高速鐵路牽引變電所及分區(qū)所電磁輻射研究

閻 順

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來(lái)，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其逐漸成為現(xiàn)代化交通的中堅(jiān)力量。然而，為高速鐵路提供動(dòng)力的接觸網(wǎng)、牽引變電所等設(shè)施會(huì)在高鐵運(yùn)行過(guò)程中向周?chē)h(huán)境輻射電磁波，從而產(chǎn)生電磁輻射。高速鐵路的電磁輻射問(wèn)題受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

范鵬等［1］對(duì)電力系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備及設(shè)施的電磁輻射問(wèn)題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施，但缺乏對(duì)電磁輻射的定量分析。于麗新等［2］、杜旭紅等［3］選取不同等級(jí)的變電站作為測(cè)試分析對(duì)象，研究其工頻電磁場(chǎng)的特性。黃盾［4］以高速鐵路為研究對(duì)象，從電磁輻射的分類(lèi)、影響、防護(hù)措施等角度出發(fā)，對(duì)電磁輻射的特性進(jìn)行研究。然而牽引變電所與傳統(tǒng)變電站的輻射機(jī)理不同，當(dāng)前對(duì)牽引變電所的研究主要是對(duì)其進(jìn)行定性分析，對(duì)其產(chǎn)生的電磁輻射特性的研究分析尚不完善。

本研究從高速鐵路的牽引變電所和分區(qū)所出發(fā)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)電磁輻射規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制定相應(yīng)的測(cè)試方案，重點(diǎn)分析電磁輻射強(qiáng)度與發(fā)射限值的關(guān)系，研究牽引變電所輻射場(chǎng)強(qiáng)的分布特性。相關(guān)研究為牽引變電所、分區(qū)所等工程的電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)和電磁干擾評(píng)估提供一定的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考，對(duì)指導(dǎo)其規(guī)劃選址設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 牽引變電所測(cè)試內(nèi)容

依據(jù)《軌道交通電磁兼容 第2部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對(duì)外界的發(fā)射》（GB/T 24338.2—2018）［5］、《高壓交流架空送電線點(diǎn)干擾限值》（GB 15707—1995）［6］、《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［7］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)鐵路沿線牽引變電所產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測(cè)量。

1.1 測(cè)試對(duì)象

1.1.1 牽引變電所。牽引變電所是電力牽引的專用變電所，其把區(qū)域電力系統(tǒng)送來(lái)的電能，根據(jù)電力牽引對(duì)電流和電壓的不同要求，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，并分別送到沿鐵路線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)，為電力機(jī)車(chē)供電。

1.1.2 分區(qū)所。分區(qū)所通過(guò)將上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)起來(lái)，可提高供電臂末端接觸網(wǎng)上的電壓水平，均衡上下行供電臂電流，降低電能損失，從而保證供電質(zhì)量。

1.2 具體內(nèi)容

牽引變電所、分區(qū)所的電磁輻射測(cè)試包括工頻電場(chǎng)和磁場(chǎng)測(cè)試、無(wú)線電干擾測(cè)試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）、橫向衰減特性分析測(cè)試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）。

1.3 測(cè)量參數(shù)及單位換算

對(duì)牽引變電所、分區(qū)所的電磁場(chǎng)數(shù)值進(jìn)行測(cè)量，工頻測(cè)試測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度E（dBμV/m）和磁感應(yīng)強(qiáng)度B（T），無(wú)線電干擾測(cè)試測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度E（dBμV/m）和磁場(chǎng)強(qiáng)度H（dBμV/m）。

電場(chǎng)強(qiáng)度的換算公式見(jiàn)式（1）。

式中：Pr為信號(hào)分析儀在頻率f處的功率譜密度，dBm/RBW；f為電、磁場(chǎng)的頻率，MHz；Gr為接收天線的增益，dB；20lgK為接收天線的天線因子，dB/m。

其中，天線因子與天線增益的換算關(guān)系見(jiàn)式（2）。

磁場(chǎng)強(qiáng)度的換算公式見(jiàn)式（3）。

2 測(cè)試儀器及方案

2.1 儀器及組合方案

根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則電磁輻射監(jiān)測(cè)儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）［8］及《軌道交通電磁兼容 第2部分：整個(gè)軌道交通系統(tǒng)對(duì)外界的發(fā)射》（GB/T 24338.2—2018）［5］，可采用以下組合方案。

2.1.1 工頻測(cè)量。NF5035及其內(nèi)置電、磁場(chǎng)探頭。

2.1.2 9 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。DS18001環(huán)天線+N9030A信號(hào)分析儀（配N(xiāo)6141A選件）。

2.1.3 30 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。TN341雙錐天線+N9030A信號(hào)分析儀（配N(xiāo)6141A選件）。

2.2 測(cè)試流程、方案及相關(guān)要求

2.2.1 測(cè)試流程及方案。①測(cè)量環(huán)境噪聲。測(cè)量前先記錄環(huán)境噪聲，如果規(guī)定頻率范圍內(nèi)的環(huán)境噪聲高于變電所的發(fā)射限值減6 dB，則不選取這些頻點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線電干擾測(cè)試。②工頻測(cè)試。測(cè)量工頻電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，記錄變電所負(fù)載至少為額定負(fù)載30%時(shí)的測(cè)量值。③無(wú)線電干擾測(cè)量。記錄無(wú)線電干擾在0.09～0.15 MHz、0.15～30 MHz、30～300 MHz、300 MHz～1 GHz這4個(gè)頻率范圍的峰值檢波掃頻結(jié)果，并在各頻率范圍內(nèi)選取頻點(diǎn)作為無(wú)線電干擾測(cè)試頻點(diǎn)。最終確定擬測(cè)試的無(wú)線電干擾頻點(diǎn)見(jiàn)表1。④橫向衰減特性分析。分析距牽引變電所圍墻10 m、20 m、40 m、80 m、160 m處的準(zhǔn)峰值檢波模式下無(wú)線電干擾頻點(diǎn)的橫向衰減特性。

表1 擬測(cè)試的無(wú)線電干擾頻點(diǎn)

2.2.2 相關(guān)要求。①先對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行勘察，觀察是否存在其他可能干擾測(cè)試結(jié)果的無(wú)線設(shè)施。②測(cè)試點(diǎn)應(yīng)選在無(wú)高大建筑物、樹(shù)木、河流遮擋，并距離鐵路接觸網(wǎng)以外的高架輸電線100 m以上，沒(méi)有其他并行電氣化鐵路的開(kāi)闊場(chǎng)地。③測(cè)量宜在干燥的天氣進(jìn)行（24 h內(nèi)降雨量不大于0.1 m），溫度不低于5℃，風(fēng)速小于10 m/s，濕度要足夠低。如果測(cè)試環(huán)境不能滿足上述條件，那么測(cè)試時(shí)的實(shí)際天氣情況應(yīng)在測(cè)試結(jié)果中注明。④測(cè)量過(guò)程中要記錄實(shí)際負(fù)荷情況。⑤測(cè)試點(diǎn)位的選取應(yīng)以相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的方法為依據(jù)，分別沿高壓線方向及平行于軌道方向布置測(cè)試點(diǎn)位，并根據(jù)牽引變電所周?chē)膶?shí)際環(huán)境，對(duì)點(diǎn)位數(shù)量及位置進(jìn)行調(diào)整。

3 測(cè)試結(jié)果及分析

3.1 西平變電所測(cè)試結(jié)果及分析

3.1.1 電、磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)位。根據(jù)測(cè)試點(diǎn)位的選取原則，西平變電所共測(cè)試8個(gè)點(diǎn)，分布如圖1所示。

圖1 西平變電所測(cè)試點(diǎn)位示意圖

3.1.2 測(cè)試結(jié)果及分析。

①工頻測(cè)試結(jié)果。工頻測(cè)試要求測(cè)量工頻的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 西平變電所工頻測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，西平變電所周?chē)鳒y(cè)量點(diǎn)位最大工頻電場(chǎng)強(qiáng)度為100.65 V/m，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為4.2×10-7T，均滿足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［7］中的要求。另外，工頻測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)小于工頻限值要求，甚至不到其限值的十分之一，表明牽引變電所向外電磁輻射值很小，對(duì)周邊居民及家用電器的影響極其微弱。

②掃頻測(cè)量及無(wú)線電干擾測(cè)量結(jié)果。根據(jù)測(cè)試點(diǎn)位，沿高壓進(jìn)線方向及平行軌道方向?qū)恳冸娝M(jìn)行峰值檢波模式下的頻率掃描及無(wú)線電干擾頻點(diǎn)的準(zhǔn)峰值測(cè)量（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 峰值檢波掃頻結(jié)果

圖3 無(wú)線電干擾頻點(diǎn)測(cè)量結(jié)果

由圖2可知，在9 kHz～1 GHz內(nèi)，大多數(shù)頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)均低于發(fā)射限值，少數(shù)位于中波廣播、調(diào)頻廣播及移動(dòng)基站工作頻率范圍內(nèi)的頻點(diǎn)要高于變電所發(fā)射限值，這是因?yàn)榛祀s了干擾信號(hào)。

由圖3可知，進(jìn)行準(zhǔn)峰值測(cè)量的無(wú)線電干擾頻點(diǎn)，其電（磁）場(chǎng)強(qiáng)度的準(zhǔn)峰值數(shù)值均在變電所的發(fā)射限值以下，表明試驗(yàn)頻點(diǎn)的電磁輻射限值均在可接受的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成明顯的電磁干擾。

3.1.3 橫向衰減特性。根據(jù)接收天線的不同，將橫向衰減特性劃分為9 kHz～30 MHz、30 MHz～1 GHz兩個(gè)不同頻率范圍，分別觀察其隨距離變化的衰減特性，具體方案如表3所示。

表3 橫向衰減特性測(cè)試方案

電磁場(chǎng)橫向衰減特性如圖4所示。

圖4 電磁場(chǎng)橫向衰減特性

由橫向衰減特性測(cè)試結(jié)果可知，各頻點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均隨距離的增加而減小，大于80 m后，電磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸趨于平緩，衰減位于背景噪聲以下，無(wú)法測(cè)試到牽引變電所的電磁輻射。

3.2 丁戴莊分區(qū)所測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1 電、磁場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)位。根據(jù)測(cè)試點(diǎn)位的選取原則，丁戴莊分區(qū)所共計(jì)測(cè)試3個(gè)點(diǎn)，分布如圖5所示。

圖5 丁戴莊分區(qū)所測(cè)試點(diǎn)位示意圖

3.2.2 丁戴莊分區(qū)所測(cè)試結(jié)果。工頻測(cè)試要求測(cè)量工頻的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

由表4可以看出，丁戴莊分區(qū)所各測(cè)量點(diǎn)位最大工頻電場(chǎng)強(qiáng)度為91.41 V/m，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8.77×10-7T，均滿足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［9］中的要求，且測(cè)量結(jié)果遠(yuǎn)小于工頻限值，同西平變電所一樣，其對(duì)周邊電磁環(huán)境影響極其微弱。

表4 丁戴莊分區(qū)所工頻測(cè)試結(jié)果

根據(jù)測(cè)試點(diǎn)位，在南、北、西三個(gè)方位對(duì)分區(qū)所進(jìn)行頻描及無(wú)線電干擾準(zhǔn)峰值測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 分區(qū)所10 m處峰值檢波掃頻結(jié)果

由圖6、圖7可知，分區(qū)所周?chē)碾姶泡椛涮匦耘c牽引變電所類(lèi)似，大部分頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)均低于限值，極少數(shù)高于變電所發(fā)射限值的頻點(diǎn)位于中波廣播、調(diào)頻廣播及移動(dòng)基站的工作頻率范圍內(nèi)，無(wú)線電干擾頻點(diǎn)測(cè)試結(jié)果均在限值以下，基本可以判定分區(qū)所不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成電磁干擾影響。

圖7 分區(qū)所10 m處無(wú)線電干擾頻點(diǎn)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)牽引變電所與分區(qū)所的電磁輻射進(jìn)行研究，分析電磁輻射強(qiáng)度與發(fā)射限值間的關(guān)系，研究牽引變電所輻射場(chǎng)強(qiáng)的分布特性。研究結(jié)果表明，牽引變電所及分區(qū)所周邊的電磁輻射滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范中的要求。該研究為牽引變電所、分區(qū)所相關(guān)工程的電磁環(huán)境影響評(píng)價(jià)提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考，對(duì)進(jìn)一步指導(dǎo)其規(guī)劃選址設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。