中低速磁浮對(duì)高鐵GSM－R通信系統(tǒng)的電磁干擾影響研究

魏 波 虞 凱 段永奇

中低速磁浮軌道交通系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、環(huán)境友好、線路適應(yīng)性強(qiáng)、占地少、造價(jià)低、施工周期短、運(yùn)行和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為城市軌道交通系統(tǒng)的理想選擇之一，并將與高鐵等交通系統(tǒng)進(jìn)行“無(wú)縫銜接”。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有對(duì)中低速磁浮交通對(duì)高鐵通信信號(hào)設(shè)備的電磁干擾影響進(jìn)行研究，沒(méi)有積累相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，國(guó)標(biāo)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也無(wú)相關(guān)規(guī)定，因此開展中低速磁浮系統(tǒng)的電磁干擾研究很有必要性。以國(guó)內(nèi)首條即將投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)的長(zhǎng)沙磁浮工程為例，通過(guò)模擬測(cè)試分析測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)比GSM－R的電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)，推導(dǎo)出滬昆高鐵GSM－R通信系統(tǒng)受磁浮工程干擾影響情況，用以判斷是否存在電磁干擾影響。

1 項(xiàng)目概況

長(zhǎng)沙磁浮工程連接長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)和火車南站，2014年5月開工建設(shè)，擬于2016年通車運(yùn)營(yíng)。長(zhǎng)沙磁浮工程引入長(zhǎng)沙南站與滬昆高鐵最近距離約50m，在磁浮工程榔梨站后下穿滬昆高鐵，磁浮線路接觸軌與滬昆高鐵軌面高差約8m。長(zhǎng)沙磁浮線與滬昆高鐵相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)沙磁浮線和滬昆高鐵位置示意圖

滬昆高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速350km/h，采用25kV交流供電，國(guó)鐵標(biāo)準(zhǔn)CTCS－3級(jí)列控信號(hào)系統(tǒng)，全線設(shè)GSM－R移動(dòng)通信系統(tǒng)，場(chǎng)強(qiáng)覆蓋須滿足列控系統(tǒng)要求。GSM－R的頻段為上行885～889MHz，下行為930～934MHz。若信息傳送過(guò)程中受到周圍電磁輻射的干擾，可能導(dǎo)致無(wú)法正常收發(fā)數(shù)據(jù)，影響車地通信，危及行車安全。

2 中低速磁浮系統(tǒng)

長(zhǎng)沙磁浮工程供電系統(tǒng)采用DC1500V電壓，主要由供電電源、中壓供電網(wǎng)絡(luò)、牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控 （SCADA）系統(tǒng)、防雷及接地系統(tǒng)等組成。牽引網(wǎng)采用在走行梁兩側(cè)絕緣敷設(shè)的正極接觸軌受電、負(fù)極接觸軌回流方式。中低速磁浮供電系統(tǒng)采用正極軌受電，負(fù)極軌回流，且對(duì)地絕緣，不會(huì)產(chǎn)生迷流。同時(shí)，由于電壓等級(jí)低、對(duì)稱性好，不會(huì)對(duì)附近電信線路等設(shè)備產(chǎn)生感應(yīng)影響。

根據(jù)磁浮工作原理，磁浮列車干擾影響主要來(lái)源以下2方面。

1.電刷與供電軌之間的火花干擾。磁懸浮列車電刷與供電軌位置如圖2所示，磁浮列車在行進(jìn)過(guò)程中，在電刷與供電軌分離的瞬間出現(xiàn)火花放電，而后過(guò)渡到弧光放電，此時(shí)供電軌成為一個(gè)輻射體對(duì)外進(jìn)行干擾。在磁浮線兩側(cè)，電火花產(chǎn)生的干擾電磁波是呈尖脈沖分布，其干擾場(chǎng)強(qiáng)分量隨頻率升高而下降，并且不同頻率的干擾場(chǎng)強(qiáng)的衰減數(shù)值是不一樣的，低頻分量衰減較慢，而高頻分量衰減相對(duì)較快。由于電火花產(chǎn)生的隨機(jī)性，其能量和頻率也不盡相同，理論上可作定性分析，要準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)無(wú)線設(shè)施的干擾影響較為困難，目前是通過(guò)實(shí)測(cè)確定電火花干擾的影響值。

圖2 磁懸浮列車電刷與供電軌

2.磁浮列車產(chǎn)生的電磁輻射。磁浮列車基本原理如圖3所示，當(dāng)電磁鐵得電，左右極板與F型鋼軌之間產(chǎn)生電磁吸引力，傳遞到懸浮架模塊、空氣彈簧、滑臺(tái)，最終將列車懸浮起來(lái)。懸浮傳感器能夠在線檢測(cè)電磁鐵與F型鋼軌之間的間隙，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到懸浮控制器，電磁鐵根據(jù)懸浮控制程序輸出最合適的懸浮力。因此磁浮列車運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)。

圖3 磁懸浮列車基本原理圖

長(zhǎng)沙磁浮系統(tǒng)采用常導(dǎo)短定子直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直線電機(jī)的初級(jí)短定子線圈設(shè)在車輛上，次級(jí)感應(yīng)板部分則安裝在導(dǎo)軌上，磁懸浮列車直線電機(jī)原理如圖4所示。

圖4 磁懸浮列車直線電機(jī)原理圖

直線電機(jī)是半徑無(wú)限大的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，在運(yùn)行條件下，定子中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將變?yōu)橹本€移動(dòng)磁場(chǎng)。軌道上的感應(yīng)板在移動(dòng)磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生電磁驅(qū)動(dòng)力。車輛將隨著直線電機(jī)磁場(chǎng)的移動(dòng)而向前運(yùn)動(dòng)，因此只有列車通過(guò)時(shí)才會(huì)對(duì)外產(chǎn)生電磁輻射干擾。

3 現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試

模擬測(cè)試需要在相似環(huán)境條件下進(jìn)行，目前南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車有限公司磁浮交通系統(tǒng)中心建成一條中低速磁浮試驗(yàn)線，具備測(cè)試條件。通過(guò)前期調(diào)研，選擇該試驗(yàn)線中部一個(gè)典型位置進(jìn)行測(cè)試，分析中低速磁浮交通系統(tǒng)是否對(duì)國(guó)鐵GSM－R通信系統(tǒng)的電磁環(huán)境產(chǎn)生影響。

3.1 測(cè)試環(huán)境

測(cè)試點(diǎn)的周邊環(huán)境如圖5所示。選取測(cè)試點(diǎn)位于試驗(yàn)線中段運(yùn)控中心旁，距離磁浮線10m處。測(cè)試點(diǎn)周邊電磁環(huán)境復(fù)雜，如圖6所示。距離測(cè)試點(diǎn)約200m處有一座電信基站；磁浮線與京廣鐵路的距離約45m，京廣鐵路無(wú)線通信采用無(wú)線列調(diào)方式；磁浮線與武廣高鐵的距離約6.1km，武廣高鐵采用GSM－R無(wú)線通信方式；測(cè)試點(diǎn)背后是株機(jī)廠涂裝車間，有風(fēng)扇、空調(diào) （水冷）、除塵類機(jī)電設(shè)備等；左側(cè)為磁浮線運(yùn)控中心；右側(cè)為株機(jī)廠各類氣體 （如二氧化碳、氧氣、乙炔等）生產(chǎn)車間。

圖5 測(cè)試點(diǎn)布局

圖6 測(cè)試點(diǎn)環(huán)境示意圖

3.2 測(cè)試場(chǎng)景

選定磁浮試驗(yàn)線無(wú)車、加速、減速、懸停4種測(cè)試場(chǎng)景進(jìn)行電磁干擾測(cè)試。

3.3 測(cè)試系統(tǒng)

本測(cè)試系統(tǒng)主要包括：測(cè)量接收機(jī)、低噪聲放大器、標(biāo)準(zhǔn)增益測(cè)量天線、電纜、計(jì)算機(jī)等。測(cè)試系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 測(cè)試系統(tǒng)組成圖

3.4 測(cè)試步驟

1.按照測(cè)試要求選擇測(cè)試地點(diǎn)和電源，配置相應(yīng)的測(cè)試天線和儀器；將儀器通電預(yù)熱達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.采用信號(hào)源進(jìn)行測(cè)試通路校準(zhǔn)。接收機(jī)接收到的電平應(yīng)在信號(hào)源輸出電平的±1.5dB以內(nèi)。

3.按照?qǐng)D7連接測(cè)試設(shè)備。天線架高距地面1.5m，距離磁浮線路10m，天線口正對(duì)磁浮線路。

4.啟動(dòng)程序，設(shè)置接收機(jī)峰值 （最大值）檢波方式進(jìn)行循環(huán)掃描測(cè)試。

5.在無(wú)車通過(guò)時(shí)測(cè)試外界環(huán)境噪聲，測(cè)試時(shí)間不少于10min。磁浮列車在加速、減速、懸停狀態(tài)下，測(cè)試次數(shù)大于2次。

6.采用定向測(cè)量天線，完成水平和垂直極化2種測(cè)試。測(cè)試完一種極化后需調(diào)整天線指向，重復(fù)第4條進(jìn)行測(cè)試。

4 測(cè)試分析

GSM－R上行頻段測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8，9所示。GSM－R下行頻段測(cè)試數(shù)據(jù)如圖10，11所示。

對(duì)比上述2種極化、4種應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：

1.在GSM－R工作頻段內(nèi)，下行1003信道（930.8MHz頻點(diǎn)）在無(wú)車、加速、減速和懸停等工況下都存在該頻點(diǎn)信號(hào)。首先，測(cè)試組使用測(cè)試手機(jī)鎖定1003號(hào)信道，解析該信道識(shí)別碼46020為鐵路使用。另外，測(cè)試點(diǎn)位于武廣高鐵和磁浮線一側(cè)，且測(cè)試天線正對(duì)磁浮線和武廣高鐵，測(cè)試點(diǎn)距離武廣高鐵6.1km，所測(cè)信號(hào)強(qiáng)度為－85dBm，并且在無(wú)車通過(guò)時(shí) （信號(hào)未受到遮擋時(shí)）信號(hào)最強(qiáng)，符合電磁波傳播規(guī)律。

圖8 垂直極化方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖9 水平極化方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖10 垂直極化方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖11 水平極化方式數(shù)據(jù)對(duì)比圖

2.磁浮列車懸停時(shí)與無(wú)車通過(guò)時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)基本一致，磁浮列車在懸停時(shí)對(duì)外電磁輻射值極小。

3.磁浮列車在加速和減速時(shí)的整體環(huán)境噪聲相對(duì)于無(wú)車時(shí)的環(huán)境噪聲增加了1dB左右。

4.垂直極化和水平極化2種極化條件受影響情況基本相同，天線極化狀況對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)影響不大。

5.磁浮列車在運(yùn)行時(shí)，在GSM－R頻段上所輻射的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)均小于36dBμV/m。

5 電磁干擾影響評(píng)估

5.1 評(píng)估依據(jù)

1.軌道交通通信設(shè)備的抗擾度。中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《軌道交通 電磁兼容 第3－2部分：機(jī)車車輛設(shè)備》（GB/T24338.4－2009），對(duì)于放置在客車車廂、司機(jī)室或機(jī)車車輛外部的設(shè)備 （車頂或車底下），應(yīng)該使用20V/m的嚴(yán)酷等級(jí)。該等級(jí)數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》（GB/T17626.3－2006/IEC61000－4－3）。標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定鐵 路通信設(shè)備應(yīng)能 在800～960MHz、1400～2000MHz，電壓20V、80%AM調(diào)制信號(hào)下的射頻電磁場(chǎng)內(nèi)正常工作。

依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，GSM－R設(shè)備的輻射場(chǎng)抗擾度在數(shù)字無(wú)線電話頻段800～960MHz內(nèi)，應(yīng)達(dá)到20V/m＝146dBμV/m，即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的GSMR設(shè)備在該電磁環(huán)境中不會(huì)被干擾。

2.信息產(chǎn)業(yè)部136號(hào)文的規(guī)定。中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部 《關(guān)于鐵道部和中國(guó)移動(dòng)共用900MHz移動(dòng)通信網(wǎng)頻率資源問(wèn)題的函》（信部無(wú)函 ［2007］136號(hào)文）中規(guī)定：在鐵路軌道處信號(hào)電平最大值不應(yīng)大于－105dBm。

5.2 影響評(píng)估

本次測(cè)試數(shù)據(jù)是在距離磁浮軌道中心線10m處測(cè)得，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，在GSM－R工作頻段內(nèi)，車輛運(yùn)行時(shí)所有頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)均小于36dBμV/m，遠(yuǎn)小于GB/T24338.4中規(guī)定的數(shù)字移動(dòng)電話的射頻電磁場(chǎng)輻射限值146dBμV/m，則認(rèn)為中低速磁浮列車電磁干擾輻射值滿足國(guó)家規(guī)定要求。

根據(jù) GB/T 6113－2006標(biāo)準(zhǔn)中的非10m 法測(cè)量的換算方法進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換，推算得到在距離磁浮軌道中心線8m處，除去已排除的異常信號(hào)值，車輛運(yùn)行時(shí)所有頻點(diǎn)電平值也滿足信息產(chǎn)業(yè)部136號(hào)文中鐵路軌道處信號(hào)電平最大值不應(yīng)大于－105dBm的規(guī)定。因此可得出結(jié)論：磁浮線對(duì)GSM－R頻段的正常工作不會(huì)產(chǎn)生影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

此次開展中低速磁浮工程對(duì)高鐵GSM－R通信系統(tǒng)電磁影響的研究，對(duì)模擬測(cè)試方式方法、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的選取積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，采集了各種工況、不同極化方式下的電磁干擾數(shù)據(jù)。評(píng)估結(jié)果證明，中低速磁浮系統(tǒng)對(duì)滬昆高鐵GSM－R通信系統(tǒng)的電磁影響是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求容許范圍內(nèi)的，為長(zhǎng)沙中低速磁浮工程的推進(jìn)，確保長(zhǎng)沙磁浮工程和滬昆高鐵工程的順利開通奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也為今后處理類似工程問(wèn)題提供了很好借鑒指導(dǎo)作用。本工程建成試運(yùn)營(yíng)期間，可對(duì)磁浮線路電磁環(huán)境進(jìn)行實(shí)測(cè)，以驗(yàn)證模擬測(cè)試評(píng)估的準(zhǔn)確性，并根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)措施。

［1］ 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T24338.4－2009）.軌道交通 電磁兼容 第3－2部分：機(jī)車車輛設(shè)備［S］.2009.

［2］ ITU頻譜監(jiān)測(cè)手冊(cè).

［3］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2007］92號(hào).GSM－R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)暫行規(guī)定［S］.2007.

［4］ 中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.信部無(wú)函［2007］136號(hào).關(guān)于鐵道部和中國(guó)移動(dòng)共用900MHz移動(dòng)通信網(wǎng)頻率資源問(wèn)題的函［S］.2007.