電力機車電磁輻射的機理及對周邊環(huán)境的影響

李祥瑞

（重慶水利電力職業(yè)技術學院，重慶 402160）

一、電力機車電磁輻射的形成

軌道機車要急速行駛，應當裝設功能強大的動力系統(tǒng)。當下，一般K字頭火車的動力系統(tǒng)的功率普遍為2W到3MW之間。根據(jù)國務院制定的中長期鐵路規(guī)劃，我國將開行時速達300公里以上的高速列車。行駛速度如此大的列車，需要的動力系統(tǒng)系統(tǒng)功率將達到10MW左右。就目前技術條件，為如此高功率的列車提供動力，一般均采用電動力系統(tǒng)。所以，在我國高速列車均采取電力機車。電力機車從供電網(wǎng)中獲取能量，電力機車本身不裝設功率產(chǎn)生設備，也不攜帶其他一次能源，其能量來源均由電力網(wǎng)提供。電能是有發(fā)電廠產(chǎn)生，利用升壓變電站升壓傳輸?shù)浇祲鹤冸娬荆僖氲借F道專用變電站。從鐵道專用變電站的出線端引出配線網(wǎng)絡到鐵道接觸網(wǎng)上端，利用回流連接線與受電弓、車輪及鐵軌，形成了電流流通路徑，此時電力機車通電。具體可參見圖1。

在傳統(tǒng)的電力機車的動力供配電系統(tǒng)中，曾有多種不同的供配電形式出現(xiàn)，主流的有供電方式有單相工頻交流方式、單相低頻交流方式、直流方式等。經(jīng)過多年鐵路的工作者的實踐，最終確定電力機車的供配電的系統(tǒng)采用單相工頻交流方式。通過交流為電力機車的行駛提供動力有相比其他方式具有很多的優(yōu)勢。但工頻交流電必然對外發(fā)射工頻電磁波，同時由于與鐵道附近的電磁環(huán)境相互影響，還必然發(fā)射高頻諧波輻射。這些電磁輻射對于周邊的電氣設備、通信設施必然會產(chǎn)生一定的影響。

二、電力機車形成電磁輻射的原因

電力機車行駛時形成的電磁輻射主要原因是受電弓與導線的聯(lián)系問題。受電弓與導線之間本來就存在著接觸電阻的問題。行駛中的電機機車受電弓和電網(wǎng)絡更加不可能嚴密的接觸。這個接觸面的等效電路模型，不能夠單純的是一個電阻模型，而是一個由電阻、電容和電感共同構成的模型。同時，由于電力機車在行駛時，受電弓與導線之間的接觸面的緊密程度在不斷地變化，它們之間的等效電路模型參數(shù)亦在不斷變化。這致使流過機車的電流產(chǎn)生高頻諧波分流，對外發(fā)射高頻電磁諧波。電力機車電磁輻射，大概有一下幾種形式。

圖1 電力機車供配電系統(tǒng)

（1）電力機車在啟動和進站時，時速相維持在低位，行駛相對穩(wěn)定。此時受電弓在供電網(wǎng)導線下方平滑移動，銜接相對嚴密，基本未有形成顯然的縫隙，電磁輻射較弱。這時候機車通過電流波形產(chǎn)生畸變原因在于，導線和受電弓的表平面由于存在著損耗，相互的表面都不夠平滑。這種畸變電流在機車重載運行時，變現(xiàn)的愈加明顯。畸變電流對外依然要發(fā)射高頻電磁波，產(chǎn)生電磁輻射。相對而言，此類電磁電磁輻射的能量層級比較弱，同時隨著頻率的增大，幅值衰減得也比較厲害。

（2）電力機車在駛離車站開始高速運行時，因為導線表層存在許多的硬點，機車機車在經(jīng)過這些硬點時，將完全與導線脫離。此時，供電網(wǎng)對機車的供能，將有電弧的參與。電弧的流經(jīng)路徑和電流大小難以控制，時刻變化。電弧電流包含大量的的高次諧波分量，并且能量層級很高，對外將發(fā)生較為強烈的電磁輻射。

除此之外、電力機車裝設的其他設備，比如整流設備、變壓器等等都會形成一定的電磁輻射。整流設備是由非線性的電力電子器件構成，其工作形式是在電力電子器件不停在截止區(qū)和飽和區(qū)轉換，從而達到交直流轉換盒變頻的目的。在此過程中，必將產(chǎn)生高頻電磁輻射。變壓器采用了很多鐵磁材料構成，由于其鐵磁材料工作超過其線性區(qū)，使得不同相位的電流非等比例變化，從而造成高頻電磁諧波。此類電磁輻射，能量層級相對于受電弓與導線之間產(chǎn)生的電磁輻射而言較小，同時還受到機車的屏蔽，對周圍環(huán)境影響比較弱。

總之，電力機車電磁輻射產(chǎn)生原因主要是由于列車行駛時其受電弓與接觸網(wǎng)的銜接情況不斷變化，導致其等效電氣參數(shù)不斷變化，從而產(chǎn)生了不平衡電流，形成了對外發(fā)射和嚴接接觸網(wǎng)傳導的電磁輻射。電力機車電磁輻射的形成及傳導情況如圖2所示。

三、電力機車電磁輻射對周邊環(huán)境的影響及對策

電力機車在運行時，將產(chǎn)生一定的電磁輻射。而鐵道沿路有可能布置著各種電氣電信設備，例如超短波通信臺、廣播電視臺、雷達信號臺等等設施。電磁輻射不可避免會對此類設備構成干擾。為此，相關部委對不同的電氣設備制定了不同的國家標準，對電力機車及其相應的鐵道沿線的各類電氣設備的間隔距離做了詳細的規(guī)定，以避免互相干擾

寺廟園林最早出現(xiàn)于公元4世紀。東晉太元年間（公元376—396年），僧人慧遠在廬山營造東林寺。據(jù)慧皎《高僧傳》：“卻負香爐之峰，傍帶瀑布之壑；仍石壘基，即松栽構，清泉環(huán)階，白云滿室。復于寺內(nèi)別置禪林，森樹煙凝，石徑苔生。”這便是在自然景觀環(huán)境中設置人工禪林的先驅。

圖2 電力機車電磁輻射的形成及傳導圖

鐵道建設是一個長期過程，部分由于歷史原因，嚴格按照國標建設有一定的困難。這需要充分比較平衡國防、人文、自然之間的相互影響。從鐵道自身建設的角度來說，要減少電力機車在急速行駛的過程中形成的電磁輻射，則應道使得鐵道路徑盡量平直，采用高質量的受電弓，協(xié)調(diào)弓網(wǎng)的聯(lián)絡，從而達到降低受電弓的瞬間的離線率。而從受干擾方的角度說，應當增加設備的可靠性，提高儀器的有效輻射率，糾正信號采樣功率因素，對部分采樣設備進行改造。

以下就電力機車軌道附近容易受到干擾的設施及其抗干擾措施作概括描述：

1 民航航站樓

民航航站樓里面的導航裝置，是機場和航班進行通信的設施，向航班傳遞角度、航線和其他信息，以確保航班的平安運行。

電力機車在行駛過程中形成的電磁輻射，將干擾到航站樓讀取航班的信息，并在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的過程中造成信息的丟失，威脅航班的正常運行。

目前針對航站樓的電磁輻射主要可以采取以下措施

（1）增加電力機車的軌道與民航航站樓的相對距離，使得電力機車的產(chǎn)生的電磁輻射對航站樓的影響，降低到可接受水平。同時，依據(jù)先行建設單位優(yōu)先的原則進行協(xié)調(diào)。

（2）由于接組網(wǎng)的電力分相屬于強輻射源，在航站樓附近，盡量不設置分相設備

（3）提高航站樓傳輸型號的能級強度，加強其抗干擾能力，增強其信噪比，以確保航班的安全穩(wěn)定運行。

2 信號雷達臺

（1）對等級較低、符合遷移標準的雷達臺，可對其實施遷移。

（2）對于核心中樞的重要雷達臺，可以與高鐵方面進行協(xié)商，從產(chǎn)生電磁輻射源頭降低干擾信號的強度。

（3）對雷達臺進行技術改造，提高屏蔽電氣輻射的技術條件，加強雷達的抗干擾能力。

3 短波側向站

短波側向站一種運用信息傳輸與處理技術，采樣與收集短波信號，通過對信號的系統(tǒng)分析判斷信號的來源。電力機車行駛過程中形成的電磁輻射，本身就是一種無線干擾信號，尤其是其中的高頻輻射，會直接被側向站所采集，干擾測向的判斷。目前可以主要采取的對策如下：

（1）對于影響嚴重，干擾厲害的測向站，先考慮對測向站的信號采集系統(tǒng)進行遷移，但應當盡可能不對測向站整體進行遷移。從國防角度出發(fā)，信號測向是個系統(tǒng)工程，不應當進行遠遷。

（2）電力機車的軌道應當盡可能平直，降低電磁輻射的產(chǎn)生。

（3）提側向站高濾波、隔離及定位的能力，改進測向站的可靠性。

4 收信站

收信站尤其是超短波授信站，負責國防、安全、海事等關鍵部門的信息傳遞任務。電力機車在行駛過程中將形成電磁輻射，高頻輻射將與短波信號進行疊加，使得信號丟失信息。對收信站可以采用以下措施：

（1）改造軌道建設，從源頭減少形成電磁輻射的因素

（2）提高收信站采集信號的能力、改變收信站分析信號的方法

（3）對收信站在一定地域內(nèi)進行遷移

5 廣播電視中繼站

廣播電視中繼站，是接收廣播電視信號，并通過相應的方法對信號的幅頻和相頻特性進行調(diào)整，增大信號的能將，并將廣播電死信號發(fā)送到地方發(fā)射臺，以供用戶接收。電力機車產(chǎn)生的電磁輻射會疊加到廣播信號中，使得用戶的電視畫面出現(xiàn)雪花，廣播聲音出現(xiàn)雜音。嚴重影響收聽收視效果。對電力機車的電磁干擾，可采取以下措施。

（1）提高濾波措施，濾除相應干擾

（2）增強信號信號傳輸?shù)奶卣鼽c，使得后繼信號站能夠更加容易得從噪聲信號中提取有用信號。

（3）另行選址建設新的廣播電視中繼站

電力機車在行駛過程中，將不可避免的產(chǎn)生電磁輻射。減少電磁輻射的干擾，最直接的措施是采用屏蔽的措施。最佳的屏蔽方式是在讓電力機車在完全封閉的、有鐵磁材料構成的隧道中運行。這方法成不過高，不易施行。但在對電氣環(huán)境要求較高的路段，進行半封閉的屏蔽建設，也能起到很好的屏蔽效果，同時還可以抑制噪音。此外、提高受電弓的質量、增加鐵道輸電功率的穩(wěn)定性，都可以減少電力機車的電磁輻射。

[1]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 [S].

[2]劉俊剛.電力機車對外電磁輻射測試標準與方法的研究[J]. 鐵道技術監(jiān)督，2005（5）.1—4.

[3]劉干祿.輕軌機車運行中產(chǎn)生的電磁輻射的測試方法探討與研究[J]. 中國無線電，2005（5）.52—54.

[4]孫宇新. 電磁輻射對環(huán)境的污染及防護措施[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2001（1）.1—4.

[5]孫彥.解析電磁輻射環(huán)境管理現(xiàn)狀及對策[J]. 科技信息，2013（15）. 483.

[6]陳德育.110kV輸變電工程電磁輻射對環(huán)境的影響分析[J]. 中國新技術新產(chǎn)品，2013（6）. 217-218.