弓網(wǎng)電弧對機(jī)場終端全向信標(biāo)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(shí)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(jī)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(jī)場導(dǎo)航系統(tǒng)中的甚高頻全向信標(biāo)系統(tǒng)(Very high frequency omnidirectional range，VOR)電磁環(huán)境是影響飛機(jī)進(jìn)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(jī)場終端全向信標(biāo)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(jìn)行了大量的研究：文獻(xiàn)[5—7]分析研究了弓網(wǎng)電弧具體的形成過程；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了1套弓網(wǎng)電弧電磁噪聲試驗(yàn)系統(tǒng)，采取實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方式研究弓網(wǎng)電弧輻射噪聲特性；文獻(xiàn)[9]分析了動(dòng)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(dòng)車組弓網(wǎng)離線放電電磁干擾源模型；文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(hù)以及電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行討論[13]，盡管關(guān)于軌道交通對機(jī)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(diǎn)3個(gè)高速電氣化鐵路典型位置，通過實(shí)測對弓網(wǎng)離線電弧在TVOR工作頻段內(nèi)的輻射特性進(jìn)行分析，并以某典型的鐵路線垂直穿越機(jī)場跑道為例，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)給出電磁兼容分析，為電氣化鐵路的選線和機(jī)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(jī)沿預(yù)定航路飛行、進(jìn)近和離場的導(dǎo)航系統(tǒng)。它由2個(gè)分系統(tǒng)組成，即TVOR和航路全向信標(biāo)臺，每個(gè)分系統(tǒng)由地面發(fā)射設(shè)備和機(jī)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(jī)著陸進(jìn)行引導(dǎo)。

為保障TVOR的正常運(yùn)行，引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近、著陸和離場，TVOR設(shè)備的防護(hù)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(jī)發(fā)射導(dǎo)航信號的電場強(qiáng)度；En為飛機(jī)接收到的同頻騷擾信號的電場強(qiáng)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(biāo)臺信號覆蓋區(qū)域內(nèi)對各類有源干擾的防護(hù)率要求，其中針對弓網(wǎng)離線電弧此類有源干擾的防護(hù)率要求為20 dB。

根據(jù)文獻(xiàn)[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(diǎn)選取

由于弓網(wǎng)電弧是隨機(jī)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(yùn)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(dòng)車組在運(yùn)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(diǎn)[19-21]，具體見表2。

表2　弓網(wǎng)電弧典型位置

選取成達(dá)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(jī)和天線對TVOR工作頻段進(jìn)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(dòng)車組、同一運(yùn)行線路的同一運(yùn)行方向、相對接近的車速，分別對3個(gè)典型位置進(jìn)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(shí)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(shí)際距離為

(2)

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

表3　測試天線與接觸網(wǎng)的實(shí)際距離　m

2.2　測試參數(shù)設(shè)置

測試采用點(diǎn)頻測試，測試儀器技術(shù)指標(biāo)見表4。

表4　測試儀器技術(shù)指標(biāo)

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(gè)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(zhǔn)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(shí)采用這3種檢波方式。接收機(jī)參數(shù)設(shè)置見表5。

表5　接收機(jī)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(shí)的弓網(wǎng)電弧進(jìn)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(shí)頻譜測試曲線。

圖3　背景及來車時(shí)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(qiáng)；由于電弧拉弧持續(xù)時(shí)間很短，即便在拉弧時(shí)間最長的電分相處，弓網(wǎng)電弧放電持續(xù)時(shí)間也只有300 ms左右，因此分配到具體頻點(diǎn)上的測試時(shí)間很短。

距離弓網(wǎng)電弧10 m處的電場強(qiáng)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(jī)性，在選取接收機(jī)進(jìn)行點(diǎn)頻測試時(shí)為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shí)際測試時(shí)，無論在電分相、錨段關(guān)節(jié)還是普通點(diǎn)處，均進(jìn)行了10趟次來車的測試，考慮最嚴(yán)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(diǎn)3個(gè)典型位置處的實(shí)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(qiáng)度的10 m法值和實(shí)測值；n為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取1.2。

根據(jù)式(4)和實(shí)測結(jié)果，得到背景環(huán)境和110 MHz典型測試頻率處電場強(qiáng)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(diǎn)，對比背景測試曲線，來車時(shí)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)處大，峰值檢波方式下電分相處的電強(qiáng)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(diǎn)處最大相差89.4-62.6=26.8 dB；準(zhǔn)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(diǎn)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(diǎn)處最大相差53.4-28.6=24.8 dB?？梢?，無論是峰值、準(zhǔn)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(diǎn)的大，均大于20 dB左右。

(3)接收機(jī)每隔50 ms刷新1次測試數(shù)據(jù)，每次來車測試時(shí)間為10 s左右，故接收機(jī)的1次來車測試能夠讀取200個(gè)左右的數(shù)據(jù)。由于電弧放電的隨機(jī)特性，即本次拉弧和下次拉弧在該頻點(diǎn)的能量是不同的?？紤]最嚴(yán)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(jī)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(diǎn)和飛機(jī)連線的夾角；θ2為飛機(jī)和TVOR連線與電分相拉弧點(diǎn)和TVOR連線的夾角，d0為TVOR與電分相處拉弧點(diǎn)之間的距離；ds為TVOR與飛機(jī)之間的距離；dn為飛機(jī)與電分相處拉弧點(diǎn)之間的距離；β為鐵路線路與機(jī)場跑道之間的夾角。

圖4　鐵路線路與機(jī)場跑道布局示意圖

則在與TVOR相距ds米處某點(diǎn)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(diǎn)dn處的騷擾場強(qiáng)，即飛機(jī)接收到的同頻騷擾信號的電場強(qiáng)度。

根據(jù)鐵路線路與機(jī)場跑道的幾何關(guān)系有

(8)

由式(1)可知Es-En取值最小時(shí)弓網(wǎng)電弧對TVOR的電磁騷擾最強(qiáng)，由式(7)可知Es-En最小時(shí)sinθ2/sin(π-θ1-θ2)的取值也最小，此時(shí)θ2取最小值，則θ1+θ2=π/2。又由于鐵路線路垂直下穿飛機(jī)跑道，因此弓網(wǎng)電弧電磁輻射最大位置為圖4中交叉點(diǎn)垂直向上延線與飛機(jī)下滑道的交點(diǎn)。依據(jù)實(shí)測可知，TVOR距機(jī)場跑道與鐵路線路交叉點(diǎn)的距離為4 000 m，飛機(jī)著陸點(diǎn)距交叉點(diǎn)的距離為1 020 m，飛機(jī)下滑道角度θ為3°，雖然弓網(wǎng)電弧發(fā)生位置和TVOR信標(biāo)臺都距地面有一定高度，但是由于二者之間距離很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)大于二者與地面飛機(jī)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(jī)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(diǎn)處Es-En與拉弧點(diǎn)到交叉點(diǎn)距離的關(guān)系，如圖5所示。

圖5　Es-En與拉弧點(diǎn)到交叉點(diǎn)距離的關(guān)系

從圖5可以看出：錨段關(guān)節(jié)和普通點(diǎn)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(diǎn)到交叉點(diǎn)距離為236 m時(shí)，電分相處弓網(wǎng)電弧對TVOR的干擾剛好達(dá)到GB 6364—2013的防護(hù)率要求；當(dāng)電分相處拉弧點(diǎn)到交叉點(diǎn)距離為0 m時(shí)，弓網(wǎng)電弧對TVOR的騷擾最大，此時(shí)Es-En為6.9 dB, 不滿足TVOR防護(hù)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(qiáng)度較普通點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)位于軌道和機(jī)場跑道交叉點(diǎn)處，仍能夠滿足防護(hù)率的要求。

(3) 當(dāng)電氣化軌道電分相處的拉弧點(diǎn)距鐵路線路與機(jī)場跑道交叉點(diǎn)的距離小于236 m時(shí)，弓網(wǎng)電弧的電磁輻射將對TVOR產(chǎn)生騷擾；當(dāng)拉弧點(diǎn)位于該交叉點(diǎn)時(shí)電磁騷擾最嚴(yán)重。本文研究結(jié)果能夠?yàn)檐壍离姎饣兔裼煤娇者@兩大工業(yè)體系在機(jī)場區(qū)域的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

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