網(wǎng)離線噪聲的分析可以看出，此類噪聲有以下3個(gè)特點(diǎn)：

1)弓網(wǎng)離線的發(fā)生時(shí)隨機(jī)事件，因此弓網(wǎng)離線產(chǎn)生的噪聲也是隨機(jī)事件

2)噪聲是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程

3)噪聲頻譜很寬，可以近似認(rèn)為是白噪聲

3.結(jié)論

綜上所述，對(duì)電氣化鐵道脈沖騷擾對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾問(wèn)題進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)時(shí)，采用弓網(wǎng)噪聲數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，具有一定參考價(jià)值。電氣化弓網(wǎng)離線噪聲對(duì)GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中存在著同頻干擾，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)排除或避免這些干擾，常用的有智能天線、分集接收、交織技術(shù)。解決GSM-R移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的干擾，尤其是降低電磁干擾，是一項(xiàng)長(zhǎng)期不間斷而且非常復(fù)雜的工作，有待于在實(shí)際工作中進(jìn)一步摸索總結(jié)。

致謝

在此我謹(jǐn)向我的導(dǎo)師王長(zhǎng)林教授以及在做論文過(guò)程中給予我很大幫助的列控工作室的同學(xué)們致以最誠(chéng)摯的謝意

[1]高晨亮.GSM-R電磁干擾及測(cè)試問(wèn)題研究.鐵道通信信號(hào)，2007年,第43卷第10期,50-53.

[2]陳嵩，沙斐，王國(guó)棟.電氣化鐵道脈沖電磁騷擾的Simulink模型.鐵道學(xué)報(bào)，2009年第 1期,23-27.