磁浮列車電弧輻射特性及對航向信標(biāo)影響分析

朱 峰, 楊 嘯, 蔣倩倩, 王宇軒

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 四川 成都 611756)

0 引 言

在交通一體化不斷發(fā)展的背景下,作為新型城市軌道交通的選擇之一,磁浮交通與鐵路、機(jī)場等不同系統(tǒng)間會(huì)存在交叉現(xiàn)象。如長沙磁浮快線用以連接高鐵和黃花機(jī)場兩大交通樞紐。航向信標(biāo)在飛機(jī)進(jìn)近著陸的過程中提供對準(zhǔn)跑道線的航向道引導(dǎo)信號,當(dāng)磁浮線路與機(jī)場距離較近時(shí),磁浮列車離線電弧電磁輻射可能對其產(chǎn)生干擾,影響飛機(jī)進(jìn)近著陸的安全。因此,研究磁浮列車離線電弧輻射特性及其對機(jī)場航向信標(biāo)的影響對航空系統(tǒng)安全運(yùn)營具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對軌道交通離線電弧的電磁干擾做了大量研究。文獻(xiàn)[7]在Simulink仿真軟件中建立了弓網(wǎng)離線放電電磁騷擾源仿真模型,研究了弓網(wǎng)離線放電騷擾源騷擾電壓與列車運(yùn)行速度之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[8]研究并建立了一種新型的弓網(wǎng)電弧檢測系統(tǒng),相較于傳統(tǒng)設(shè)備具有高可靠性、低成本、對受電弓設(shè)備的非侵入性等優(yōu)勢。文獻(xiàn)[9]對直流供電系統(tǒng)的受電弓電弧現(xiàn)象進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),分析供電電壓極性、受電弓與接觸網(wǎng)的相對運(yùn)動(dòng)(縱向)和受電弓的橫向滑動(dòng)(之字形)等參數(shù)對直流牽引系統(tǒng)的影響。文獻(xiàn)[10]研究了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的受電弓電弧對鐵路廣播服務(wù)的影響。文獻(xiàn)[11]基于橫向吹弧和縱向吹弧理論,建立了弓網(wǎng)電弧的動(dòng)態(tài)模型,分析了高速氣流場對弓網(wǎng)電弧耗散功率的影響。文獻(xiàn)[12]考慮了車速及拉弧長度對電弧橫向吹弧耗散功率的影響,對Cassie -Mayr串聯(lián)電弧模型進(jìn)行了改進(jìn),分析了弓網(wǎng)離線時(shí)間及車速對電弧電壓和電流的影響。文獻(xiàn)[13]研究了不同拉弧位置弓網(wǎng)電弧輻射特性及對飛機(jī)導(dǎo)航的影響。文獻(xiàn)[14]分析了降弓時(shí)弓網(wǎng)離線電弧對列車速度傳感器的電磁干擾機(jī)理,并提出在速度傳感器的電纜屏蔽層上嵌套磁環(huán)以抑制干擾。

上述文獻(xiàn)研究內(nèi)容集中在高速鐵路的弓網(wǎng)離線電弧,依靠仿真建模的方式分析電弧特性。磁浮列車通過電磁力實(shí)現(xiàn)列車和軌道間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向,其供電電壓、驅(qū)動(dòng)方式與高鐵相比有很大差異,而且列車在運(yùn)行過程中,受現(xiàn)場環(huán)境、授流方式設(shè)計(jì)等因素的影響,仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)間不可避免存在差異。目前，針對磁浮列車的電磁干擾,已有學(xué)者對其長定子鐵心片間短路故障,與輪軌交通系統(tǒng)電磁環(huán)境差異及對高鐵綜合調(diào)度移動(dòng)通信系統(tǒng)(global system for mobile communications for railway, GSM-R)的電磁干擾等方面進(jìn)行了研究,然而關(guān)于磁浮列車電弧與機(jī)場航向信標(biāo)間的電磁干擾問題,相關(guān)的研究很少。本文結(jié)合文獻(xiàn)[22]的相關(guān)要求,在磁浮列車電弧現(xiàn)象發(fā)生較為頻繁的分段絕緣器處進(jìn)行了現(xiàn)場測試。之后在電磁場仿真軟件FEKO中搭建了磁浮列車及軌道模型,結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),得到離線電弧在空間中的電場分布特性。在此基礎(chǔ)上,研究了磁浮線路與機(jī)場跑道間的保護(hù)間距。

1 電弧繞射模型

離線電弧輻射受磁浮軌道及車體的遮擋影響,其等效模型如圖1所示,主要繞射路徑為雙刃峰繞射①、②。車體及軌道中的鋼筋均屬良導(dǎo)體,電磁波通過時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的傳輸損耗,等效計(jì)算時(shí)可認(rèn)為電弧輻射不能穿透這些模型。

圖1 電弧繞射等效模型Fig.1 Equivalent model of arc diffraction

圖1中模型的尺寸如下:=280 m、=375 m、=130 m、=234 m、=039 m、=075 m、=600 m。

文獻(xiàn)[23]針對ITU-R P.526建議書并結(jié)合Epstein-Peterson法給出了單刃峰、雙刃峰繞射的計(jì)算方法,其計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 Epstein-Peterson法示意圖Fig.2 Schematic diagram of Epstein-Peterson method

圖2中，、、H和、、分別構(gòu)成單刃峰繞射。以、、構(gòu)成的單刃峰為例,其繞射損耗計(jì)算方法如下:

(1)

(2)

式中:為波長。

Epstein-Peterson法中,雙刃峰繞射損耗計(jì)算方法如下:

=++

(3)

式中:為、、間的單刃峰繞射損耗;為、、間的繞射損耗;為修正因子。其中：

(4)

結(jié)合式(1)～式(4),計(jì)算可得繞射路徑①和路徑②的繞射損耗1、2。電弧到接收點(diǎn)總的損耗系數(shù)為

(5)

式中:為繞射路徑不同引起的相位差,計(jì)算公式為

(6)

由式(5)可得航向信標(biāo)頻段(1081～11195 MHz)內(nèi)損耗系數(shù)與頻率間的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 C與f間關(guān)系Fig.3 Relationship between C and f

由圖3可知,接收點(diǎn)位置處,離線電弧電磁輻射在航向信標(biāo)頻段內(nèi)的衰減值在33 dB左右,損耗系數(shù)隨頻率的增大而增大,可見磁浮軌道和車體對離線電弧遮擋作用明顯。實(shí)際測試環(huán)境中,測試點(diǎn)只能選擇在被遮擋區(qū)域,此時(shí)軌道和車體對電磁輻射影響很大,為把握磁浮離線電弧在遮擋和未遮擋區(qū)域的電場分布特性,本文在電磁場分析軟件FEKO中搭建磁浮模型,通過仿真得到其電場分布。

2 磁浮離線電弧測試

2.1 測試地點(diǎn)選取

磁浮車輛采用接觸軌系統(tǒng)為車輛提供動(dòng)力,通過受流靴給車輛授流。本次測試所選磁浮線路的牽引供電系統(tǒng)額定電壓為DC 1 500 V,額定工作電流為DC 250 A。采用專設(shè)回流軌的方式回流。授流軌和回流軌采用側(cè)部安裝的方式,對稱分布于線路兩側(cè),如圖4所示。

圖4 磁浮線路布局Fig.4 Maglev line layout

在磁浮接觸軌系統(tǒng)中,為提高各供電區(qū)供電的可靠性和靈活性,將供電線路設(shè)計(jì)為多個(gè)電分段組合,各分段之間通過分段絕緣器絕緣連接。受流靴經(jīng)過分段絕緣器時(shí),經(jīng)歷從有電到無電再到有電的過程,相當(dāng)于電路帶載打開、閉合,導(dǎo)致離線電弧的產(chǎn)生。實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中供電分區(qū)兩端電壓差過大、受流靴的磨損、分段絕緣器安裝和調(diào)節(jié)的不標(biāo)準(zhǔn)等因素都會(huì)加劇拉弧現(xiàn)象的發(fā)生,測試現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 測試現(xiàn)場Fig.5 Test site

2.2 測試儀器

測試采取頻譜儀掃頻測試與接收機(jī)點(diǎn)頻測試相結(jié)合的方式。掃頻測試可獲得離線電弧在某一頻段內(nèi)的電場數(shù)據(jù),用于把握電弧在整個(gè)測試頻段的特征。點(diǎn)頻測試用于某個(gè)頻點(diǎn)的測試,相較于掃頻測試結(jié)果更為精確,用于具體的數(shù)據(jù)分析。測試儀器參數(shù)如表1所示。

表1 測試儀器型號及技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)MHT4046-2017的相關(guān)要求,頻譜儀的分辨率帶寬選取為10 kHz,采用峰值檢波方式。接收機(jī)的分辨率帶寬選取為120 kHz,采用峰值檢波,準(zhǔn)峰值檢波和平均值檢波相結(jié)合的方式。在實(shí)際測試過程中,峰值檢波測得數(shù)值最大,分析時(shí)考慮到離線電弧電磁發(fā)射最嚴(yán)苛的情況,采用峰值檢波的數(shù)據(jù)。

2.3 測試數(shù)據(jù)

GB24338規(guī)定,在電力牽引系統(tǒng)的測試中,天線距離軌道中心線的距離優(yōu)先選擇為10 m。若現(xiàn)場測試環(huán)境不能滿足要求,為便于數(shù)據(jù)間比較,可根據(jù)實(shí)際測試距離等效轉(zhuǎn)換為10 m法值，具體公式如下：

=+·20 lg(10)

(7)

式中:和分別為10 m法和距離線電弧處的場強(qiáng)值。在108～110 MHz頻段內(nèi),取1,在110～112 MHz頻段內(nèi),取12。此次測試點(diǎn)距離下行線路軌道外側(cè)分段絕緣器的距離為10 m。

表2給出了不同測試頻點(diǎn)的測試數(shù)據(jù),表內(nèi)數(shù)據(jù)均為10 m法換算后的數(shù)值。

表2 磁浮電弧輻射測試數(shù)據(jù)

圖6為航向信標(biāo)工作頻段內(nèi)的掃頻數(shù)據(jù),3條曲線分別為背景場強(qiáng)值及上行、下行線路磁浮離線電弧的場強(qiáng)值?？梢钥闯?兩條線路的測試結(jié)果均大于背景,說明磁浮列車經(jīng)過分段絕緣器時(shí)對外產(chǎn)生了電磁發(fā)射,且下行線路的電磁發(fā)射強(qiáng)于上行線路,這是因?yàn)樯闲芯€路電弧受軌道及車體遮擋嚴(yán)重,造成電弧輻射信號衰減。

圖6 頻譜儀掃頻數(shù)據(jù)Fig.6 Sweep data of spectrometer

3 離線電弧電磁輻射特性

3.1 離線電弧電場分布特性

磁浮列車授流軌及回流軌采用側(cè)部安裝的方式,分段絕緣器處產(chǎn)生的電弧受軌道及車體的屏蔽作用,導(dǎo)致其在空間中的電場分布發(fā)生變化。實(shí)測中受限于測試環(huán)境,無法對現(xiàn)場各位置均進(jìn)行測試。在這種情況下為得到離線電弧在空間中的電場分布,本文結(jié)合現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),在電磁仿真軟件FEKO中搭建了磁浮列車、軌道等模型,通過仿真獲取電場的分布特性。仿真模型如圖7所示。

圖7 磁浮系統(tǒng)模型Fig.7 Maglev system model

其中,磁浮列車由3節(jié)車廂組成,在授流軌和回流軌分段絕緣器處設(shè)置干擾源,干擾源Idl設(shè)置為1 Am,頻率設(shè)置為111 MHz。得到的離線電弧在平面內(nèi)的電場分布如圖8所示。上行、下行線路離線電弧在測試點(diǎn)的場強(qiáng)值如圖9所示。

圖8 電場分布圖Fig.8 Electric field distribution map

圖9 測試點(diǎn)數(shù)據(jù)Fig.9 Data of test points

仿真結(jié)果中,上行、下行線路分段絕緣器處離線電弧產(chǎn)生的電磁輻射在測試點(diǎn)的場強(qiáng)值為33.7 dBV/m和51.0 dBV/m,差值為17.3 dB。由表2可知，現(xiàn)場測試結(jié)果中兩者相差15 dB。兩者差值不同的原因在于模型未完全考慮地面、空間環(huán)境等因素對電磁波傳播的影響。仿真的上下行電場強(qiáng)度之差與實(shí)測結(jié)果在3 dB以內(nèi),小于系統(tǒng)測量誤差,可以說明模型的準(zhǔn)確性。在平面-135°方向、軸負(fù)方向、-45°方向及軸正方向(以軸正向?yàn)?°方向),上行和下行線路的電場強(qiáng)度如圖10所示。

圖10 上下行線路電弧在不同方向上場強(qiáng)變化Fig.10 Variation of electric intensity in different directions of up and down line arc

由圖10可知,在-135°方向、軸負(fù)方向,由于軌道及車體的屏蔽作用,下行線路的電弧輻射強(qiáng)度高于上行線路;在軸正方向距坐標(biāo)原點(diǎn)20 m后兩線路輻射強(qiáng)度趨于一致;在-45°方向,下行線路輻射強(qiáng)度略強(qiáng)于上行線路。綜上可知,軌道及車體對輻射的屏蔽作用集中在-90°～-180°方向。而在實(shí)際環(huán)境中電弧對飛機(jī)的干擾主要在-90°～0°方向,在此方向上下行線路的離線電弧輻射強(qiáng)度相差很小。因此在考慮離線電弧對航向信標(biāo)影響時(shí),上下行線路離線電弧對航向信標(biāo)的電磁干擾均不能忽視。

現(xiàn)場測試點(diǎn)的位置處于-135°方向,磁浮離線電弧對飛機(jī)的干擾區(qū)域在-45°方向。由圖11可知,-135°方向的電場強(qiáng)度略強(qiáng)于-45°方向。結(jié)合圖8中離線電弧的電場分布,可知測試點(diǎn)的場強(qiáng)數(shù)據(jù)能夠反映離線電弧對飛機(jī)的干擾情況。

圖11 -135°、-45°方向電場強(qiáng)度Fig.11 Electric intensity at -135° and -45°

3.2 離線電弧幅頻特性

離線電弧電磁干擾屬于瞬態(tài)脈沖干擾,干擾頻譜很寬,一般采用最小二乘的線性回歸方法研究離線電弧的幅頻特性。已有的研究中,最小二乘模型設(shè)定為

=+lg+

(8)

式中:為頻率;為電場強(qiáng)度;為截距;為回歸系數(shù);為誤差。

利用式(8)對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸,得到上行、下行數(shù)據(jù)的回歸表達(dá)式:

=8127-372 lg

(9)

=1 1713-5404 lg

(10)

圖12 場強(qiáng)與頻率的關(guān)系Fig.12 Relationship between field strength and frequency

4 離線電弧對航向信標(biāo)影響分析

飛機(jī)在著陸過程中,接收到的航向信標(biāo)信號強(qiáng)度是不斷變化的,離線電弧對其造成的影響與電弧發(fā)生的位置、飛機(jī)下降的高度、航向信標(biāo)的防護(hù)率等因素有關(guān)。下面以磁浮線路下穿機(jī)場跑道及磁浮線路與機(jī)場跑道延長線平行兩種方案為例進(jìn)行分析。

4.1 航向信標(biāo)及防護(hù)率要求

航向信標(biāo)臺(tái)是機(jī)場儀表著陸系統(tǒng)的重要組成部分,與機(jī)載接收機(jī)配合,為飛機(jī)的進(jìn)近著陸提供航向道引導(dǎo)信息,其工作頻率為10810～11195 MHz。航向天線陣通常安裝在跑道進(jìn)近方向的遠(yuǎn)端,距離跑道出口300 m左右的位置,工作時(shí)在跑道中心線兩側(cè)發(fā)射兩束水平交叉的輻射波瓣,如圖13所示。跑道左邊輻射波瓣被90 Hz信號調(diào)幅,跑道右邊輻射波瓣被150 Hz信號調(diào)幅。當(dāng)飛機(jī)偏左時(shí),90 Hz信號強(qiáng)于150 Hz信號,偏離桿右偏。當(dāng)飛機(jī)在航道上時(shí),90 Hz信號等于150 Hz信號,偏離桿居中。當(dāng)飛機(jī)偏右時(shí),150 Hz信號強(qiáng)于90 Hz信號,偏離桿左偏。

圖13 航向臺(tái)偏離指示原理Fig.13 Principle of deviation indication for localizer

在不滿足目視著陸的復(fù)雜氣象條件下,駕駛員需依靠航向信標(biāo)來獲取飛機(jī)對準(zhǔn)跑道中心延長線航向道方位信息。航向信標(biāo)設(shè)備性能的發(fā)揮及保障質(zhì)量的高低,對飛機(jī)安全保障至關(guān)重要。GB 6364—2013《航空無線電臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》給出了航向信標(biāo)臺(tái)信號覆蓋區(qū)內(nèi)對來自鐵路干擾的防護(hù)率,如表3所示。

表3 航向信標(biāo)臺(tái)相關(guān)參數(shù)

4.2 下穿方式下對航向信標(biāo)的影響

如圖14所示,磁浮線路垂直下穿機(jī)場跑道連通機(jī)場其他位置航站樓。已知航向信標(biāo)距離跑道末端的長度為300 m,機(jī)場跑道長度為3 600 m，為飛機(jī)的下滑角度,一般為3°。

圖14 磁浮線路下穿示意圖Fig.14 Schematic diagram of maglev underpass line

通過圖14的幾何關(guān)系,可得飛機(jī)著陸過程中與航向信標(biāo)臺(tái)及電弧的距離、:

(11)

(12)

設(shè)航向信標(biāo)臺(tái)的發(fā)射功率為,天線增益為,根據(jù)電磁波傳播原理,距航向信標(biāo)臺(tái)處的功率譜面密度(W/m)為

(13)

=13477+10 lg+-20 lg

(14)

式中:為機(jī)載接收機(jī)接收到的航向信標(biāo)信號強(qiáng)度。

由第32節(jié)可知,磁浮電弧在航向信標(biāo)頻段內(nèi)測得的最大干擾強(qiáng)度為7222 dBμV/m,考慮到離線電弧電磁輻射的隨機(jī)性,某些時(shí)刻其電磁干擾強(qiáng)度可能會(huì)更大,因此考慮10 dB的富裕度。飛機(jī)下滑過程中接收到的電弧輻射強(qiáng)度為

(15)

根據(jù)式(14)和式(15)可得飛機(jī)下滑過程中接收的航向信標(biāo)的信噪比為

(16)

將表3數(shù)據(jù)代入式(16)可得下穿點(diǎn)距跑道不同距離下,飛機(jī)接收到的航向信標(biāo)信噪比與飛機(jī)下降高度的關(guān)系。圖15為下穿點(diǎn)在跑道上時(shí)信噪比與飛機(jī)高度的關(guān)系。

圖15 下穿方式下信噪比與飛機(jī)高度的關(guān)系Fig.15 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude under undercutting mode

從圖15可以發(fā)現(xiàn),即使在下穿點(diǎn)位于跑道上這種極限情況下,飛機(jī)在任意高度下接收到的信噪比均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 dB,說明在此線路設(shè)計(jì)方案下,磁浮列車的離線電弧不會(huì)對機(jī)場的航向信標(biāo)造成影響。

4.3 平行方式下對航向信標(biāo)的影響

如圖16所示,磁浮線路與機(jī)場跑道延長線平行時(shí),飛機(jī)在不同高度處,對航向信標(biāo)影響最大的電弧點(diǎn)與飛機(jī)的距離為

(17)

圖16 磁浮線路示意圖Fig.16 Schematic diagram of maglev line

結(jié)合式(16)和式(17)可得磁浮線路與跑道延長線在不同垂直距離下,飛機(jī)接收到的航向信標(biāo)信噪比與飛機(jī)高度的關(guān)系,如圖17所示。

圖17 信噪比與飛機(jī)高度的關(guān)系Fig.17 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude

由圖17可以看出,隨著飛機(jī)高度的增加,信噪比先下降后升高,在不同的距離下,最低點(diǎn)高度并不一致,的計(jì)算公式如下:

(18)

其中,

=7 800(1+cot)cot

(19)

=2(1+cot)[3 900-(1+cot)]

(20)

=-7 800(1+cot)cot

(21)

結(jié)合式(16)和式(18)可得信噪比隨距離的變化規(guī)律,如圖18所示。

圖18 信噪比隨距離d的變化Fig.18 Variation of signal to noise ratio with d

由圖18可以看出,隨著距離增大,信噪比逐漸升高。由式(16)計(jì)算可得,在=864時(shí),信噪比為20 dB,滿足航向信標(biāo)防護(hù)率要求。因此磁浮線路與機(jī)場跑道延長線的最小保護(hù)間距為864 m。

5 結(jié) 論

(1) 由磁浮離線電弧的電場分布特性可知,在對飛機(jī)造成干擾的-90°～0°方向上,上行、下行線路的離線電弧對航向信標(biāo)干擾強(qiáng)度相差不大,因此上行、下行線路的分段絕緣器均需與機(jī)場保持安全間距。

(2) 對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析可知,離線電弧在航向信標(biāo)頻段內(nèi)產(chǎn)生的電磁輻射強(qiáng)度隨頻率的增加呈下降的趨勢。

(3) 磁浮線路以下穿方式通過機(jī)場跑道時(shí),飛機(jī)在任意下降高度下接收信號的信噪比均大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 dB,離線電弧對航向信標(biāo)的干擾在允許值范圍內(nèi)。

(4) 磁浮線路與跑道延長線平行時(shí),分段絕緣器的位置與機(jī)場跑道延長線的垂直距離小于864 m時(shí),離線電弧可能會(huì)干擾航向信標(biāo)。