武廣高速鐵路軌旁電磁干擾實測及分析

李希煒，朱 峰

(西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

1 概述

電氣化鐵路快速發(fā)展的同時也存在諸多問題，其造成的電磁干擾便是其中之一。弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾是電氣化鐵路電磁干擾的主要成分之一。由于高速鐵路線路的不平順、列車運行速度變快等原因，這種電磁干擾在列車運行時普遍存在，對高速列車電子電力設(shè)備，通信設(shè)備都產(chǎn)生了影響，形成安全隱患［1-2］。因此，有必要對弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的電磁干擾進行研究。

目前已有很多關(guān)于弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾的研究。文獻［3-4］采用統(tǒng)計的方法進行研究，文獻［5-6］利用仿真建模來模擬弓網(wǎng)電弧電磁影響，文獻［7-8］中的團隊在實驗室中搭建了弓網(wǎng)實驗平臺用以研究不同因素對弓網(wǎng)電弧的影響。但是大多未對目前速度大幅提升的高速鐵路進行實地測試研究。為此，在武廣高速鐵路電分相處進行實地測試，獲取弓網(wǎng)電弧電磁干擾的頻譜，研究其幅頻譜特性，為進一步評估弓網(wǎng)電弧電磁干擾對高速列車的影響提供依據(jù)。

2 測試設(shè)置

2.1 測試地點選取

弓網(wǎng)電弧是由于列車運行時，受電弓與接觸網(wǎng)在相對高速運動中分離而產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象［9］。其產(chǎn)生與接觸線不平順、接觸網(wǎng)振動、受電弓振動、軌道不平順等多方面因素相關(guān)［10，11］，為幾率性事件。因此，沿線測試時選擇一個穩(wěn)定產(chǎn)生電弧的測試點非常重要。本次測試選擇地點為武廣高速鐵路咸寧段電分相處。這是由于在電分相處，高速列車將進行換相(車載過分相)，在接觸弓距離中性段100 m開外，通過地面?zhèn)鞲衅鲗嵭蓄A斷，再進一步實行主斷路器斷開，如圖1所示。盡管受電弓在換相過程中一直與接觸網(wǎng)保持接觸狀態(tài)，但是弓網(wǎng)的電接觸狀態(tài)發(fā)生了改變，從“有電”到“無電”，再從“無電”到“有電”，這種狀態(tài)轉(zhuǎn)換的過程中，發(fā)生過電壓現(xiàn)象［12］，必定產(chǎn)生電弧。因此選取電分相處進行沿線測試，可以盡可能多的采集數(shù)據(jù)。

圖1 列車過分相示意(單位:m)

2.2 測試現(xiàn)場布置

測試地點:在武廣高速鐵路群力變電所電分相處，距離軌中心15 m處，如圖2所示。結(jié)果將用GB/T 24338—2［13］中的規(guī)定轉(zhuǎn)換為10 m法標準值。

測試使用德國 R＆S公司的接收機(R＆SESCI3)，其掃描范圍為9 kHz～3 GHz，測試天線使用R＆S公司的雙錐天線HK116(測試頻率范圍30～300 MHz)及對數(shù)周期天線HL223(測試頻率范圍300 MHz～2 GHz)。天線采用垂直極化方式，如圖3所示。接收機使用頻譜掃描模式，檢波方式為峰值檢波，數(shù)據(jù)記錄為峰值保持模式。

圖2 測試現(xiàn)場布置(單位:m)

2.3 測試帶寬設(shè)置

在進行實地測試時，接收機的分辨率帶寬(RBW)非常關(guān)鍵，這個數(shù)值的大小關(guān)系到掃描時間的快慢和采集數(shù)據(jù)的準確與否。GB/T 24338—2推薦在測試頻率范圍為30～300 MHz及300 MHz～1 GHz時RBW都設(shè)置為120 kHz。

圖3 測試現(xiàn)場

在高速鐵路沿線實測之前，在實驗室對頻譜儀RBW與掃描時間及測試結(jié)果的關(guān)系進行了對比測試。表1為頻譜儀掃描時間的實驗結(jié)果。

表1 RBW與掃描時間關(guān)系

武廣高速鐵路平均速度達到了280 km/h，受電弓經(jīng)過放電點的時間為300 ms左右。試驗結(jié)果顯示，如果按照GB/T 24338—2的推薦RBW進行設(shè)置，測試時間將大大超過受電弓通過無電區(qū)的時間，接收機將無法在列車通過時間內(nèi)有效地捕捉干擾。

但是RBW的改變會使接收機采集到的數(shù)據(jù)變化，為了對比不同RBW之間的測試結(jié)果，在實驗室做了對比試驗。通過天線用接收機接收信號源發(fā)射的信號，設(shè)置不同的RBW進行掃描，對比獲得的數(shù)據(jù)。圖4為RBW設(shè)置為120 kHz時的測試結(jié)果，圖5為300 kHz時的結(jié)果，掃描頻率范圍都為30～300 MHz?？梢钥闯?，兩種帶寬測試的結(jié)果波形沒有差別，300 kHz下的測試結(jié)果與120 kHz的對比，底噪值的大小區(qū)別較為明顯，差別在10 dBμV左右;但是峰值則幾乎沒有差別，50 MHz處的信號峰值測試結(jié)果都為90 dBμV。圖6，圖7為300 MHz～1 GHz頻段，RBW為120 kHz及1 MHz時的對比結(jié)果，底噪相差10 dBμV，400 MHz處的信號峰值測試結(jié)果都為94 dBμV，600 MHz處的信號峰值測試結(jié)果都為84 dBμV，結(jié)果與30～300 MHz時的情況相同。

由于實地測試時，車速快，時間短，弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁干擾瞬發(fā)且無規(guī)律，并且本次測試目標是獲得干擾的最大值，所以接收機RBW的設(shè)置使用300 kHz(30～300 MHz)、1 MHz(300 MHz～1 GHz)。

圖4 30～300 MHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測試結(jié)果

圖5 30～300 MHz，RBW=300 kHz電磁噪聲測試結(jié)果

圖6 300 MHz～1 GHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測試結(jié)果

圖7 300 MHz～1 GHz，RBW=1 MHz電磁噪聲測試結(jié)果

測試時將首先采集背景頻譜信號，在列車經(jīng)過時采集離線電弧電磁干擾頻譜。一個頻段的測試重復多次，以求獲得電磁干擾的普遍特性。

3 測試結(jié)果與分析

在30～300 MHz這個頻段，干擾普遍存在，但在30～200 MHz較為密集，多次測試結(jié)果顯示每次每個頻點都有干擾出現(xiàn);而在200～300 MHz較為稀疏，一些頻點的干擾在一次測試中出現(xiàn)了，且幅度較大，而在下一次測試中則沒有(或者幅值較小)，這一段的電磁干擾的出現(xiàn)具有偶發(fā)性。此外，30～100 MHz的干擾普遍較強，最大的幅值達到了86 dBμV，而100～300 MHz的干擾幅值普遍在50～60 dBμV之間。如圖8所示。

圖8 30～300 MHz典型頻譜

在300 MHz～1 GHz，在876～880 MHz和921～925 MHz有持續(xù)的尖峰出現(xiàn)，幅值最高達到了100 dBμV，這個強烈的信號是GSM－R通訊信號。而在300～400 MHz，電磁干擾頻繁出現(xiàn)，幅值在55～70 dBμV。在多次測試的結(jié)果之中，僅有一次在400～600 MHz出現(xiàn)了強烈的干擾，幅值在60～68 dBμV。根據(jù)這個結(jié)果，對這個頻段進行了多次的測試，但再未出現(xiàn)類似的干擾。

針對300～400 MHz這個干擾的高發(fā)頻段進行了多次測試。結(jié)果顯示，在這個頻段，雖然干擾普遍存在，電磁干擾出現(xiàn)的頻點及其幅值偶發(fā)性都極強。如圖9及圖10顯示，在一次測試中，干擾集中在300～350 MHz且幅值較大，而在下一次測試中，300～350 MHz的干擾幅值較小，350～400 MHz出現(xiàn)了幅值較大的干擾。在300～400 MHz這個頻段，干擾幅值最大達到了68 dBμV，但是并未出現(xiàn)在固定頻點。

圖9 300～400 MHz典型頻譜(一)

圖10 300～400 MHz典型頻譜(二)

4 結(jié)論

本文研究了接收機RBW對測試結(jié)果的影響，獲得了最適宜現(xiàn)場測試的RBW設(shè)置數(shù)值，即30～300 MHz設(shè)置為300 kHz，300 MHz～1 GHz設(shè)置為1 MHz。通過實地測試，獲得了干擾的頻譜數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，對弓網(wǎng)離線電弧的電磁干擾獲得了以下3點結(jié)論。

(1)弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾，其分布頻率主要在30 ～400 MHz。

(2)在30～200 MHz，干擾是一直存在的，且在30～100 MHz干擾較強。

(3)在200～400 MHz，干擾出現(xiàn)的頻率及幅值具有偶發(fā)性。

這些認識可以為進一步評估弓網(wǎng)電弧電磁干擾對高速列車的影響提供依據(jù)。

［1］Hill R J.Electric railway traction tutorial part 6:Electromagnetic compatibility-disturbance sources and equipment susceptibility［J］.Inst.Elect.Eng.Power Eng.J，1997(2):31-39.

［2］王鄰.交流電氣化鐵道通信電磁防護的研究［J］.鐵道工程學報，2007(3):61-64.

［3］周克生，張林昌.高速電氣化鐵道無線電噪聲預測［J］.鐵道學報，1999，21(2):54-57.

［4］張林昌，徐坤生，蔣忠涌.電氣化鐵道干擾源的特性及測量［J］.北京交通大學學報，1980(2):13-27.

［5］陳嵩，沙斐，王國棟.電氣化鐵道脈沖電磁騷擾的 Simulink模型［J］.鐵道學報，2009，31(1):55-58.

［6］黃金磊，羅映紅，宗盼.基于FEKO的弓網(wǎng)離線電磁輻射研究［J］.鐵道標準設(shè)計，2012(11):89-91.

［7］Midya S，Bormann D，Schutte T，et al.Pantograph arcing in electrified railways—mechanism and influence of various parameters—PartⅡ:with ACtraction power supply［J］.Power Delivery，IEEE Transactions on，2009，24(4):1940-1950.

［8］Midya S，Bormann D，Schutte T，et al.DC Component From Pantograph Arcing in AC Traction System—Influencing Parameters，Impact，and Mitigation Techniques［J］.Electromagnetic Compatibility，IEEE Transactions on，2011，53(1):18-27.

［9］Tellini B，Macucci M，Giannetti R，et al.Conducted and radiated interference measurements in the line－pantograph system［J］.Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions on，2001，50(6):1661-1664.

［10］高宗寶，吳廣寧，呂瑋，等.高速電氣化鐵路中的弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象研究綜述［J］.高壓電器，2009，45(3):104-108.

［11］韓通新.弓網(wǎng)受流中出現(xiàn)連續(xù)火花的原因分析［J］.鐵道機車車輛，2003，23(3):58-61.

［12］曹建設(shè).大包線機車過關(guān)節(jié)式電分相過電壓測試及分析［J］.鐵道標準設(shè)計，2013(7):106-110.

［13］中國國家標準化管理委員會.GB/T 24438—2: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［S］.北京:中國國家標準化管理委員會，2011.