弓網(wǎng)電弧對機場終端全向信標臺電磁騷擾的影響

朱　峰，高晨軒，唐毓?jié)?/p>

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都　610031)

隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)高速電氣化鐵路與民航系統(tǒng)的良好無縫銜接，將高速電氣化鐵路引入機場區(qū)域成為新的趨勢，二者之間的電磁兼容問題愈發(fā)受到關(guān)注[1]。電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧的電磁輻射對其沿線各類敏感電子設(shè)備的干擾問題十分突出[2-3]。機場導(dǎo)航系統(tǒng)中的甚高頻全向信標系統(tǒng)(Very high frequency omnidirectional range，VOR)電磁環(huán)境是影響飛機進近著陸安全的重要因素之一[4]。因此，研究電氣化鐵路弓網(wǎng)電弧對VOR電磁環(huán)境的影響，特別是對機場終端全向信標臺(TVOR)的影響，對于提高電氣化鐵路與民航系統(tǒng)的電磁兼容性具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對弓網(wǎng)電弧的電磁輻射進行了大量的研究：文獻[5—7]分析研究了弓網(wǎng)電弧具體的形成過程；文獻[8]設(shè)計了1套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲試驗系統(tǒng)，采取實驗室試驗的方式研究弓網(wǎng)電弧輻射噪聲特性；文獻[9]分析了動車組車速與弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的電磁干擾的關(guān)系，通過MATLAB/Simulink仿真軟件建立了動車組弓網(wǎng)離線放電電磁干擾源模型；文獻[10]建立了受電弓及車頂高壓電纜的升弓仿真模型，研究接觸網(wǎng)電源等值參數(shù)和車頂高壓電纜等值參數(shù)對升弓電磁暫態(tài)的影響；文獻[11—12]研究表明電磁騷擾輻射特性對車載設(shè)備和鐵路沿線電子設(shè)備的抗干擾防護以及電磁防護標準的完善具有重要意義。

針對TVOR的電磁騷擾研究，大多是對民航導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)部各組成之間的相互影響進行討論[13]，盡管關(guān)于軌道交通對機場導(dǎo)航設(shè)備的電磁騷擾測量和評判有一些研究[14-16]，但是測試對象為普速鐵路。由于高速電氣化鐵路的弓網(wǎng)電弧電磁輻射特性與普速鐵路的完全不同，因此本文選取電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點3個高速電氣化鐵路典型位置，通過實測對弓網(wǎng)離線電弧在TVOR工作頻段內(nèi)的輻射特性進行分析，并以某典型的鐵路線垂直穿越機場跑道為例，結(jié)合實測數(shù)據(jù)給出電磁兼容分析，為電氣化鐵路的選線和機場選址提供依據(jù)。

1　TVOR及電磁環(huán)境要求

VOR是引導(dǎo)飛機沿預(yù)定航路飛行、進近和離場的導(dǎo)航系統(tǒng)。它由2個分系統(tǒng)組成，即TVOR和航路全向信標臺，每個分系統(tǒng)由地面發(fā)射設(shè)備和機載接收設(shè)備組成。TVOR通常與測距儀臺(DME)或儀表著陸系統(tǒng)的航向臺(LOC)裝在一起，與跑道中心延長線一致的TVOR方位線可代替LOC對飛機著陸進行引導(dǎo)。

為保障TVOR的正常運行，引導(dǎo)飛機進近、著陸和離場，TVOR設(shè)備的防護率R應(yīng)滿足

Es-En≥R

(1)

式中：Es為TVOR在工作頻段內(nèi)向飛機發(fā)射導(dǎo)航信號的電場強度；En為飛機接收到的同頻騷擾信號的電場強度。

GB 6364—2013《航空無線電導(dǎo)航臺(站)電磁環(huán)境要求》規(guī)定了全向信標臺信號覆蓋區(qū)域內(nèi)對各類有源干擾的防護率要求，其中針對弓網(wǎng)離線電弧此類有源干擾的防護率要求為20 dB。

根據(jù)文獻[17—18]，TVOR的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1　TVOR的相關(guān)參數(shù)

2　測試方法

2.1　測試地點選取

由于弓網(wǎng)電弧是隨機脈沖騷擾，極可能在TVOR的工作頻段內(nèi)對其造成同頻干擾。弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生與外界環(huán)境、列車運行狀態(tài)、供電制式、接觸網(wǎng)懸掛方式等因素密切相關(guān)。高速動車組在運行過程中易產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧的典型位置為電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點[19-21]，具體見表2。

表2　弓網(wǎng)電弧典型位置

選取成達復(fù)線電氣化鐵路為測試對象，該高速鐵路接觸網(wǎng)的額定電壓為27.5 kV，供電方式為直供+回流。利用接收機和天線對TVOR工作頻段進行頻譜測試，因影響弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生的因素很多，故測試過程中選取同類型高速動車組、同一運行線路的同一運行方向、相對接近的車速，分別對3個典型位置進行測試，現(xiàn)場測試和分別測試布局分別如圖1和圖2所示。圖中：h為天線與軌道平面的高度差；d為天線與軌道中心的垂直距離；dx為天線與接觸網(wǎng)的實際距離。

圖1　現(xiàn)場測試圖

圖2　測試布局示意圖

受現(xiàn)場測試環(huán)境的條件限制，測試位置不固定。取高速鐵路接觸網(wǎng)距軌道平面的凈高為6.3 m，則測試天線與接觸網(wǎng)的實際距離為

(2)

根據(jù)式(2)，得到3個典型位置處測試天線與接觸網(wǎng)的實際距離見表3。

表3　測試天線與接觸網(wǎng)的實際距離　m

2.2　測試參數(shù)設(shè)置

測試采用點頻測試，測試儀器技術(shù)指標見表4。

表4　測試儀器技術(shù)指標

關(guān)于檢波方式，GB/T 24338.2—2011《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》采用的是峰值檢波，但大多無線電設(shè)備的檢波方式均為準峰值檢波或平均值檢波。為便于全面分析電磁輻射特性，保證測試結(jié)果的普遍性，測試中同時采用這3種檢波方式。接收機參數(shù)設(shè)置見表5。

表5　接收機參數(shù)設(shè)置

3　測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果

3.1　測試數(shù)據(jù)

在測試之前，針對TVOR的工作頻段，利用頻譜儀對背景和來車時的弓網(wǎng)電弧進行了頻譜測試，截取的典型測試結(jié)果如圖3所示。圖中：下面的曲線為背景測試曲線，上面的曲線為來車時頻譜測試曲線。

圖3　背景及來車時頻譜掃描圖

由圖3可以看出：弓網(wǎng)電弧在110 MHz處的電磁輻射最強；由于電弧拉弧持續(xù)時間很短，即便在拉弧時間最長的電分相處，弓網(wǎng)電弧放電持續(xù)時間也只有300 ms左右，因此分配到具體頻點上的測試時間很短。

距離弓網(wǎng)電弧10 m處的電場強度E0為

E0=61.45-10.46lgf

(3)

由式(3)可知，在TVOR工作頻段108.00～111.95 MHz內(nèi)的電磁噪聲相差不會超過0.2 dB，因此在該工作頻段內(nèi)的弓網(wǎng)電弧電磁輻射頻率特性不會存在較大差異。但由于電磁輻射干擾的隨機性，在選取接收機進行點頻測試時為保證測試數(shù)據(jù)的準確性，選取110 MHz作為典型測試頻率，就能客觀地反映該頻段的弓網(wǎng)電弧電磁輻射頻率特性。并且實際測試時，無論在電分相、錨段關(guān)節(jié)還是普通點處，均進行了10趟次來車的測試，考慮最嚴苛情況，后續(xù)只列出最大測試結(jié)果。

根據(jù)GB/T 24338.2—2011中的規(guī)定，利用式(4)可將電分相、錨段關(guān)節(jié)和普通點3個典型位置處的實測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10 m法測試值。

(4)

式中：E10和Ex分別為電場強度的10 m法值和實測值；n為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.2。

根據(jù)式(4)和實測結(jié)果，得到背景環(huán)境和110 MHz典型測試頻率處電場強度的10 m法測試值，見表6。

表6　10 m法測試值

3.2　測試結(jié)果

(1)在TVOR的工作頻段上，無論在電分相、錨段關(guān)節(jié)或普通點，對比背景測試曲線，來車時頻譜測試曲線表明弓網(wǎng)電弧存在明顯的電磁輻射。

(2)由于過電分相時需要經(jīng)歷有電到無電再到有電的換相過程，相比于錨段關(guān)節(jié)和普通點，弓網(wǎng)電壓狀態(tài)存在突變，伴隨有劇烈的離線電弧發(fā)生。由表7可知：電分相處弓網(wǎng)離線電弧的電磁輻射較錨段關(guān)節(jié)和普通點處大，峰值檢波方式下電分相處的電強場度與錨段關(guān)節(jié)處的最大相差89.4-69.3=20.1 dB，與普通點處最大相差89.4-62.6=26.8 dB；準峰值檢波方式下與錨段關(guān)節(jié)處最大相差74.4-48.3=26.1 dB，與普通點處最大相差74.4-40.6=33.8 dB；平均值檢波方式下與錨段關(guān)節(jié)處最大相差53.4-48.3=18.1 dB，與普通點處最大相差53.4-28.6=24.8 dB?？梢?，無論是峰值、準峰值還是平均值檢波，電分相處弓網(wǎng)離線電弧的電磁輻射較錨段關(guān)節(jié)和普通點的大，均大于20 dB左右。

(3)接收機每隔50 ms刷新1次測試數(shù)據(jù)，每次來車測試時間為10 s左右，故接收機的1次來車測試能夠讀取200個左右的數(shù)據(jù)。由于電弧放電的隨機特性，即本次拉弧和下次拉弧在該頻點的能量是不同的?？紤]最嚴苛情況，采用峰值檢波數(shù)據(jù)研究弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射對TVOR的影響。

4　弓網(wǎng)離線電弧電磁輻射對TVOR的影響

某典型的鐵路線路垂直下穿機場跑道的布局如圖4所示。圖中：θ1為下滑道與電分相拉弧點和飛機連線的夾角；θ2為飛機和TVOR連線與電分相拉弧點和TVOR連線的夾角，d0為TVOR與電分相處拉弧點之間的距離；ds為TVOR與飛機之間的距離；dn為飛機與電分相處拉弧點之間的距離；β為鐵路線路與機場跑道之間的夾角。

圖4　鐵路線路與機場跑道布局示意圖

則在與TVOR相距ds米處某點的功率譜面密度S為

(5)

Es=134.77+10lgP+G-20lgds

(6)

結(jié)合式(4)可得

Es-En=114.77+10lgP+G+

(7)

式中：En為距拉弧點dn處的騷擾場強，即飛機接收到的同頻騷擾信號的電場強度。

根據(jù)鐵路線路與機場跑道的幾何關(guān)系有

(8)

由式(1)可知Es-En取值最小時弓網(wǎng)電弧對TVOR的電磁騷擾最強，由式(7)可知Es-En最小時sinθ2/sin(π-θ1-θ2)的取值也最小，此時θ2取最小值，則θ1+θ2=π/2。又由于鐵路線路垂直下穿飛機跑道，因此弓網(wǎng)電弧電磁輻射最大位置為圖4中交叉點垂直向上延線與飛機下滑道的交點。依據(jù)實測可知，TVOR距機場跑道與鐵路線路交叉點的距離為4 000 m，飛機著陸點距交叉點的距離為1 020 m，飛機下滑道角度θ為3°，雖然弓網(wǎng)電弧發(fā)生位置和TVOR信標臺都距地面有一定高度，但是由于二者之間距離很遠，遠大于二者與地面飛機跑道之間的高度差，因此在后續(xù)分析中忽略二者與地面飛機跑道的高度差。結(jié)合圖4與式(7)、式(8)可以得到電分相、錨段關(guān)節(jié)、普通點處Es-En與拉弧點到交叉點距離的關(guān)系，如圖5所示。

圖5　Es-En與拉弧點到交叉點距離的關(guān)系

從圖5可以看出：錨段關(guān)節(jié)和普通點處的弓網(wǎng)電弧不會對TVOR產(chǎn)生電磁騷擾；當(dāng)電分相處拉弧點到交叉點距離為236 m時，電分相處弓網(wǎng)電弧對TVOR的干擾剛好達到GB 6364—2013的防護率要求；當(dāng)電分相處拉弧點到交叉點距離為0 m時，弓網(wǎng)電弧對TVOR的騷擾最大，此時Es-En為6.9 dB, 不滿足TVOR防護率的要求。

5　結(jié)　論

(1) 電分相處弓網(wǎng)離線電弧的電磁輻射電場強度較普通點和錨段關(guān)節(jié)處的均大于20 dB左右。

(2) 電氣化軌道普通點和錨段關(guān)節(jié)處弓網(wǎng)電弧的電磁輻射不會對TVOR產(chǎn)生影響，即便拉弧點位于軌道和機場跑道交叉點處，仍能夠滿足防護率的要求。

(3) 當(dāng)電氣化軌道電分相處的拉弧點距鐵路線路與機場跑道交叉點的距離小于236 m時，弓網(wǎng)電弧的電磁輻射將對TVOR產(chǎn)生騷擾；當(dāng)拉弧點位于該交叉點時電磁騷擾最嚴重。本文研究結(jié)果能夠為軌道電氣化和民用航空這兩大工業(yè)體系在機場區(qū)域的電磁兼容性設(shè)計提供依據(jù)。

[1]閻順. 城際軌道交通對機場導(dǎo)航設(shè)施電磁影響評價[J]. 鐵道工程學(xué)報, 2015, 32(6): 102-105.

(YAN Shun. Assessment of Electromagnetic Impact on Airport Navigation Facilities of Intercity Rail Transit[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2015, 32(6): 102-105. in Chinese)

[2]黃金磊. 高速動車組弓網(wǎng)系統(tǒng)電磁騷擾特性研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué),2013.

(HUANG Jinlei. Study on Electromagnetic Disturbance Characteristic of Pantograph-Catenary Systems of High-Speed EMU[D].Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University,2013.in Chinese)

[3]支永健. 弓網(wǎng)電弧電磁干擾傳播的若干理論研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2013.

(ZHI Yongjian. Some Theoretical Studies on Pantograph-Catenary Arc Electromagnetic Interference Propagation[D].Hangzhou: Zhejiang University,2013.in Chinese)

[4]寧剛令, 王宗磊. 查處機場導(dǎo)航頻率干擾的思考[J]. 中國無線電, 2011(5):70-70.

[5]BORMANN D, MIDYA S, THOTTAPPILLIL R. DC Components in Pantograph Arcing: Mechanisms and Influence of Various Parameters[C]// International Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2007. EMC Zurich：IEEE, 2007:369-372.

[6]MIDYA S, THOTTAPPILLIL R. An Overview of Electromagnetic Compatibility Challenges in European Rail Traffic Management System[J]. Transportation Research Part C，2008, 16(5):515-534.

[7]BECHERINI G, FRAIA S D, GENOVESI G, et al. Characterization of EM Emission during the Operation of Solid and Plasma Armature Rail Launchers[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2011, 39(1):22-28.

[8]郭鳳儀，王喜利，王智勇，等.弓網(wǎng)電弧輻射電場噪聲實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2015，30(14):220-225.

(GUO Fengyi, WANG Xili, WANG Zhiyong, et al. Research on Radiated Electric Field Noise of Pantograph Arc[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 220-225. in Chinese)

[9]馬云雙，劉志剛，馬嵐，等. 動車組弓網(wǎng)離線電弧放電電磁騷擾源模型研究[J].中國鐵道科學(xué)，2013, 34(5):76-81.

(MA Yunshuang, LIU Zhigang, MA Lan, et al. Electromagnetic Disturbance Source Model of Discharge upon Pantograph-Catenary Disconnection of EMU[J]. China Railway Science, 2013, 34(5): 76-81. in Chinese)

[10]吳命利, 史丹, 郭晨曦,等. 動車組升弓電磁暫態(tài)的仿真與測試[J]. 中國鐵道科學(xué), 2014, 35(6):91-98.

(WU Mingli, SHI Dan, GUO Chenxi, et al. Simulation and Measurement of Electromagnetic Transients at Pantograph Lifting for Electric Multiple Unit[J]. China Railway Science，2014, 35(6):91-98.in Chinese)

[11]朱峰, 唐毓?jié)? 高晨軒. 弓網(wǎng)離線電弧對CRH380BL型動車組速度傳感器的電磁干擾機理及抑制[J]. 中國鐵道科學(xué), 2016, 37(6):69-74.

(ZHU Feng, TANG Yutao, GAO Chenxuan. Mechanism and Suppression of Electromagnetic Interference of Pantograph-Catenary Arc to Speed Sensor of CRH380BL Electric Multiple Unit[J]. China Railway Science,2016, 37(6):69-74. in Chinese)

[12]余俊, 陸陽, 陳波,等. 350 km·h-1中國標準動車組整車對外電磁騷擾試驗及抑制措施[J]. 中國鐵道科學(xué), 2016, 37(6):135-140.

(YU Jun, LU Yang, CHEN Bo, et al. External Electromagnetic Disturbance Test and Suppression Measures for 350 km·h-1Standardized EMU in China[J]. China Railway Science, 2016, 37(6):135-140.in Chinese)

[13]孟繁棟, 胡應(yīng)東. 民用飛機中IRS/VOR/DME組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化, 2015(14):41-42，47.

(MENG Fandong, HU Yingdong.IRS/VOR/DME Navigation System for Civil Aircraft Technology[J].Modern Industrail Economy and Infomationization，2015(14):41-42，47. in Chinese)

[14]張晨，黃繼東，韓通新. 預(yù)測高速鐵路電磁輻射的一種有效方法[J]. 中國鐵道科學(xué)，2000，21(2)：86-92.

(ZHANG Chen, HUANG Jidong, HAN Tongxin. An Effective Method of Predicting Electromagnetic Emission of High Speed Railway[J]. China Railway Science, 2000, 21 (2): 86-92. in Chinese)

[15]曾祥可. 電氣化鐵路與機場導(dǎo)航設(shè)施的電磁兼容[J]. 鐵道工程學(xué)報，2006，23(9)：60-64.

(ZENG Xiangke. Electromagnetic Compatibility between Electrification Railway and Navigation Facilities[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2006, 23(9): 60-64. in Chinese)

[16]靳遠. 城際鐵路對機場導(dǎo)航設(shè)施電磁干擾計算與分析[J]. 鐵道標準設(shè)計，2013(12)：118-121.

(JIN Yuan. Calculation and Analysis of Electromagnetic Interference with Airport Navigation System Caused by Intercity Railway[J]. Railway Standard Design, 2013 (12): 118-121. in Chinese)

[17]馬存寶. 民機通信導(dǎo)航與雷達[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社, 2004.

[18]STACEY D. Aeronautical Radio Communication Systems and Networks[M]. 北京：北京理工大學(xué)，2008.

[19]王英，劉志剛，范福強，等.弓網(wǎng)電弧模型及其電氣特性的研究進展[J].鐵道學(xué)報,2013,35(8):35-43.

(WANG Ying, LIU Zhigang, FAN Fuqiang, et al. Review of Research Development of Pantograph-Catenary Arc Model and Electrical Characteristics[J]. Journal of the China Railway Society, 2013,35(8):35-43. in Chinese)

[20]宮衍圣. 電力機車過關(guān)節(jié)式電分相過電壓研究[J].鐵道學(xué)報, 2008, 30(4): 103-107.

(GONG Yansheng. Research of Over-Voltages of Electric Locomotive Passing the Articulated Phase Insulator[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(4): 103-107. in Chinese)

[21]吳積欣. 受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社, 2010.