中低速磁浮交通與機場電磁安全防護距離研究

虞 凱, 魏 波, 段永奇, 熊 潔

(中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031)

中低速磁浮交通近年來發(fā)展速度迅猛.國際上，日本和韓國先后開通了商業(yè)運營線，2005年，日本開通了世界第一條中低速磁浮商業(yè)運營線——日本名古屋東部丘陵線，2016年2月，韓國仁川國際機場城市磁浮列車示范運營線正式投入營運；我國的中低速磁浮交通也迎頭趕上，目前已開通運營了兩條商業(yè)線：2016年的長沙中低速磁浮和2017年的北京磁浮S1線，另外，鳳凰磁浮項目正在建設(shè)中.

不同于輪軌交通，中低速磁浮交通是一種采用磁浮技術(shù)實現(xiàn)列車與軌道無接觸運行的軌道交通，因此其具有節(jié)能環(huán)保、噪音低、線路適應(yīng)性強等優(yōu)點[1-3]；不同于高速磁浮交通[4]，中低速磁浮采用短定子直線感應(yīng)電機牽引，運行中需要地面供電裝置對磁浮列車接觸供電[5]，我國中低速磁浮交通系統(tǒng)采用直流1 500 V的接觸軌供電方式.

根據(jù)中低速磁浮交通的原理，磁浮列車運行時會對外界產(chǎn)生電磁輻射.與高速磁浮不同，中低速磁浮交通僅在運行列車的周圍產(chǎn)生電磁輻射，軌道系統(tǒng)在無車狀態(tài)下不存在電磁場.已有研究表明，中低速磁浮交通產(chǎn)生的電磁場量值較小，對人體健康不會產(chǎn)生危害[4].但是對于一些精密儀器、特別是對電磁比較敏感的設(shè)施，中低速磁浮交通的電磁輻射是否有影響，需要進行研究.

中低速磁浮交通作為城市軌道交通的選擇之一，通常會遇到與鐵路、機場等不同系統(tǒng)的交叉，例如長沙磁浮跨越滬昆高鐵，并接入長沙黃華機場.已有文獻通過測試手段，證明中低速磁浮交通產(chǎn)生的電磁輻射不會影響鐵路無線設(shè)施的正常運行[5-6].機場則擁有航空管制、儀表著陸等眾多對電磁敏感的無線設(shè)施，部分設(shè)施對飛機的安全起降起到至關(guān)重要作用.因此，需研究中低速磁浮交通對機場無線設(shè)施的影響情況.

本文作者結(jié)合機場相關(guān)無線設(shè)施的電磁兼容性要求，系統(tǒng)分析了中低速磁浮交通的電磁輻射和對機場無線設(shè)施的影響，提出了中低速磁浮交通與機場無線設(shè)施之間的電磁安全防護距離，為今后的工程設(shè)計提供支撐.

1 機場無線設(shè)施的電磁環(huán)境要求

電磁波可通過天線耦合、線纜耦合、腔體耦合等多種方式使電子設(shè)施產(chǎn)生感應(yīng)電壓，進而影響內(nèi)部元器件，其中天線耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最為強烈.機場無線設(shè)備主要包括方向信標臺、超短波定向臺、航向信標臺、下滑信標臺、指點信標臺、仰角臺、全向信標臺、測距儀臺、塔康導(dǎo)航臺、分米波近程導(dǎo)航臺、分米波航向/測距信標臺、分米波下滑信標臺、VHF通信系統(tǒng)等.根據(jù)《航空無線電導(dǎo)航臺(站)電磁環(huán)境要求》(GB 6364—2013)[7]，以上設(shè)施的電磁環(huán)境要求如表1所示.

表1 機場無線設(shè)施電磁環(huán)境要求

2 電磁輻射影響理論分析

2.1 中低速磁浮電磁輻射原理

中低速磁浮系統(tǒng)在列車運行時，對外產(chǎn)生的電磁輻射主要來源于懸浮電磁鐵產(chǎn)生的直流穩(wěn)態(tài)磁場、直線電機產(chǎn)生的低頻交流磁場、電刷與供電軌之間的火花電弧產(chǎn)生的高頻電磁場3個方面[8].中低速磁浮對外的電磁輻射是一個復(fù)合空間電磁場.但前兩者的電磁場由于場強和頻率很低，無法形成有效的輻射，只分布在列車四周.因此，在研究中低速磁浮系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)施時，需考慮以上3個電磁場的復(fù)合場；而對外部相關(guān)設(shè)施的電磁輻射影響，主要還是來自于火花電弧的高頻電磁場.

基于此，本文在理論分析方面，主要考慮直流1 500 V的火花電弧產(chǎn)生的電磁輻射影響，其輻射電磁場可通過以下公式計算得到

(1)

(2)

(3)

式中：Er和Eσ為電場強度;Hφ為磁場強度；λ為電磁波波長；I為電弧電流；D為距天線距離；l為電弧等效天線長度；Z0為天線負載阻抗；(r，σ，φ)表示球坐標系下3個分量.

根據(jù)DC1 500 V電弧的等離子體模型公式[9-10]，在參數(shù)可調(diào)范圍內(nèi)，該等離子體模型能產(chǎn)生的電弧電壓中100 V是一個極限最大值，選取此條件下的電弧電流作為激勵源.并對式(1)～式(3)采用時域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)計算得到電弧的電磁場分布.

2.2 10 m范圍下的電磁輻射影響情況

選取D為10 m，可計算得到距離中低速磁浮10 m處，機場各類無線設(shè)施受電磁輻射值.以超短波定向臺為例，通過FDTD計算和傅里葉變換，得到其工作頻段為118～150 MHz和225～400 MHz范圍內(nèi)受到的電磁輻射的頻譜見圖1.

超短波定向臺最低定向信號場強為90 μV/m=39.08 dBuV/m，考慮20 dB的防護率，得到電磁環(huán)境要求門限值為19.08 dBuV/m.對于中低速磁浮的電磁輻射強度，118～150 MHz頻段，取中心頻率134 MHz的場強幅值為-78.39 dBV/m(41.61 dBuV/m)；225～400 MHz頻段，取中心頻率312.5 MHz的場強幅值為-83.47 dBV/m(36.53 dBuV/m),都超過了設(shè)備的電磁環(huán)境要求門限值.因此，在距離10 m處，中低速磁浮交通的輻射電磁場會對超短波定向臺產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運行.

同理，可得到其他無線設(shè)施受影響情況見表2.

表2 距離中低速磁浮系統(tǒng)10 m處的電磁輻射值

由表2可見，中低速磁浮交通與機場相距10 m時，其產(chǎn)生的電磁輻射對無方向信標臺、超短波定向臺、航向信標臺、下滑信標臺、全向信標臺、分米波航向/測距信標臺、分米波下滑信標臺、VHF通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，對其他設(shè)備的正常工作沒有影響.

3 現(xiàn)場實測值分析電磁輻射影響

3.1 測試概況

采用中鐵二院工程集團有限責任公司在2016年對株機廠磁浮試驗線的測試數(shù)據(jù)為依據(jù)進行分析.采用R&S EB200測量接收機對中低速磁浮交通在無車、列車加速通過、減速通過和懸停4種場景進行測量，獲得距離磁浮列車10 m處超短波定向臺和測距儀臺所在頻段的電磁輻射值，以此分析對這兩種設(shè)施的電磁干擾影響情況.測試具體環(huán)境如圖2所示.

3.2 超短波定向臺

超短波定向臺測試數(shù)據(jù)見圖3.由圖3知，磁浮列車在懸停時與無車通過時的背景基本一致，對外電磁輻射值極小.磁浮列車在加速和減速時的整體環(huán)境噪聲相對于無車時的環(huán)境噪聲有明顯增加，這是由于磁浮列車在通過時，由于電刷與接觸軌之間的不平順產(chǎn)生火花電弧，由此引起對外電磁輻射.從以上的測試數(shù)據(jù)可得，在超短波定向臺所在頻段，磁浮列車在運行時所輻射的信號電平均小于-98 dBm(相當于場強值為38 dBuV/m).對比表1，在距離中低速磁浮10 m處，不滿足超短波定向臺的電磁環(huán)境要求.

3.3 測距儀臺

測距儀臺測試數(shù)據(jù)見圖4.從以上的測試數(shù)據(jù)可得，在測距儀向臺所在頻段，磁浮列車在運行時所輻射的信號電平均小于-97 dBm(相當于場強值為35 dBuV/m).對比表1，在距離中低速磁浮10 m處，測距儀臺不受中低速磁浮交通影響，可以正常運行.

4 電磁安全防護距離

4.1 概念提出

針對中低速磁浮交通電磁輻射的影響，提出了電磁安全防護距離的概念.當中低速磁浮在距離x0處的電磁輻射值，等于機場無線設(shè)施電磁環(huán)境要求門限值時，x0稱為電磁安全防護距離.當設(shè)備距離中低速磁浮交通線路大于x0時，設(shè)備不受磁浮交通影響，可以正常運行.因此，在修建中低速磁浮交通時，應(yīng)滿足線路任何位置與機場無線設(shè)備的距離大于電磁安全防護距離.對于不同的設(shè)施，由于電磁環(huán)境要求不同，會有不同的電磁安全防護距離.

4.2 電磁安全防護距離計算

采用天線的功率密度計算公式對場強進行推算，并結(jié)合機場無線設(shè)施的電磁環(huán)境門限值要求，計算得到電磁安全防護距離x0.

令pinT為球坐標(θ，φ,r)處的功率密度，gT為增益，則在距離r處的輻射功率s=pinTgT(θ，φ,r)/(4πr2).兩邊取對數(shù)，可得

S=PinT+GT- 20lg(r) -10.99

(4)

式中：S=10lg(s)，PinT= 10lg(pinT)，GT=10lg(gT(θ，φ,r)).則對于不同距離r1和r2，分別對應(yīng)S1和S2，可得

S2-S1=20lgr1-20lgr2

(5)

(6)

式中：E為電場強度.利用式(6)，可通過已知遠場區(qū)r1位置的場強，推算得到r2位置的場強.假設(shè)距離中低速磁浮交通10 m處的電磁輻射值E10，可得在距離任意x處的輻射場強值為

(7)

假設(shè)，當距離中低速磁浮交通x0處的輻射場強值Ex0等于機場無線設(shè)施的電磁環(huán)境要求門限值EK，即可得到電磁安全防護距離為

(8)

4.3 理論計算磁浮與機場的電磁安全防護距離

將表2中各類機場無線設(shè)施在距離中低速磁浮交通10 m處受到的電磁輻射值，以及表2中各類設(shè)施的電磁環(huán)境要求門限值，分別代入式(8)，即可計算得到機場無線設(shè)施的電磁安全防護距離，見表3.

表3 中低速磁浮系統(tǒng)與機場無線設(shè)施的電磁安全防護距離Tab.3 Electromagnetic safety protection distance between medium and low speed Maglev system and airport wireless facilities

由表3可知，無方向信標臺、超短波定向臺、航向信標臺、全向信標臺、VHF通信系統(tǒng)等設(shè)施，受中低速磁浮電磁輻射影響較大，要求距離在百米以上.而對于方位臺、仰角臺、測距儀臺、塔康導(dǎo)航臺、分米波近程導(dǎo)航臺等無線設(shè)施，基本不受中低速磁浮電磁輻射影響，即在中低速磁浮交通實際工程建設(shè)中，可以不必考慮對這幾類設(shè)施的電磁輻射影響.

4.4 基于測試值的電磁安全防護距離

基于中低速磁浮交通在超短波定向臺和測距儀臺所在頻段的電磁輻射測試值，與超短波定向臺和測距儀臺的電磁環(huán)境要求門限值進行對比，通過式(8)的電磁安全防護距離計算方法，可得到中低速磁浮交通與以上兩類設(shè)施的電磁安全防護距離要求.

圖5中的容許最大干擾值即電磁環(huán)境要求門限值.由圖5可知，當中低速磁浮系統(tǒng)與超短波定向臺距離小于89 m時，磁浮系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射干擾值大于超短波定向臺的容許最大干擾值，超短波定向臺被干擾，可能無法正常工作.因此，建議全向信標臺與磁浮系統(tǒng)的安全防護距離大于89 m.同理，根據(jù)圖6可推算出測距儀臺與中低速磁浮交通的電磁安全防護距離為2 m.

對比測試結(jié)果與理論計算結(jié)果，數(shù)值基本接近，測試結(jié)果小于理論計算結(jié)果基本合理，這是由于理論計算是基于火花電弧最大激勵電流計算得到.

5 結(jié)論

1)中低速磁浮交通在車體周圍存在懸浮電磁鐵的直流穩(wěn)態(tài)磁場、直線電機產(chǎn)生的低頻交流磁場和火花電弧產(chǎn)生的高頻電磁場的符合電磁場，遠場則主要是火花電弧產(chǎn)生的電磁輻射.并通過計算得到機場各類無線設(shè)施的電磁安全防護距離.針對計算結(jié)果可知，中低速磁浮對無方向信標臺、超短波定向臺、航向信標臺、全向信標臺、VHF通信系統(tǒng)等設(shè)施影響較大，在工程設(shè)計時，磁浮與機場的安全防護距離在百米以上.

2)通過現(xiàn)場測試，得到中低速磁浮列車在不同運行狀態(tài)下的實際電磁輻射值，對比發(fā)現(xiàn)，由于火花電弧的電磁輻射，磁浮列車在加速和減速時對外電磁輻射值要高于懸浮狀態(tài)下的輻射值.并根據(jù)測試值，得到了超短波定向臺和測距儀臺的電磁安全防護距離分別為89和2 m.略小于理論計算結(jié)果，這是由于理論結(jié)果是基于電弧電壓極大值條件下得到.

本文提出的電磁安全防護距離可為中低速磁浮交通的工程建設(shè)提供支撐，特別是線路選線.當磁浮線路連接或經(jīng)過機場時，應(yīng)滿足磁浮對機場各類無線設(shè)施的電磁安全防護距離要求.