城際鐵路對機(jī)場導(dǎo)航設(shè)施電磁干擾計算與分析

靳 遠(yuǎn)

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC對電磁兼容的定義是：系統(tǒng)或設(shè)備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不對其他系統(tǒng)和設(shè)備造成干擾。所以電磁兼容性(EMC)包含了2個方面：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)不能超過一定的限值；另一方面是指設(shè)備對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(EMS)。

世界電子兩大電子市場美國和歐盟所采用標(biāo)準(zhǔn)還有所不同，而我國所采用的是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(ETSI)所制定的標(biāo)準(zhǔn)，它對EMI和EMS都有要求。針對鄭機(jī)城際鐵路與機(jī)場的EMC問題，闡述電氣化鐵路與機(jī)場通信設(shè)施的影響計算與分析。

通過分析結(jié)果，可以判定干擾強(qiáng)度是否滿足國標(biāo)要求，并采取相應(yīng)的電磁防護(hù)措施。從電磁兼容的角度出發(fā)，電磁防護(hù)措施主要有降低干擾源的干擾強(qiáng)度和增加被干擾設(shè)施的抗干擾能力2個方面。針對研究對象的情況，國內(nèi)、外所采用的普遍防護(hù)方式是采取增設(shè)具備屏蔽效果的隧道明洞的方法。本文主要闡述鐵路與機(jī)場電磁兼容的計算與分析方法。

1 機(jī)場及相關(guān)設(shè)施的電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)場的凈空及電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)按《軍用機(jī)場凈空規(guī)定》(國發(fā)[2001]29號)、《航空無線電導(dǎo)航臺站電磁環(huán)境要求》(GB6364—86)及《VHF/UHF航空無線電通信臺站電磁環(huán)境要求》(GJBz20093—1992)中的規(guī)定執(zhí)行，其中中波導(dǎo)航臺與電氣化鐵路的允許距離是150 m，對各種有源干擾的防護(hù)率為15 dB。

2 城際鐵路對新鄭機(jī)場近距導(dǎo)航臺的影響分析

2.1 鐵路與新鄭機(jī)場的相對關(guān)系

以鄭機(jī)城際鐵路為例，根據(jù)城際鐵路與鄭州新鄭機(jī)場的相對位置關(guān)系，城際鐵路距離機(jī)場跑道在1.5 km以外，因此，判斷主要受鄭機(jī)鐵路干擾的設(shè)施是新鄭機(jī)場規(guī)劃工程里第二和第三跑道的近距導(dǎo)航臺。根據(jù)調(diào)查新鄭機(jī)場的近距導(dǎo)航臺站由中波導(dǎo)航臺和指點信標(biāo)臺兩種儀器組成。

如圖1所示，鄭機(jī)城際鐵路在DK35+000到DK35+850路基段處于機(jī)場下滑道左右15°以內(nèi)的覆蓋區(qū)域內(nèi)，并且與新鄭機(jī)場跑道延長軸線基本垂直。DK35+850以后鄭機(jī)線為隧道區(qū)段，則不存在與機(jī)場的電磁兼容問題。

圖1 鄭機(jī)線與近距導(dǎo)航臺位置關(guān)系

鐵路從兩近距導(dǎo)航臺的西側(cè)通過，第二跑道西近距導(dǎo)航臺與干擾源的最近距離為500 m。第三跑道西近距導(dǎo)航臺與干擾源最近距離為600 m。選擇更容易受干擾的第二跑道西近距導(dǎo)航臺為例。

2.2 城際鐵路所產(chǎn)生的干擾分析

城際鐵路對機(jī)場的干撓影響主要有無源干擾和有源干擾兩部分。

2.2.1 城際鐵路產(chǎn)生的無源干擾

產(chǎn)生的無源干擾主要指線路、接觸網(wǎng)、支撐塔架、列車等金屬導(dǎo)體的反射，它們可能對飛機(jī)及機(jī)場設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)噪聲影響，引起設(shè)備失靈，或者掃描航道的抖動、彎曲、偏移等。

2.2.2 城際鐵路產(chǎn)生的有源干擾

有源干擾分為固定干擾源和流動干擾源，固定干擾源包括線路放電和電化所亭中的強(qiáng)電設(shè)備；流動干擾源包括機(jī)車內(nèi)部設(shè)備和列車在行進(jìn)過程中受電弓與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生的電火花及線路的放電干擾。

固定干擾源中，電化所亭中的強(qiáng)電設(shè)備并不會造成嚴(yán)重的干擾，線路放電屬于線路故障，發(fā)現(xiàn)后經(jīng)過處理，是可以排除的。而且鄭機(jī)線在此區(qū)段內(nèi)并沒有設(shè)置電化所亭等強(qiáng)電設(shè)施。

流動干擾源中，電力機(jī)車內(nèi)部設(shè)施產(chǎn)生的干擾由于受到機(jī)車金屬殼體的屏蔽，或者受到機(jī)車內(nèi)部電力配線及輔助電路上阻抗衰減和旁路功能，致使基本對外界不產(chǎn)生干擾，所以主要干擾源來自受電弓在接觸網(wǎng)的導(dǎo)線上滑動離線所產(chǎn)生的電火花、噪聲和諧波。它不僅是電氣化鐵路電磁干擾的最嚴(yán)重的根源，也是影響干擾強(qiáng)弱因素的主要干擾源。

2.2.3 干擾分析

根據(jù)現(xiàn)狀分析，鄭機(jī)線位距離近距導(dǎo)航臺500 m，電氣化鐵路所產(chǎn)生的放電和感應(yīng)電勢無法通過介質(zhì)傳導(dǎo)過去，所以不考慮傳導(dǎo)干擾，只考慮電氣化鐵路產(chǎn)生的輻射干擾對機(jī)載和機(jī)場設(shè)施的影響。

3 城際鐵路對中波導(dǎo)航臺的影響分析

3.1 無源干擾

航空無線電導(dǎo)航臺站的準(zhǔn)確性主要取決于電磁波場型內(nèi)環(huán)境的好壞。根據(jù)規(guī)范，新鄭機(jī)場的近、遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺距鄭機(jī)電氣化鐵路均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于150 m，符合機(jī)場場地要求[3]，即電氣化鐵道對導(dǎo)航臺不構(gòu)成無源干擾。

3.2 有源干擾

中波導(dǎo)航臺是發(fā)射垂直極化波的無方向性發(fā)射臺，機(jī)載無線電羅盤接收中波導(dǎo)航臺發(fā)射的無線電信號，測定飛機(jī)與中波導(dǎo)航臺的相對方位角，用以引導(dǎo)飛機(jī)沿預(yù)定航線飛行和進(jìn)行著陸。近距導(dǎo)航臺只完成導(dǎo)航臺以外空間上的導(dǎo)航任務(wù)，飛機(jī)飛過近距導(dǎo)航臺后，導(dǎo)航臺不再起作用，所以有源干擾只考慮飛機(jī)在近距導(dǎo)航臺以外的航道上所承受的輻射干擾，如圖2所示。

圖2 鄭機(jī)線與近距導(dǎo)航臺位置關(guān)系(單位：m)

根據(jù)分析，飛機(jī)飛過電氣化鐵路接觸網(wǎng)的正上空，并此刻有電力機(jī)車通過時，受到的輻射干擾影響最大，以下按最壞的情況考慮，對圖2中A點的信噪比進(jìn)行計算分析，然后與規(guī)范中的防護(hù)率要求相比較，即可得知是否滿足規(guī)范要求。下面就近距導(dǎo)航臺分別以實際發(fā)射功率100 W及有效輻射功率為1 W時2種情況進(jìn)行分析。

3.2.1 發(fā)射功率為100 W時的輻射干擾分析

當(dāng)新鄭機(jī)場近距導(dǎo)航臺發(fā)射功率為100 W，適用于長波、中波和短波的場強(qiáng)計算公式[4]

Es=77.78+10lgPt-20lgds

將Pt=100 W，ds=0.5 km 代入，在鐵路正上方的信號場強(qiáng)近似為

Es=103.8 dBμV/m

根據(jù)原鐵道部、空軍聯(lián)合試驗組針對80 km/h車速所做的試驗[4]，得出的無線電干擾特性公式，當(dāng)f<30 MHz時距鐵路10 m處，干擾場強(qiáng)的頻率特性為

E10=53.24-14.81lgf(dBμV/m)(1)

由于鄭機(jī)城際鐵路最高速度為200 km/h，速度較試驗[4]提高了120 km/h，依據(jù)日本實測數(shù)據(jù)， 速度每增加10 km/h電磁輻射增加0.4～0.6 dB，基本在0.5 dB左右。

另外，電火花也是電氣化鐵路所產(chǎn)生的主要電磁干擾，但現(xiàn)階段接觸網(wǎng)設(shè)計都采用高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備及高張力、彈性均勻懸掛方式，使得弓網(wǎng)系統(tǒng)處于較為平穩(wěn)的工作狀態(tài)，離線率低于4%，技術(shù)和產(chǎn)品要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于過去的電氣化鐵路。因此本次計算按速度每增加10 km/h電磁輻射強(qiáng)度增加0.5 dB考慮，即頻率特性為

E10=53.24+12×0.5-14.81lgf(dBμV/m)

取中波頻率f=0.7 MHz時，E10=61.5 dBμV/m

中波段電波以地波方式傳播，由于重點考慮干擾向上部空間傳播，因此傳播衰減按自由空間傳播模式計算[4]，即

En=E10-20lg(h/10)(2)

其中：h為離干擾源的高度，可按飛機(jī)沿近、遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺進(jìn)場著陸時的下滑線計算。

根據(jù)GB6364—86附錄B第B.3條規(guī)定：飛機(jī)進(jìn)場著陸時，飛機(jī)在近距導(dǎo)航臺上空的最低高度為60 m，下劃線與地面夾角約為2.67°，則

h=500·tan2.67°+60-17=

(23.32+60-17) m=66.32 m

代入式(2)中，算得

En=45.07 dBμV/m

信噪比：Es-En=58.73 dBμV/m

Es-En>15 dB

即信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于國標(biāo)GB6364—86中的防護(hù)率15 dB。因此電氣化鐵道不會對機(jī)場近距導(dǎo)航臺及機(jī)載設(shè)施產(chǎn)生輻射干擾影響。

3.2.2 有效輻射功率為1 W時的輻射干擾分析

當(dāng)近距導(dǎo)航臺的有效輻射功率為1 W時，其在鐵路正上方的信號場強(qiáng)近似為：Es=77.8-20lgds，將ds=0.5 km代入，則

Es=83.8 dBμV/m

上述計算已得En=45.07 dBμV/m

信噪比：Es-En=38.73 dBμV/m

Es-En>15 dB

當(dāng)近距導(dǎo)航臺的有效輻射功率為1 W時，信噪比仍大于規(guī)范要求的15 dB，則電氣化鐵路所產(chǎn)生的輻射干擾滿足近距導(dǎo)航臺的防護(hù)率要求。

關(guān)于遠(yuǎn)距導(dǎo)航臺電磁環(huán)境的分析也類似，因為距離鐵路更遠(yuǎn)，電氣化鐵道對其工作更不會產(chǎn)生干擾影響。

4 城際鐵路對指點信標(biāo)臺的電磁影響分析

4.1 無源干擾

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，指點信標(biāo)臺的保護(hù)區(qū)范圍，要求不得有超出以地網(wǎng)或者天線陣最低單元為基準(zhǔn)、垂直張角為20°的障礙物[3]。鄭機(jī)城際鐵路遠(yuǎn)在指點信標(biāo)臺的保護(hù)區(qū)范圍以外，因此判定電氣化鐵路對指點信標(biāo)臺不存在無源干擾影響。

4.2 有源干擾

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，指點信標(biāo)臺覆蓋區(qū)內(nèi)最低信號強(qiáng)度為64 dB，對有源干擾的防護(hù)率為23 dB[3]。

有源干擾影響計算：新鄭機(jī)場第二跑道的指點信標(biāo)臺距離鄭機(jī)城際鐵路最近為500 m。飛機(jī)飛過指點信標(biāo)臺的高度約為60 m，當(dāng)飛機(jī)飛過指點信標(biāo)臺覆蓋區(qū)域后，則該臺不再起作用。結(jié)合指點信標(biāo)臺的工作目的和特性分析，與中波導(dǎo)航臺不同，電氣化鐵路對指點信標(biāo)臺的干擾應(yīng)計算飛機(jī)在指點信標(biāo)臺正上空B點受到的干擾強(qiáng)度，如圖2所示。

選擇適用于頻率在30 MHz以上的信號強(qiáng)度公式

Ex=81.46-10.46lgf-20lgd

B點與鐵路距離：d=(5002+602)0.5=503.59 m

計算條件：信標(biāo)臺工作頻率f=75 MHz，B點與鐵路距離d=503.59 m。

計算出在鐵路正上空時產(chǎn)生的信號強(qiáng)度應(yīng)為Ex=7.81 dBμV/m。

根據(jù)信噪比定義：Es-Ex=64-7.81=56.19>23 dB

假設(shè)指點信標(biāo)臺輸出信號為最低強(qiáng)度64 dB，可算出近距導(dǎo)航臺位置的指點信標(biāo)臺上空計算點的信噪比等于56.19 dB，遠(yuǎn)大于防護(hù)率要求的23 dB，則城際鐵路產(chǎn)生的輻射干擾滿足指點信標(biāo)臺的防護(hù)率要求。

5 電磁兼容改善方案及措施

電磁兼容作為電氣化鐵路的一個重要的質(zhì)量指標(biāo)，在其規(guī)劃和設(shè)計階段就必須予以充分考慮，根據(jù)我國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的2個方面考慮[1](電磁干擾和電磁敏感性)，則解決電磁兼容問題，需從這2個方面入手。

第一，從電路技術(shù)上，即降低導(dǎo)航臺站的電磁敏感度，更換高標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)航臺設(shè)備。第二，從防護(hù)措施上，采用一些限制作用的器材，例如避雷器、火花間隙器、壓敏元器件來限制干擾，或者采用抑制作用的方式，例如增設(shè)濾波器、鐵軌的接地以及架設(shè)具備屏蔽金屬網(wǎng)的明洞土建設(shè)施(屏蔽金屬網(wǎng)針對干擾源的波段不同，穿透力不同以及吸收度不同，則網(wǎng)孔大小及材質(zhì)也不同，需根據(jù)具體情況進(jìn)行計算和試驗來確定。)，削弱和隔離耦合通道，從而減少干擾影響。

6 結(jié)語

隨著我國高速鐵路的不斷增多，電磁兼容問題已逐漸明顯和突出，為了提高電氣化鐵路的電磁兼容水平，在設(shè)計階段必須根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對電氣鐵路可能產(chǎn)生的各種影響進(jìn)行計算和分析，以及盡可能進(jìn)行的建模仿真和試驗，在實施階段也要嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)國家規(guī)范執(zhí)行。只有徹底解決鐵路與內(nèi)部設(shè)施、外界設(shè)施或者自然環(huán)境因素之間電磁兼容問題，才能提高鐵路機(jī)電系統(tǒng)可靠性，確保鐵路行車安全。

[1] 周莉.電氣化鐵路的電磁兼容(EMC)問題[C]∥廣西：柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系論文集，廣西：2009．

[2] 高彼綱.電磁兼容技術(shù)的若干新進(jìn)展[J].信息與電磁兼容，2000(2):21．

[3] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB6364—86 航空無線電導(dǎo)航臺站電磁環(huán)境要求[S].

[4] 鐵道部工程設(shè)計鑒定中心.通信線路及其他設(shè)施電磁干擾防護(hù)工程設(shè)計指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.