電氣化弓網離線電弧對GSM-R的電磁噪聲分析

歸甜甜

（西南交通大學，四川 成都 610000）

1.弓網電弧的噪聲分析

現有的文獻及實測均表明，對GSM-R無線通信系統的主要電磁干擾來自于弓網電弧，其主要產生的是高頻電磁波，且頻率有大部分正好是落在GSM-R所使用的頻段范圍內[1]。所以分析弓網電弧的產生噪聲對研究GSM-R抗干擾問題是必要的。既有文獻[2]對弓網電弧進行了Simulink建模仿真，在解決弓網離線對電磁兼容環境造成的污染，做了積極地探索工作。本文主要是針對弓網電弧對GSM-R所在的900M頻段的噪聲仿真，有更強的針對性。

（1）單次火花放電

要探討弓網離線電弧在900M頻段的噪聲，那先要考慮弓網離線單次放電情況。火花放電具有很寬的噪聲頻譜，從十KHZ到上GKHZ。單次火花放電所產生的噪聲是由一系列衰減震蕩的脈沖組成，該噪聲峰值檢波電壓服從高斯分布，半峰值脈寬為2.36σ,有MATLAB仿真得到下面圖1。

圖1 單次火花放電的時域波形

由圖1可知，火花放電脈沖上升沿在ns數量級上，振蕩持續時間約為十幾到幾十ns。單次火花放電所產生的噪聲，其電流幅值的衰減在誤差范圍內滿足負指數分布規律。

（2）連續放電

列車在運行過程中，弓網離線造成的放電并不是單次出現的。那分析弓網電弧在900M頻段的干擾需要分析連續放電情況。當受電弓與接觸線分離，空氣間隙的端電壓隨著接觸網工頻電壓變化逐漸增大，直到到達擊穿電壓Ub時，間隙就被擊穿了。此時，若電源容量足夠，氣隙將形成電弧放電。這時間隙完全喪失絕緣性能，形成了短路的通道，產生很大電流的電弧，溫度達上千度，產生強光輻射以及高頻電磁波。當該工頻電流減小至零點附近時，電弧熄滅，受電弓與接觸線之間恢復高阻狀態；然后空氣間隙的端電壓再次達到擊穿電壓，重復上面所描述的現象，直到受電弓與接觸線恢復良好電接觸為止。

弓網電弧噪聲模型由列車經過硬點、弓網離線、單次空氣放電、連續空氣放電、電弧產生。擊穿電壓取30 KV，極間距離取1 cm，空氣密度取1，火花放電時間取10 us，受電弓歸算質量取59 kg，極間距離取10 cm，弓網一次離線在900MHZ頻段電弧噪聲分布仿真如下圖2所示。

圖2 弓網一次離線電弧噪聲分布

有圖2可知，弓網電弧產生的高頻電磁波頻率部分散落在GSM-R系統的載頻范圍內，造成同頻干擾。當電磁噪聲幅度較大時，將對系統的可靠性造成嚴重影響，使得系統誤碼率急劇增高，甚至會產生通信中斷現象。對于一般的通信來說，這種現象不會造成嚴重的后果，列控系統的車地雙向通信數據需要通過GSM-R系統進行傳輸，不能有絲毫的錯誤發生。因此，系統誤碼率升高和通信中斷會嚴重威脅列車行車安全，對列車營運造成極大的安全隱患。

（3）連續放電的重復頻率

為了仿真列車運行過程中連續離線弓網噪聲在900MHZ頻段分布，需要用到電弧的重復頻率。接觸網與受電弓之間產生的電弧出現頻率與以下幾個參數相關：接觸網定位點之間的跨距d，列車運行速度v，以及在單個定位點處發生弓網分離的概率。由此，可以得到統計意義上的電弧重復頻率[2]

其中：v表示列車運行速度（km/h）；d表示硬點間距（m）；ρ表示弓網離線概率。

本文通過輸入接觸網硬點間距，列車運行速度實現列車周期性的通過硬點；以指數概率分布作為受電弓離線的概率分布，并同時以之生成最大離線間隙；通過最大離線間隙、回復力（一般近似等于接觸網壓力）和受電弓歸算質量計算弓網離線的時間以及所產生的擊穿電壓。最大離線間隙取1 cm，回復力取79.79 N，硬點間距取70 m，列車運行速度取300 km/h，弓網離線概率0.45，仿真如圖3所示。

圖3 弓網連續離線噪聲分布

由圖3可知，弓網連續離線產生的噪聲如圖，在過硬點的時候發生離線事件，具有隨機性。電力機車速度越高，受電弓與接觸導線分離的可能性越大，弓網電弧越容易產生。電弧產生時向周圍發射高頻噪聲，對機車沿線的通訊信號和無線電信號造成很大的干擾，嚴重時會導致通訊間斷和無線電信號失效等現象。

2.弓網離線噪聲分析

對于本文所研究的弓網電弧產生的高頻同頻電磁噪聲，幅度具有隨機性，而頻率分布也是在900MHz附近分布，噪聲的頻率分布范圍與GSM-R的工作頻率相互重疊，而且幅度變化較大，噪聲強度高的時候會對GSM-R通信系統的性能造成嚴重影響。對于GSM-R基站發射的信號來說，信號要經過空間的衰落，空間傳播信道可看做瑞利信道，而且具有多徑效應，幾乎在列車運行時GSM-R的天線系統很少有機會收到直達波，但是對于弓網電弧放電產生的高頻電磁波噪聲則不同，這種噪聲源距離天線接收系統極近，空間損耗幾乎可以忽略，距離就為機車電弓與GSM-R天線系統的距離，而且幾乎絕大部分是直達波接收，再加上強度足以干擾GSMR正常接收的概率也較大，隨著機車速度的提升，這種干擾的影響已經不容忽視。

根據上面對弓網離線噪聲的分析可以看出，此類噪聲有以下3個特點：

1)弓網離線的發生時隨機事件，因此弓網離線產生的噪聲也是隨機事件

2)噪聲是一個平穩的隨機過程

3)噪聲頻譜很寬，可以近似認為是白噪聲

3.結論

綜上所述，對電氣化鐵道脈沖騷擾對無線通信系統的干擾問題進行分析和預測時，采用弓網噪聲數學模型進行計算機仿真，具有一定參考價值。電氣化弓網離線噪聲對GSM-R系統網絡中存在著同頻干擾，可以通過適當的方法來排除或避免這些干擾，常用的有智能天線、分集接收、交織技術。解決GSM-R移動通信網絡的干擾，尤其是降低電磁干擾，是一項長期不間斷而且非常復雜的工作，有待于在實際工作中進一步摸索總結。

致謝

在此我謹向我的導師王長林教授以及在做論文過程中給予我很大幫助的列控工作室的同學們致以最誠摯的謝意

[1]高晨亮.GSM-R電磁干擾及測試問題研究.鐵道通信信號，2007年,第43卷第10期,50-53.

[2]陳嵩，沙斐，王國棟.電氣化鐵道脈沖電磁騷擾的Simulink模型.鐵道學報，2009年第 1期,23-27.