淺析高速鐵路對智能小區(qū)的電磁干擾

孫士振

摘 要 隨著高速鐵路現(xiàn)代化進程的加快，高速鐵路對其附近智能小區(qū)的電磁兼容問題越來越受到人們的重視，針對這種電磁兼容問題，本文從兩個方面闡述了怎樣減少或消除高速鐵路對智能小區(qū)的電磁干擾問題。

關(guān)鍵詞 高速鐵路 智能小區(qū) 電磁干擾

引言

當(dāng)高速鐵路產(chǎn)生電磁影響時，為了改善影響方與被影響方兼容共存條件，必須采取防護措施，以避免或減少雙方的相互影響。由于目前一些高速鐵路是在既有鐵路上改建而成，因此不存在選擇高速鐵路路徑的避讓條件，而交流電氣化鐵路通過城市時有可能對鐵路沿線的智能小區(qū)產(chǎn)生電磁干擾，就更加突出了采取防護措施的重要性。

1 高速鐵路對智能小區(qū)的電磁干擾

高速鐵路具有牽引功率大、效率高和環(huán)境污染小等諸多優(yōu)越性，是鐵路牽引動力現(xiàn)代化的主要方向。我國電氣化鐵道采用工頻交流制供電，接觸網(wǎng)額定工作電壓為25kV，電力牽引采用直供、AT和BT三種供電方式，牽引電流不同程度地要以鋼軌（大地）為回路。在列車運行中接觸網(wǎng)導(dǎo)線與機車受電弓因電火花脈沖而引起的無線電干擾會對周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾（EMI）。尤其隨著傳感器技術(shù)的成熟，各種探測器（如紅外侵入探測器和被動紅外/微波雙技術(shù)探測器、感煙探測器、玻璃破碎探測器等）被應(yīng)用在智能小區(qū)的建設(shè)中，這些探測器再通過家庭無線局域網(wǎng)發(fā)射信號至家庭智能控制系統(tǒng)，再由公共電話網(wǎng)發(fā)送信息至戶主。這些智能小區(qū)中的電氣、電子設(shè)備極易受到外部電磁干擾的影響，可能出現(xiàn)運行紊亂、檢測失誤等而無法正常工作，嚴(yán)重時還會危及設(shè)備與人員安全。電氣化鐵路對智能小區(qū)的干擾問題或電磁兼容性（EMC）問題日益突出。

電磁干擾的傳輸途徑主要有通過傳輸線路和空間輻射兩種方式。對于智能小區(qū)的影響可以按照以下形式來討論。①牽引供電系統(tǒng)的放電火花脈沖產(chǎn)生的高頻電磁波輻射②阻性耦合導(dǎo)致電位升的影響。任何電磁干擾的形成都要具備三個基本要素：干擾源、敏感源和耦合途徑，稱為電磁干擾形成三要素，缺一不可。電磁干擾抑制技術(shù)的研究由此出發(fā)，即設(shè)法破壞或削弱其中一個或兩個要素的影響。

2 牽引供電系統(tǒng)的放電火花脈沖產(chǎn)生的高頻電磁波輻射及其防護

2.1 牽引供電系統(tǒng)的放電火花脈沖產(chǎn)生的高頻電磁波輻射

高速鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線與機車受電弓因電火花脈沖而引起的無線電干擾，不是一個恒定的值，它與機車的運行速度、牽引負荷的大小、接觸導(dǎo)線的新舊程度及清潔與否、以及受電弓的材質(zhì)及其磨損情況、弓子彈簧的張力、氣候等諸因素有關(guān)，因此它是一個隨機量（如圖1）。

防護機理上可以分為兩大類：一類是力圖消除干擾源，以減少產(chǎn)生電脈沖的數(shù)量或頻度，或降低電脈沖干擾幅度；另一類是以增加干擾的損耗和加大對干擾的屏蔽效果等手段來控制干擾波的傳輸通道，以縮小其傳播和影響的范圍；除此之外還應(yīng)對無線系統(tǒng)作進一步的改進。

2.2 高速鐵路弓網(wǎng)性能的改進：提高接觸網(wǎng)質(zhì)量，降低電磁輻射

根據(jù)鄭武線準(zhǔn)高速不同區(qū)間干擾試驗表明，電氣化鐵路脈沖型無線電干擾絕大多數(shù)產(chǎn)生于定位點處。因為定位點是集中負荷點，該點在一個跨距內(nèi)彈性最低.是造成接觸網(wǎng)彈性不均勻的重要因素。如能增大接觸導(dǎo)線的張力，或采用彈性定位器，則可提高接觸網(wǎng)彈性均勻程度，減小接觸導(dǎo)線彈性差異系數(shù)，減少定位點處脈沖干擾發(fā)生幾率。鄭武線試驗段接觸導(dǎo)線和承力索張力均為15kN，接觸導(dǎo)線為銀銅合金；非試驗段接觸導(dǎo)線張力l0kN，銅線，承力索張力20kN。實測表明，由于試驗段接觸網(wǎng)質(zhì)量提高，機車運行產(chǎn)生的無線電干擾與非試驗段相比降幅較大，約為7dB。較差的接觸網(wǎng).幾乎每個定位點處都會產(chǎn)生脈沖干擾；質(zhì)量較好的接觸網(wǎng)，許多個連續(xù)定位點也不產(chǎn)生一個脈沖，從而可大大降低整體電磁輻射水平。大量實測還說明，受電弓滑板材質(zhì)、線路平直程度對干擾的大小也有一定作用，但接觸網(wǎng)性能指標(biāo)的改變對電磁輻射強弱的影響最大。

2.3 在高速鐵路穿越城市的區(qū)域可以采用屏蔽導(dǎo)線陣列擬制干擾電波

對于高速鐵路產(chǎn)生的無線電干擾，采用各種屏蔽手段來控制其傳輸通道，能起到良好效果。由金屬導(dǎo)線平行排列組成的屏蔽導(dǎo)線陣列是屏蔽措施的實用方法。它是利用陣列中的每根導(dǎo)線的反射及感應(yīng)到的干擾電流互相進行矢量疊加使其抵消，從而干擾場強得以降低并獲得屏蔽效果。

根據(jù)京—秦線某復(fù)線區(qū)段對比性實驗，即在架設(shè)屏蔽導(dǎo)線陣列的一側(cè)及沒有架設(shè)的另一側(cè)，利用相同的干擾場強測試儀同時測量同一輛電力機車通過測試點正前方時所產(chǎn)生的噪聲的最大值。實驗表明架設(shè)屏蔽導(dǎo)線陣列在超短波段有一定的屏蔽效果，隨著導(dǎo)線陣列線間距離的減小，其屏蔽效果變好。如在靠近職能小區(qū)的鐵路沿線架設(shè)屏蔽導(dǎo)線陣列，將屏蔽一部分高速鐵路產(chǎn)生的無線電干擾。

2.4 無線系統(tǒng)自身的改進

在靠近高速鐵路線的智能小區(qū)無線設(shè)備嚴(yán)格選用電磁兼容性能符合CISPR標(biāo)準(zhǔn)及國家標(biāo)準(zhǔn)的電子、電氣設(shè)備。無線網(wǎng)的工作頻率符合IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)要求。

無線局域網(wǎng)采用擴頻通信系統(tǒng)，擴頻通信擴展的頻譜越寬，處理增益越高，抗干擾能力就越強。簡單地說，如果信號頻譜展寬10倍，那么干擾方面需要在更寬的頻帶上去進行干擾，分散了干擾功率，從而在總功率不變的條件下，其干擾強度只有原來的1/10。另外，由于接收端采用擴頻碼序列進行相關(guān)檢測，空中即使有同類信號進行干擾，如果不能檢測出有用信號的碼序列，干擾也起不了太大作用，因此擴頻通信能夠提高抗干擾性能強。

3 阻性耦合導(dǎo)致電位升的影響及防護措施

3.1 阻性耦合導(dǎo)致電位升的影響

阻性耦合影響也稱入地電流影響。我國交流電氣化鐵道的供電系統(tǒng)是以接觸網(wǎng)為電流去線，以鋼軌—大地為電流回線的單相不對稱供電線路。當(dāng)接觸網(wǎng)電流經(jīng)鋼軌回流，尤其在接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時，將會有很大的電流沿鋼軌漏泄入地（如圖2）。在入地電流點或牽引變電所周圍相對于遠處的大地之間會產(chǎn)生電位差。這種地電位的變化，有可能反竄到智能小區(qū)設(shè)備中，影響設(shè)備的各種地線電位，影響設(shè)備的可靠工作。

3.2 對地電位升的防護

對地電位升的防護有隔離和遠離接地等技術(shù)。隔離實質(zhì)是將設(shè)備的地線系統(tǒng)與大地隔離，隔離方法有兩種：一種是用變壓器隔離；另一種采用光電隔離技術(shù).這兩種方法要求設(shè)備單獨供電，并且要進行良好的屏蔽。遠離接地是基于離鋼軌越遠處、地電位升越小的原理。根據(jù)大秦線測試數(shù)據(jù)，距離為500 m以上時，則地電位的變化很小。因此可將智能小區(qū)設(shè)備地線的接地點設(shè)置在離鐵路較遠處，并用絕緣導(dǎo)線引至設(shè)備工作地點。接地系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)做到：①以盡可能短的接地路徑建立一個對有關(guān)裝置都是等電位的接地導(dǎo)線系統(tǒng)。②不構(gòu)成接地環(huán)路。③避免電源零線引入干擾。

4 結(jié)論與建議

隨著高速鐵路現(xiàn)代化進程的加快，高速鐵路對其附近智能小區(qū)的電磁兼容問題越來越受到人們的重視。只要防護措施得當(dāng)，將能大大減小電氣化鐵路對智能小區(qū)的干擾。高速電氣化鐵路的出現(xiàn)為電磁兼容領(lǐng)域的科研、技術(shù)人員提出了新的挑戰(zhàn)，有待于進一步測量和深入研究，從而制定全面的、明確的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。