城際鐵路對機場導航設施電磁干擾計算與分析

靳 遠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

國際電工委員會標準IEC對電磁兼容的定義是：系統(tǒng)或設備在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，同時不對其他系統(tǒng)和設備造成干擾。所以電磁兼容性(EMC)包含了2個方面：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)不能超過一定的限值；另一方面是指設備對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性(EMS)。

世界電子兩大電子市場美國和歐盟所采用標準還有所不同，而我國所采用的是歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)所制定的標準，它對EMI和EMS都有要求。針對鄭機城際鐵路與機場的EMC問題，闡述電氣化鐵路與機場通信設施的影響計算與分析。

通過分析結果，可以判定干擾強度是否滿足國標要求，并采取相應的電磁防護措施。從電磁兼容的角度出發(fā)，電磁防護措施主要有降低干擾源的干擾強度和增加被干擾設施的抗干擾能力2個方面。針對研究對象的情況，國內、外所采用的普遍防護方式是采取增設具備屏蔽效果的隧道明洞的方法。本文主要闡述鐵路與機場電磁兼容的計算與分析方法。

1 機場及相關設施的電磁環(huán)境標準

機場的凈空及電磁環(huán)境標準按《軍用機場凈空規(guī)定》(國發(fā)[2001]29號)、《航空無線電導航臺站電磁環(huán)境要求》(GB6364—86)及《VHF/UHF航空無線電通信臺站電磁環(huán)境要求》(GJBz20093—1992)中的規(guī)定執(zhí)行，其中中波導航臺與電氣化鐵路的允許距離是150 m，對各種有源干擾的防護率為15 dB。

2 城際鐵路對新鄭機場近距導航臺的影響分析

2.1 鐵路與新鄭機場的相對關系

以鄭機城際鐵路為例，根據(jù)城際鐵路與鄭州新鄭機場的相對位置關系，城際鐵路距離機場跑道在1.5 km以外，因此，判斷主要受鄭機鐵路干擾的設施是新鄭機場規(guī)劃工程里第二和第三跑道的近距導航臺。根據(jù)調查新鄭機場的近距導航臺站由中波導航臺和指點信標臺兩種儀器組成。

如圖1所示，鄭機城際鐵路在DK35+000到DK35+850路基段處于機場下滑道左右15°以內的覆蓋區(qū)域內，并且與新鄭機場跑道延長軸線基本垂直。DK35+850以后鄭機線為隧道區(qū)段，則不存在與機場的電磁兼容問題。

圖1 鄭機線與近距導航臺位置關系

鐵路從兩近距導航臺的西側通過，第二跑道西近距導航臺與干擾源的最近距離為500 m。第三跑道西近距導航臺與干擾源最近距離為600 m。選擇更容易受干擾的第二跑道西近距導航臺為例。

2.2 城際鐵路所產(chǎn)生的干擾分析

城際鐵路對機場的干撓影響主要有無源干擾和有源干擾兩部分。

2.2.1 城際鐵路產(chǎn)生的無源干擾

產(chǎn)生的無源干擾主要指線路、接觸網(wǎng)、支撐塔架、列車等金屬導體的反射，它們可能對飛機及機場設備產(chǎn)生強噪聲影響，引起設備失靈，或者掃描航道的抖動、彎曲、偏移等。

2.2.2 城際鐵路產(chǎn)生的有源干擾

有源干擾分為固定干擾源和流動干擾源，固定干擾源包括線路放電和電化所亭中的強電設備；流動干擾源包括機車內部設備和列車在行進過程中受電弓與接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生的電火花及線路的放電干擾。

固定干擾源中，電化所亭中的強電設備并不會造成嚴重的干擾，線路放電屬于線路故障，發(fā)現(xiàn)后經(jīng)過處理，是可以排除的。而且鄭機線在此區(qū)段內并沒有設置電化所亭等強電設施。

流動干擾源中，電力機車內部設施產(chǎn)生的干擾由于受到機車金屬殼體的屏蔽，或者受到機車內部電力配線及輔助電路上阻抗衰減和旁路功能，致使基本對外界不產(chǎn)生干擾，所以主要干擾源來自受電弓在接觸網(wǎng)的導線上滑動離線所產(chǎn)生的電火花、噪聲和諧波。它不僅是電氣化鐵路電磁干擾的最嚴重的根源，也是影響干擾強弱因素的主要干擾源。

2.2.3 干擾分析

根據(jù)現(xiàn)狀分析，鄭機線位距離近距導航臺500 m，電氣化鐵路所產(chǎn)生的放電和感應電勢無法通過介質傳導過去，所以不考慮傳導干擾，只考慮電氣化鐵路產(chǎn)生的輻射干擾對機載和機場設施的影響。

3 城際鐵路對中波導航臺的影響分析

3.1 無源干擾

航空無線電導航臺站的準確性主要取決于電磁波場型內環(huán)境的好壞。根據(jù)規(guī)范，新鄭機場的近、遠距導航臺距鄭機電氣化鐵路均遠遠大于150 m，符合機場場地要求[3]，即電氣化鐵道對導航臺不構成無源干擾。

3.2 有源干擾

中波導航臺是發(fā)射垂直極化波的無方向性發(fā)射臺，機載無線電羅盤接收中波導航臺發(fā)射的無線電信號，測定飛機與中波導航臺的相對方位角，用以引導飛機沿預定航線飛行和進行著陸。近距導航臺只完成導航臺以外空間上的導航任務，飛機飛過近距導航臺后，導航臺不再起作用，所以有源干擾只考慮飛機在近距導航臺以外的航道上所承受的輻射干擾，如圖2所示。

圖2 鄭機線與近距導航臺位置關系(單位：m)

根據(jù)分析，飛機飛過電氣化鐵路接觸網(wǎng)的正上空，并此刻有電力機車通過時，受到的輻射干擾影響最大，以下按最壞的情況考慮，對圖2中A點的信噪比進行計算分析，然后與規(guī)范中的防護率要求相比較，即可得知是否滿足規(guī)范要求。下面就近距導航臺分別以實際發(fā)射功率100 W及有效輻射功率為1 W時2種情況進行分析。

3.2.1 發(fā)射功率為100 W時的輻射干擾分析

當新鄭機場近距導航臺發(fā)射功率為100 W，適用于長波、中波和短波的場強計算公式[4]

Es=77.78+10lgPt-20lgds

將Pt=100 W，ds=0.5 km 代入，在鐵路正上方的信號場強近似為

Es=103.8 dBμV/m

根據(jù)原鐵道部、空軍聯(lián)合試驗組針對80 km/h車速所做的試驗[4]，得出的無線電干擾特性公式，當f<30 MHz時距鐵路10 m處，干擾場強的頻率特性為

E10=53.24-14.81lgf(dBμV/m)(1)

由于鄭機城際鐵路最高速度為200 km/h，速度較試驗[4]提高了120 km/h，依據(jù)日本實測數(shù)據(jù)， 速度每增加10 km/h電磁輻射增加0.4～0.6 dB，基本在0.5 dB左右。

另外，電火花也是電氣化鐵路所產(chǎn)生的主要電磁干擾，但現(xiàn)階段接觸網(wǎng)設計都采用高標準的設備及高張力、彈性均勻懸掛方式，使得弓網(wǎng)系統(tǒng)處于較為平穩(wěn)的工作狀態(tài)，離線率低于4%，技術和產(chǎn)品要遠遠優(yōu)于過去的電氣化鐵路。因此本次計算按速度每增加10 km/h電磁輻射強度增加0.5 dB考慮，即頻率特性為

E10=53.24+12×0.5-14.81lgf(dBμV/m)

取中波頻率f=0.7 MHz時，E10=61.5 dBμV/m

中波段電波以地波方式傳播，由于重點考慮干擾向上部空間傳播，因此傳播衰減按自由空間傳播模式計算[4]，即

En=E10-20lg(h/10)(2)

其中：h為離干擾源的高度，可按飛機沿近、遠距導航臺進場著陸時的下滑線計算。

根據(jù)GB6364—86附錄B第B.3條規(guī)定：飛機進場著陸時，飛機在近距導航臺上空的最低高度為60 m，下劃線與地面夾角約為2.67°，則

h=500·tan2.67°+60-17=

(23.32+60-17) m=66.32 m

代入式(2)中，算得

En=45.07 dBμV/m

信噪比：Es-En=58.73 dBμV/m

Es-En>15 dB

即信噪比遠遠大于國標GB6364—86中的防護率15 dB。因此電氣化鐵道不會對機場近距導航臺及機載設施產(chǎn)生輻射干擾影響。

3.2.2 有效輻射功率為1 W時的輻射干擾分析

當近距導航臺的有效輻射功率為1 W時，其在鐵路正上方的信號場強近似為：Es=77.8-20lgds，將ds=0.5 km代入，則

Es=83.8 dBμV/m

上述計算已得En=45.07 dBμV/m

信噪比：Es-En=38.73 dBμV/m

Es-En>15 dB

當近距導航臺的有效輻射功率為1 W時，信噪比仍大于規(guī)范要求的15 dB，則電氣化鐵路所產(chǎn)生的輻射干擾滿足近距導航臺的防護率要求。

關于遠距導航臺電磁環(huán)境的分析也類似，因為距離鐵路更遠，電氣化鐵道對其工作更不會產(chǎn)生干擾影響。

4 城際鐵路對指點信標臺的電磁影響分析

4.1 無源干擾

根據(jù)國家標準要求，指點信標臺的保護區(qū)范圍，要求不得有超出以地網(wǎng)或者天線陣最低單元為基準、垂直張角為20°的障礙物[3]。鄭機城際鐵路遠在指點信標臺的保護區(qū)范圍以外，因此判定電氣化鐵路對指點信標臺不存在無源干擾影響。

4.2 有源干擾

根據(jù)國家標準要求，指點信標臺覆蓋區(qū)內最低信號強度為64 dB，對有源干擾的防護率為23 dB[3]。

有源干擾影響計算：新鄭機場第二跑道的指點信標臺距離鄭機城際鐵路最近為500 m。飛機飛過指點信標臺的高度約為60 m，當飛機飛過指點信標臺覆蓋區(qū)域后，則該臺不再起作用。結合指點信標臺的工作目的和特性分析，與中波導航臺不同，電氣化鐵路對指點信標臺的干擾應計算飛機在指點信標臺正上空B點受到的干擾強度，如圖2所示。

選擇適用于頻率在30 MHz以上的信號強度公式

Ex=81.46-10.46lgf-20lgd

B點與鐵路距離：d=(5002+602)0.5=503.59 m

計算條件：信標臺工作頻率f=75 MHz，B點與鐵路距離d=503.59 m。

計算出在鐵路正上空時產(chǎn)生的信號強度應為Ex=7.81 dBμV/m。

根據(jù)信噪比定義：Es-Ex=64-7.81=56.19>23 dB

假設指點信標臺輸出信號為最低強度64 dB，可算出近距導航臺位置的指點信標臺上空計算點的信噪比等于56.19 dB，遠大于防護率要求的23 dB，則城際鐵路產(chǎn)生的輻射干擾滿足指點信標臺的防護率要求。

5 電磁兼容改善方案及措施

電磁兼容作為電氣化鐵路的一個重要的質量指標，在其規(guī)劃和設計階段就必須予以充分考慮，根據(jù)我國電磁兼容標準的2個方面考慮[1](電磁干擾和電磁敏感性)，則解決電磁兼容問題，需從這2個方面入手。

第一，從電路技術上，即降低導航臺站的電磁敏感度，更換高標準的導航臺設備。第二，從防護措施上，采用一些限制作用的器材，例如避雷器、火花間隙器、壓敏元器件來限制干擾，或者采用抑制作用的方式，例如增設濾波器、鐵軌的接地以及架設具備屏蔽金屬網(wǎng)的明洞土建設施(屏蔽金屬網(wǎng)針對干擾源的波段不同，穿透力不同以及吸收度不同，則網(wǎng)孔大小及材質也不同，需根據(jù)具體情況進行計算和試驗來確定。)，削弱和隔離耦合通道，從而減少干擾影響。

6 結語

隨著我國高速鐵路的不斷增多，電磁兼容問題已逐漸明顯和突出，為了提高電氣化鐵路的電磁兼容水平，在設計階段必須根據(jù)相關標準，對電氣鐵路可能產(chǎn)生的各種影響進行計算和分析，以及盡可能進行的建模仿真和試驗，在實施階段也要嚴格根據(jù)相關國家規(guī)范執(zhí)行。只有徹底解決鐵路與內部設施、外界設施或者自然環(huán)境因素之間電磁兼容問題，才能提高鐵路機電系統(tǒng)可靠性，確保鐵路行車安全。

[1] 周莉.電氣化鐵路的電磁兼容(EMC)問題[C]∥廣西：柳州鐵道職業(yè)技術學院機電工程系論文集，廣西：2009．

[2] 高彼綱.電磁兼容技術的若干新進展[J].信息與電磁兼容，2000(2):21．

[3] 中華人民共和國國家標準.GB6364—86 航空無線電導航臺站電磁環(huán)境要求[S].

[4] 鐵道部工程設計鑒定中心.通信線路及其他設施電磁干擾防護工程設計指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.