高鐵沿線弓網(wǎng)電弧電磁環(huán)境測量及分析

陽長瓊 逯邁 杜慶中

（蘭州交通大學光電技術與智能控制教育部重點實驗室 蘭州 730070）

在電氣化鐵路中，列車通過車廂上面的受電弓與接觸線接觸獲得電能，從而達到驅動列車運行的目的［1］。列車運行過程中，由于接觸線的磨損、線路的不平順、過分相、沙塵、運行速度變化等原因，造成受電弓與接觸線之間的短暫分離，進一步引起弓網(wǎng)離線電弧，并形成電磁輻射［2］。一方面，弓網(wǎng)電弧的電磁輻射對鐵路沿線及車輛自身的敏感電子設備造成電磁干擾［3-4］；另一方面，其對生物體健康的影響引起了公眾廣泛關注［5-7］。由于人們一直關注電磁輻射對生物體的影響［8-9］，而在電氣化鐵路沿線分布有大量的居民區(qū)、學?；蚬I(yè)區(qū)，因此，研究電氣化鐵路沿線的弓網(wǎng)電弧的幅頻特性對提高電氣化鐵路電子設備和鐵路沿線電子設備的電磁兼容性，以及人們對弓網(wǎng)電弧的電磁輻射認知具有重要意義。

國內(nèi)外學者對弓網(wǎng)電弧的實驗系統(tǒng)［10］、弓網(wǎng)電弧的電氣特性［11-12］、噪聲干擾［13-15］、電弧模型［16］等方面展開了大量的研究工作。在武廣高鐵咸寧段電分相處實地測量運行中的CRH3型高速列車存在頻率范圍30MHz～1GHz的弓網(wǎng)電弧電磁干擾［17］，但僅針對距離軌中心15m處進行了測量。對弓網(wǎng)電弧的電磁輻射在鐵路沿線與軌道中心垂直不同距離的測量在已有的文獻中少有報道，因此，本文選取某高鐵沿線，分別對鐵路沿線與軌道中心線的不同距離的電磁場進行了測量。

對某高鐵沿線與軌道中心線垂直距離為10m、20m、30m進行多次背景和來車時現(xiàn)場測量，實測分析弓網(wǎng)電弧在不同距離處的頻率和幅度分布特性。將測量結果經(jīng)過計算后與我國環(huán)境保護部頒布的電磁環(huán)境控制限值（GB/T8702―2014）［18］進行對比，評估弓網(wǎng)電弧在鐵路線路與軌道中心不同垂直距離處公眾電磁暴露安全性，為電氣化鐵路的選線、評估弓網(wǎng)離線電弧電磁干擾對列車和生物體的影響提供數(shù)據(jù)參考。

1 測量方法

1.1 測量地點選取

由于弓網(wǎng)電弧具有瞬態(tài)偶發(fā)性［19］，所以選擇某高鐵沿線的空曠處，能夠盡量避免受到環(huán)境的干擾并且便于瞭望和設備布置。測量現(xiàn)場和測量布局分別如圖1和圖2所示。

圖1 測量現(xiàn)場Fig.1 Measurement field

圖2 測量布局Fig.2 Measurement layout diagram

圖2中d為測量點與軌道中心線的垂直距離，m；h為測量點與接觸線的垂直距離，m；D為測量點與接觸線的最短直線距離，m。d、h和D滿足計算公式（1）。

實際測量時，h=10.7m，位置A處d=10m，位置B處d=20m，位置C處d=30m。

1.2 測量設備及方法

盡管受電弓與接觸線接觸能夠產(chǎn)生1GHz以上的噪聲源，但其發(fā)射電平較低，且隨距離的增加迅速衰減，因此不考慮1GHz以上的噪聲源測量［20］?，F(xiàn)場頻譜儀測量采用掃頻測量方式，為了分析其最嚴苛情況，頻譜儀采用峰值檢波方式。測量頻率為2～1000MHz。測量設備采用我國生產(chǎn)的Ceyear思儀4024D頻譜分析儀，測量頻率范圍為0.009～2000MHz；Ceyear思儀系列測量天線，測量頻率范圍分別為0.01～20MHz、20～200MHz、200～500MHz和500～1000MHz；深達威激光測距儀。

2 測量結果

通過接收天線連接頻譜儀，在頻譜儀讀出接收電壓，經(jīng)過換算得出測量點的電場強度。在不同距離測量時，分別對背景和來車時的頻譜進行81次測量，選取典型測量結果進行分析。在背景和來車測量圖3～6中，下方綠色曲線表示實時測量曲線，上方黃色曲線表示最大保持模式下的測量曲線。

圖3 2～20MHz測量結果：(a)背景；(b)位置A；(c)位置B；(d)位置CFig.3 Measurement results for frequency of2～20MHz:(a)background,(b)point A,(c)point B,(d)point C

2.1 2～20MHz測量結果

對頻率2～20MHz在位置A、B和C處分別進行了背景和來車時的頻譜進行了測量，選取背景、位置A、B和C來車時典型測量結果如圖3所示。

由圖3可知，2～20MHz頻率范圍內(nèi)的背景和來車時的頻譜分布豐富。圖3（a）中2～3MHz間有較強的尖峰脈沖信號，幅值最大達到47.65dBμV；在11～19MHz間分布有較強的脈沖信號，最大幅值達到52.87dBμV。圖3（b）顯示在位置A來車時頻率2～3MHz間電壓值比背景時均有不同幅度提高，幅值最大值能比背景提高約20dBμV。頻率為12.01MHz時，幅值最大為66.87dBμV。圖3（c）顯示位置B弓網(wǎng)電弧在2～10MHz頻率范圍內(nèi)明顯比背景增強，最大值達到61.75dBμV，比背景中該頻率提高33dBμV。B位置處頻率為13.74MHz時，測量幅值最大為66.09dBμV。圖3（d）顯 示 位 置C處 頻 率 為15.43MHz時，測量幅值最大為63.87dBμV。對比圖3（b）、（c）、（d），位置A、B和C來車時2～10MHz頻率范圍內(nèi)弓網(wǎng)電弧幅值明顯比背景增強，在位置B處尤為明顯；10～20MHz頻率范圍內(nèi)位置A、B、C頻譜分布相似。

2.2 20～200MHz測量結果

對頻率20～200MHz在位置A、B和C處分別進行了背景和來車時的頻譜進行了測量，選取背景、位置A、B和C來車時典型測量結果如圖4所示。

由圖4（a）可知，背景在頻率20～200MHz范圍內(nèi)，電壓主要分布在27～37dBμV，在20～38MHz和92～110MHz有較強的脈沖分布，幅值最大值達到57.74dBμV。經(jīng)過分析，頻率92～110MHz信號為周圍空間的廣播電臺信號。圖4（b）和（c）顯示在位置A和B處來車時在頻率20～200MHz有非常豐富的弓網(wǎng)電弧脈沖信號，大部分的幅值均比背景幅值均提高20dBμV左右。位置A處，頻率為96.7MHz時，測量幅值最大為69.07dBμV。位置B處，頻率為26.52MHz時，測量幅值最大為72.45dBμV。圖4（d）顯示位置C處在110～200MHz有比較豐富的弓網(wǎng)電弧脈沖分布，但在20～110MHz弓網(wǎng)電弧脈沖不明顯。位置C處，頻率為99.40MHz時，測量幅值最大為63.92dBμV。對比背景和不同位置來車時的頻譜圖，說明弓網(wǎng)電弧在92～110MHz存在脈沖分布。

圖4 20～200MHz測量結果：(a)背景；(b)位置A；(c)位置B；(d)位置CFig.4 Measurement results for frequency of20～200MHz:(a)background,(b)point A,(c)point B,(d)point C

2.3 200～500MHz測量結果

對頻率200～500MHz在位置A、B和C處分別進行了背景和來車時的頻譜進行了測量，選取背景、位置A、B和C來車時典型測量結果如圖5所示。

由圖5（a）背景測量結果可以看出，背景在頻率200～500MHz，幅值主要分布在32～42dBμV，在頻率350～380MHz有比較強的脈沖分布，最大值達到60.5dBμV。圖5（b）顯示位置A處來車時在頻率200～500MHz范圍內(nèi)有不同幅度脈沖信號，在200～380MHz范圍內(nèi)比較明顯。位置A處，頻率為363.40MHz時，測量幅值最大為72.81dBμV。圖5（c）顯示在位置B處來車時整個頻率范圍內(nèi)幅值均有不同幅度的提高，幅值主要分布在47～67dBμV。且在頻率362.41MHz、測量峰值達到75.53dBμV，比背景中該頻率幅值提高了15.03dBμV。在位置A和C處弓網(wǎng)電弧比背景電壓高5.0dBμV左右，弓網(wǎng)電弧脈沖不明顯。結果表明：弓網(wǎng)電弧在距離軌道中心垂直距離30m處，弓網(wǎng)電弧在頻率200～500MHz范圍內(nèi)干擾變得較弱。由圖4、圖5可知，雖然背景在頻率100MHz和362MHz附近有較強的幅值，但來車時，該頻率對應幅值增加，說明在該頻率產(chǎn)生了弓網(wǎng)電弧。頻率為200～500MHz時，弓網(wǎng)電弧在位置B處分布最豐富。

圖5 200～500MHz測量結果：(a)背景；(b)位置A；(c)位置B；(d)位置CFig.5 Measurement results for frequency of20～500MHz:(a)background,(b)point A,(c)point B,(d)point C

2.4 500～1000MHz測量結果

對頻率500～1000MHz、在位置A和B處分別進行了背景和來車時的頻譜進行了測量，選取背景、位置A和B來車時典型測量結果如圖6所示。

由圖6（a）可知，背景在頻率500～1000MHz范圍內(nèi)，電壓主要分布在40dBμV左右，在750～800 MHz、875MHz和930MHz有較強的脈沖分布，幅值最大值達到86.4dBμV。其中民用通信系統(tǒng)工作頻段為806～960MHz。在離線路中心線垂直不同距離處，弓網(wǎng)電弧在頻率500～1000MHz之間具有偶然性，僅有個別車來時在個別頻點有較強的脈沖。所以，后續(xù)僅對不同距離處頻率為500MHz以內(nèi)的測量數(shù)據(jù)分析。

圖6 500～1000MHz測量結果：(a)背景；(b)位置A；(c)位置BFig.6 Measurement results for frequency of500～1000MHz:(a)background,(b)point A,(c)point B

2.5 測量數(shù)據(jù)處理結果

由于測量使用的頻譜儀讀數(shù)為端口電壓Vr（dBμV），為了更直觀地了解不同距離處的電場強度，需要對測量數(shù)據(jù)進行后處理。對于輸入阻抗為50Ω的測量系統(tǒng)，待測電場強度Ec（dBμV/m）滿足式（2）［21-22］。

式中：G為放大器和衰減器增益，dB；AF為天線系數(shù)，dB；L為測量天線與測量頻譜儀連接電纜損耗，dB。

根據(jù)式（3）對電場強度單位換算。

式中：E為電場強度，μV/m。

根據(jù)實際使用的連接電纜，損耗L為0.5dB，考慮到頻率點對應的放大器增益G和天線系數(shù)AF，以及背景中既有的個別頻率點的輻射源，所以選取除背景峰值頻率點外的弓網(wǎng)電弧的電場強度峰值頻率點進行計算，不同位置處來車時電場強度最大值如表1所示。

表1 不同位置處電場強度最大值Table1 The peak values of E at different points

由表1可知，在頻率2～20MHz范圍內(nèi)，位置A處電場強度最強，為21.81mV/m，比位置B處高3.73mV/m，比位置C處高13.92mV/m，說明離線路軌道中心線垂直距離越遠，電場強度衰減越快，值越小。在頻率20～200MHz范圍內(nèi)，位置B處電場強度最強，為1.52mV/m，比位置A處高0.44mV/m，比位置C處高0.73mV/m。在頻率200～500MHz范圍內(nèi)，位置B處電場強度最強，為4.48mV/m，比位置A處高3.57mV/m，比位置C處高3.37mV/m。位置A處，電場強度最大值為21.81mV/m，對應頻率為12.01MHz；位置B處，電場強度最大值為為18.08mV/m，對應頻率為13.74MHz；位置C處，電場強度最大值為7.89mV/m，對應頻率為15.43MHz。

3 電磁暴露安全評估

頻譜圖3～5說明，來車時的頻譜均比背景頻譜圖有不同程度的幅值增高。如圖5中，背景在頻率200～500MHz范圍內(nèi)，幅值主要分布在32～42dBμV，位置B處來車時幅值主要分布在47～67dBμV。測量的弓網(wǎng)電弧幅值是否超限，國家環(huán)保部和國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局根據(jù)我國電磁環(huán)境保護工作實踐，在2014年發(fā)布了電磁環(huán)境控制公眾暴露限值（GB8702―2014）。弓網(wǎng)電弧頻率范圍內(nèi)環(huán)境中公眾暴露限值在頻率為3～30MHz范圍內(nèi)電場強度為67/f1/2V/m（f為頻率，MHz），頻率為30～3000MHz范圍內(nèi)電場強度為12V/m。將表1中電場強度與GB8702―2014限值對比如表2所示。

表2 電場強度測量峰值與限值比較Table2 The peak measurement values of E compared with limit values

表2中顯示，在位置A、B和C處，電場強度最大值對應的頻率均在12～16MHz。電場強度在位置A，電場強度最大值為21.8mV/m，為GB 8702―2014限值的0.11%；位置B處電場強度最大值為18.1mV/m，為GB8702―2014限值的0.1%；位置C處電場強度最大值為7.89mV/m，為GB 8702―2014限值的0.05%。

4 結論

對高速鐵路線路沿線的弓網(wǎng)電弧電磁環(huán)境分布的研究具有重要意義。既有的弓網(wǎng)電弧測量多數(shù)僅針對某個頻點進行現(xiàn)場測量，分析對既定設備的影響［22］。對高鐵沿線與線路不同垂直距離的弓網(wǎng)電弧測量尚未見報道。為了分析高鐵沿線弓網(wǎng)電弧的幅頻特性，選取某高鐵沿線與線路軌道中心線垂直距離10m處（位置A）、20m處（位置B）和30m處（位置C）進行了現(xiàn)場測量。獲得了弓網(wǎng)電弧的幅頻數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析。將結果與GB8702—2014電磁環(huán)境控制限值進行對比，并得出以下結論：（1）測量環(huán)境中有特定的輻射源，如100MHz左右的廣播電臺信號、360～370MHz的背景頻率、806～960MHz的GSM信號等。相對背景頻譜，來車時，頻率2～500MHz間在不同位置處由于弓網(wǎng)電弧引起幅值均有不同程度增加；（2）弓網(wǎng)電弧的頻率主要集中在2～500MHz范圍內(nèi)，在頻率500～1000MHz范圍內(nèi)在個別頻點出現(xiàn)弓網(wǎng)電弧脈沖，不同于頻率2～500MHz范圍內(nèi)的連續(xù)脈沖，在位置A、B和C處，弓網(wǎng)電弧電場強度最大值對應的頻率均在12～16MHz之間；（3）位置A，電場強度最大值為21.8mV/m，為GB8702―2014限值的0.11%；位置B處電場強度最大值為18.1mV/m，為GB8702―2014限值的0.1%；位置C處電場強度最大值為7.89mV/m，為GB8702―2014限值的0.05%。說明弓網(wǎng)電弧在位置A、B和C處均低于GB8702―2014國電磁輻射標準限值。

綜上所述，說明在與線路軌道中心線垂直距離的10m、20m和30m處，弓網(wǎng)電弧不會對人體健康產(chǎn)生不利影響。弓網(wǎng)電弧的幅頻特性為進一步評其對軌旁電子設備的電磁干擾及軌旁土地的規(guī)劃利用提供數(shù)據(jù)參考。下一步工作重點是利用計算機建模、仿真計算弓網(wǎng)電弧對車體內(nèi)不同位置處乘客的電磁暴露情況分析，并進行安全評估。