西江牽引變電所電磁輻射研究

曾小虎 馬洪 皮從之 楊鵬 閻順 袁紹華 石建峰 張育明 馬林 龐淑萍

(1. 華中科技大學電子信息與通信學院,武漢 430074;2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司電化處,武漢 430063; 3. 武漢瑞天波譜信息技術有限公司,武漢 430075)

引 言

近年來,隨著電氣化鐵路的高速發展,牽引變電所數量持續增加,對變電所周邊環境的電磁影響越來越明顯．牽引變電所工作時,所內的主變壓器、變流器、導線、母線等電子設備會向周圍環境中輻射電磁波,從而產生電磁干擾[1]．近年來,諸多學者針對牽引變電所的電磁輻射(electromagnetic radiation,EMR)進行了很多相關研究．Hammi T,Baranowski S和Deniau V在時域范圍對牽引變電所的電磁干擾進行了分析[2]．Ouaddi H, Baranowski S和Nottet G對牽引變電所的主變壓器在高頻率范圍(40 Hz～30 MHz)工作的特性利用等效電路進行模擬,并進行電磁兼容(electromagnetic compatibility,EMC)分析[3]．Baranowski S,Ouaddi H和Deniau V對低于2.5 MHz的鐵路電力供應線的輻射發射進行了研究[4]．但是由于受到變電所周邊地理環境、電磁環境等因素的影響,迄今尚無牽引變電所電磁輻射的實測結果[5-6]．

本文對漢宜鐵路線上西江牽引變電所的EMR進行了實地測量．針對高壓輸電線可能帶來的影響,提出一種測量牽引變電所電磁輻射的新方案——“沿對角線延長線”方案,測試結果可以說明該方案的正確性和可行性．本文也可為鐵路沿線牽引變電所的電磁輻射、電磁污染鑒定評估提供基礎數據和技術參考,促進牽引變電所的科學選址及電氣化鐵路的持續發展．

1 測試依據及內容

西江牽引變電所位于湖北省漢川市西江鎮,四周除了麥田和一條縣道,基本無各類電磁干擾設施,適合進行電磁輻射測量．

西江變電所的點位分布,如圖1所示．將變電所看成方位中心,在圍墻的中心線及圍墻拐角點處布點,布點依據10 m、20 m、40 m…取倍距程布點,其中南北方位測至80 m,“沿高壓線進線”和“沿對角線延長線”方案測至160 m處,以變電所負載至少為額定負載30%時間作為記錄時刻,在各位置對特定頻點進行準峰值測量．

圖1 西江變電所測量點位分布Fig.1 Distribution of measurement points at Xijiang substation

1.1 測試依據

1.1.1 電磁輻射標準

依據GB/T 24338.2-2011/IEC 62236-2: 2003《軌道交通電磁兼容第2部分:整個軌道交通系統對外界的發射》中的規定,在9 kHz～30 MHz頻率區間內使用磁場強度作為參考值,在30 MHz～1 GHz頻率區間內使用電場強度作為參考值．國家標準中牽引變電所的發射限值如圖2所示,曲線上各點均是準峰值數值．

圖2 牽引變電所的發射限值Fig.2 Emission limit of traction substation

1.1.2 電磁環境控制限值標準

依據GB 8702-2014《電磁環境控制限值》,環境中電場、磁場、電磁場場量參數的均方根值應滿足表1.

表1 公眾暴露控制限值Tab.1 Public exposure control limits

注:頻率f的單位為所在行中第一欄的單位

根據表1中公式可以計算,工頻(即0.05 kHz)電場強度限值為4 kV·m-1,磁場強度限值為80 A·m-1,磁感應強度限值為100 μT．

1.2 測試儀器

測試儀器依據 GB/T 24338.2-2011/IEC 62236-2: 2003《軌道交通電磁兼容第2部分:整個軌道交通系統對外界的發射》中的規定,同時考慮測量精度儀器的便攜性,最終確定測試儀器為安諾尼NF-5035電磁輻射分析儀、Keysight N9030A PXA 信號分析儀、環形天線DS18001和雙錐天線TN341．

測量過程中,需將信號分析儀上顯示的功率譜密度轉換為電場強度、磁場強度,轉換公式如下:

|E| =80+20lgf+Pr-Gr

=107+20lgK+Pr.

(1)

式中:|·|表示取電場大小,單位為dBμV·m-1;Pr是信號分析儀上顯示的功率譜密度;Gr是接收天線增益;K表示接收天線的天線因子,其中天線因子與其增益的關系為

20lgK=-27+20lgf-Gr.

(2)

磁場強度與天線因子的轉換如公式(3):

|H|(dBμV·m-1)=55.47+20lgK+Pr.

(3)

1.3 測試內容

牽引變電所的電磁輻射具體測試內容分為以下三個部分．

1) 工頻電、磁場測量:記錄變電所負載至少為額定負載30%時工頻電場強度和工頻磁感應強度的準峰值數值．

2) 無線電干擾測量:記錄9 kHz～0.15 MHz、0.15 MHz～30 MHz、30 MHz～300 MHz和300 MHz～ 1 GH區間的峰值檢波掃頻功率譜,并在每段頻率范圍內選取3個特定頻點,記錄變電所負載至少為額定負載30%時這些頻點的場強值．

3) 橫向衰減特性測量:距離牽引變電所圍墻外10 m、20 m、40 m、80 m、160 m位置處,分析特定頻點的距離衰減特性．

表2 擬進行準峰值測量的特定頻點Tab.2 Specific frequency points for quasi-peak measurement

在電磁輻射測量過程中,本文提出了一種“沿對角線延長線”的新方案,該方案以牽引變電所作為方位中心,將電、磁場測量點分布于圍墻對角線的延伸線上進行EMR測量,并將“沿對角線延長線”方案與“沿高壓線進線”方案的無線電干擾和距離衰減結果進行比較．測量過程中各測量點EMR測量時刻與牽引變電所內主變壓器負荷電流大小相對應,“背景測試”在凌晨列車停運后進行．

牽引變電所對外輻射的電磁波可近似看成平面波,且為垂直極化．根據天線接收理論,可采用環形天線接收磁場[7-8]．當采用“沿對角線延長線”方案時,環形天線位于對角線延伸線上(環面與主變壓器之間并非平行),環面與磁場方向之間存在一定夾角,在接收磁場過程中會產生一定的極化損失[9-10],導致最終測量的磁場強度值偏小．

2 測試結果

2.1 工頻測試結果

工頻場測試結果如表3所示．在所有測量點處的工頻電場強度均小于4 kV·m-1,磁感應強度均小于100 μT,測量值還不及上述限值十分之一,說明牽引變電所工頻場電磁輻射值相對于公眾暴露控制限值來說很微弱,對變電所周邊居民及家用電器的輻射干擾很?。?/p>

表3 工頻測試結果Tab.3 Results of power frequency

2.2 無線電干擾測試結果

從表4無線電干擾的測試結果來看:大部分特定頻點處的電、磁場強度(準峰值)均小于牽引變電所的發射限值,但還存在少數電、磁場強度高于發射限值的頻點．由于這些超標頻點剛好位于周圍調頻廣播及移動基站的工作區間,在測量無線電干擾過程中,不可避免地混雜了周圍環境中的干擾信號,導致這些頻點的測量值大于變電所的發射限值．

西江牽引變電所的“背景測試”在列車停運后進行,包括東、南、北三個方位,測量地點位于圍墻中線且距離圍墻10 m處．由于晚上大氣不受陽光照射,電離層變薄,密度變小,導電性會變差,對電波的吸收作用也大大減弱,短波可以通過天波途徑傳送到更遠的地方,所以晚上廣播信號會更強．混雜了周圍“干擾”的廣播信號必然導致相同頻點“背景測試”的結果偏大．

限于篇幅,本文只給出距離主變壓器最近的東10 m和東北10 m點位峰值檢波模式下的頻率掃描結果和無線電干擾測量結果,如圖3和圖 4所示．從圖3中可以看出:除少數頻點外,大部分頻點的場強都位于發射限值以下．根據電磁輻射測量理論,峰值檢波結果必然大于準峰值結果,據此推斷大部分頻點的無線電干擾值(準峰值結果)必然都位于發射限值以下．圖4剛好印證了上述論斷,除少數超標頻點外,特定頻點的無線電干擾測量值,基本均小于發射限值．

(a) 東, 10 m(a) East, 10 m

(b) 東北, 10 m(b) Northeast, 10 m圖3 峰值檢波模式下頻率掃描結果Fig.3 Results of frequency scanning in peak detection mode

(a) 東, 10 m(a) East, 10 m

(b) 東北, 10 m(b) Northeast, 10 m圖4 無線電干擾測量結果Fig.4 Results of radio interference

表4 無線電干擾測試結果Tab.4 Results of radio interference

2.3 測量環境與系統

對比圖5(a)和圖6(a),采用“沿對角線延長線”方案測得的磁場強度(30 MHz以下的特定頻點)均小于“沿高壓線進線”方案．因為采用“沿對角線延長線”方案時,環形天線放置于圍墻對角線延長線上,變電所輻射出的電磁波的磁場方向與環形天線的環面之間存在夾角,導致環形天線在接收磁場時存在一定的極化損失,使磁場測量值均小于“沿高壓線進線”方案對應頻點．

各頻點電、磁場強度隨距離增加呈現明顯的衰減趨勢,距離圍墻80 m處電、磁場強度值比10 m處普遍小20 dB左右．在80 m到160 m范圍內,電、磁場強度變化很小,說明隨距離增加電磁輻射衰減趨于平緩,160 m處電、磁場強度值已基本接近160 m外周圍環境．

(a) 9 kHz～30 MHz(a) 9 kHz to 30 MHz

(b) 30 MHz～1 GHz(b) 30 MHz to 1 GHz圖5 “沿高壓線進線”方案下特定頻點的距離衰減特性Fig.5 Distance attenuation characteristic of specific frequency points under “along high-voltage line entry” scheme

(a) 9 kHz～30 MHz(a) 9 kHz to 30 MHz

(b) 30 MHz～1 GHz(b) 30 MHz to 1 GHz圖6 “沿角線延長線”方案下特定頻點的距離衰減特性Fig.6 Distance attenuation characteristic of specific frequency points under “along diagonal extension line” scheme

此外,“沿對角線延長線”方案與“沿高壓線進線”方案相比,隨距離增加場強衰減更明顯．“沿對角線延長線”方案在9 kHz～30 MHz區間內,特定頻點的倍距程衰減為5～8 dB;30 MHz～1 GHz區間內,特定頻點的倍距程衰減為3～7 dB．“沿高壓線進線”方案在9 kHz～30 MHz區間內,特定頻點的倍距程衰減為6～14 dB;30 MHz～1 GHz區間內,特定頻點的倍距程衰減為6～10 dB．在“沿對角線延長線”方案中,代表性頻點1 MHz的倍距程衰減約3 dB;在“沿高壓線進線”方案中,代表性頻點1 MHz的倍距程衰減約2.7 dB．

3 結 論

本文依據牽引變電所電磁輻射測量國家標準,對西江牽引變電所進行了電磁輻射測量．測量結果顯示:西江牽引變電所周圍環境中的工頻場強和無線電干擾均低于國家標準中的規定,符合人體健康標準．此外,牽引變電所周圍的場強隨距離增加呈現比較明顯的衰減趨勢．文中牽引變電所的電磁輻射的測量結果,未來有望對牽引變電所抗干擾設計選擇、變電所周邊遷改經費支付、規劃牽引變電所周邊安全區域等方面提供真實可信的實測數據和可靠有說服力的依據．由于本文主要是展現牽引變電所電磁輻射實測值與變電所發射限值之間的關系,并沒有深入研究牽引變電所不同方位的頻率衰減特性,未來可以進一步對牽引變電所的頻率衰減特性進行研究．