中低速磁浮列車電弧對機場塔臺甚高頻電磁干擾研究

朱峰，謝雨軒，翁文雯，李鑫，周超

中低速磁浮列車電弧對機場塔臺甚高頻電磁干擾研究

朱峰1，謝雨軒1，翁文雯1，李鑫1，周超2

(1.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2. 中國民用航空飛行學院 民航飛行技術與飛行安全重點實驗室，四川 廣漢 618307)

為了從實測與標準的比較上研究磁浮列車電弧對機場VHF(甚高頻)的影響，在國內某磁浮線路選取一些典型位置，采用點頻測試和峰值、準峰值、平均值的檢波方式在VHF的工作頻段內開展磁浮列車電弧的電磁輻射測試；在獲取標準10 m法處的電磁輻射特性后，結合GB/T 6364《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》和MH 4001.1中關于保護率的相關要求對其進行電磁兼容分析，得出保護距離與磁浮列車電弧輻射特性的關系。研究結果表明：當磁浮列車線路與機場跑道延長線的距離大于183 m時，該磁浮列車電弧輻射不會對VHF的正常工作造成干擾。本文的研究結果可為機場區域軌道交通化和磁浮列車的選址提供依據。

鐵路運輸；磁浮列車電弧；電磁輻射測試；VHF；電磁兼容

隨著我國城市軌道系統的不斷發展，各類交通工具都在向高速與環保的方向靠攏[1]，磁浮列車是介于鐵路與航空之間的一種新型非接觸式地面運輸工具，其作為一種更快速、更經濟、更環保的新型交通工具逐漸成為了人們注意的焦點。中低速磁浮列車的運行速度在100~200 km/h，通常適用于城市公共軌道交通系統，具有節能環保、環境友好、運行和維護成本低等優點[2]。中國在湖南長沙建立了首條中低速磁浮交通系統，在其高鐵南站至機場具有窗口作用的線位修建磁浮線路，將長沙高鐵南站和長沙黃花機場站兩大交通樞紐連接起來，實現了長沙兩大重要交通節點的“無縫銜接”。為乘客提供了安全、快捷、舒適的交通出行方式。機場通導設施作為電磁敏感設備易受到外界的干擾[2]，一旦受到干擾，將影響到空中和機場地面的交通安全。因此研究中低速磁浮軌道交通系統對機場塔臺甚高頻等通導設施的電磁影響，對于機場民航的安全運行具有重要的意義。針對中低速磁浮軌道交通系統的電磁干擾問題，國內外學者進行了大量的研究。魏波等[3]采取模擬測試的方法，通過分析試驗線測試數據，推導了高鐵GSM-R通信系統受中低速磁浮列車的電磁影響狀況。武巖[4]通過實測對磁浮列車在高速運行時對外的無線電干擾進行了初步的論證。羅茹丹等[5]對中低速磁浮列車間隙傳感器進行分析，在單磁鐵模塊模型的瞬態磁場仿真基礎上對間隙傳感器所處空間的電磁干擾展開了研究，并給出解決方案。Brecher等[6]現場實測的方式對TR08磁浮列車系統對外界潛在的環境影響作出了評估。由于在長沙建立的首條中低速磁浮系統可能對機場的導航運行產生影響，機場塔臺甚高頻(VHF)是目前民航地空通信最重要的手段，而VHF的抗干擾能力較低，因此需要測試和評估磁浮列車對VHF的電磁干擾影響。目前針對VHF的電磁干擾影響研究，大多是關于電子設備、電氣化鐵路等對VHF的電磁影響研究[7?10]。針對磁浮列車這類新型運輸方式對VHF的電磁影響研究較少，本文首先分析了VHF以及相應的電磁環境要求，接著通過現場實測的方式進行磁浮列車的電弧測試，并結合實測的相關數據給出對塔臺甚高頻電磁兼容的分析，為磁浮軌道交通系統的路線選取和機場的選址提供了依據。

1 VHF及電磁環境要求

VHF設備是地空通話設備，用于管制員指揮飛行員使用，對于民航通信起著至關重要的作用；VHF頻段為118~136.975 MHz，其設備的接收機靈敏度通常為?107 dBm，對外界電磁環境要求非常高。長沙磁懸浮工程距離機場雷達站394 m，站內配備有VHF等通導設備，該距離不滿足《民用航空通信導航監視臺(站)設置場地規范第2部分監視》(MH/T4003.2)中關于電氣化列車最小保護距離小于700 m的要求[11]。

由此可知，磁懸浮路線和磁浮機場站距離空管太近，無論運行和啟動狀態下的磁懸浮電磁噪聲以及磁懸浮車站對VHF信號的遮擋都不可忽視，且機場的通導設備對周圍空間電磁環境要求都非常高，這些設備一旦受到干擾，都將嚴重影響空中交通管理安全。因此進行長沙磁懸浮工程對機場電磁環境特別是對VHF塔臺影響的測試與評估是非常必要的。

根據GB/T 6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》及MH 4001《甚高頻地空通信地面設備通用規范》標準，VHF的相關電磁環境要求如表1所示。

表1 VHF電磁環境要求

2 磁浮列車電弧測試

電弧的產生是一個電場、磁場等多個物理場之間相互耦合變化的復雜過程，國內外學者針對弓網電弧展開了諸多研究[12?14]。其具有求解難度大、計算結果難以進行系統驗證等特點。因此本文直接對磁浮列車進行現場實測，以已經運營的長沙磁浮列車作為測試對象，對磁浮列車電弧干擾進行測試與評估。

磁浮列車的受流方式采用接觸軌受流，由于磁浮列車在正常狀態下車輛與軌道沒有直接接觸，因此磁浮列車與地鐵等不同，不能用鋼軌作為回流線，必須由2根相互獨立的接觸導線構成[15]。磁浮列車在正常運行時處于懸浮狀態，但在運行過程中容易發生輕微的抖動，電刷與供電軌的接觸狀態會隨磁浮列車運行狀態變化而發生不同程度的偏移擺動，在磁浮列車電刷與供電軌分離瞬間出現火花放電，產生拉弧現象，供電軌在此時成為一個輻射體，對外產生高頻電磁輻射。

2.1 測試儀器及測試地點選取

測試儀器采用了R & S公司的ESCI接收機，測試天線選用了R & S公司的雙錐天線HK116。在測試位置的選取上，嚴格按照GB6364—2013《航空無線電導航臺(站)電磁環境要求》和GB/T 24338—2011《軌道交通電磁兼容第2部分：整個軌道系統對外界的發射》(等同于IEC62236—2003)的要求進行選點，在此次測試中，測試點選在長沙磁浮?梨站至磁浮機場站之間的牽引變電所，距離磁浮機場站3 km，處于磁浮線路的15.5 km至15.6 km之間。現場布局示意圖如圖1所示。

圖1 現場布局示意圖

2.2 測試參數設置

經過現場測試分析可知，磁浮列車在經過測試點時候必發生拉弧現象，對外產生高頻電磁輻射，但電弧產生總的持續時間在350 ms左右。因此接收機的掃描時間不能設置過久，以免影響測試數據的準確度。故此次測試采用點頻測試，根據測試頻段信號的極化方式，測試天線采用垂直極化的方式，天線架設高度為1.5 m。測試儀器的技術指標見表2。

表2 測試儀器技術指標

至于檢波方式，GB/T 24338.2—2011中采用的是峰值檢波，而多數電子設備采用的是平均值或準峰值檢波。為了全面的分析磁浮列車拉弧時對外發射的高頻電磁輻射特性，測試中同時采用3種檢波方式。接收機的具體參數設置如表3所示。

表3 接收機參數設置

按照上述參數設置，在測試地點，針對測試頻點，當磁浮列車經過時，進行點頻測試。考慮到環境等因素的影響，在磁浮列車來之前，需要進行背景測試，便于進行數據的對比。在接收機分辨率選取上，嚴格執行GB/T 24338—2011中點頻讀取測試的規定，頻率范圍介于30~300 MHz時，RBW設置為120 kHz。

3 測試結果及數據分析

3.1 測試結果

在進行測試時，采用雙錐天線測量磁浮列車電弧輻射的場強值，電磁干擾接收機的讀數一般為電壓或功率，轉換為場強時需要進行單位變換，變換公式為：場強讀數=接收機電壓讀數+天線系數+線纜等衰減。在進行實際測試時，由于接收機在采用點頻測試的方法捕捉干擾信號時，一次只能檢測一個頻點，而在VHF的工作頻段118~136.975 MHz內，雖然頻率范圍較窄，但在頻率范圍內仍有無數個頻點。但可以從概率的角度考慮，磁浮列車在運行時，電刷與供電軌相互接觸產生電弧對外產生高頻電磁輻射，電弧放電的能量在窄帶的每一頻點上不可能存在大的差別[16]。因此在VHF的工作頻段內選取了幾個典型頻點進行點頻測試。

如圖1所示，實際測試距離為m，為了便于計算，根據GB/T 24338.2—2011中的規定需要將每個測試點獲得的實測數據利用式(1)將其換算為10 m處的場強：

式中：10和E分別為10 m法處和現場實際距離測得的電場強度；為轉換系數，在頻段30~110 MHz時，=1.2；在頻段110 MHz~1 GHz時，=1.0。

結合GB/T24338—2011中關于使用峰值檢波方法的相關規定，考慮到最嚴苛的情形，在后續進行電磁兼容預測分析中采用峰值檢波數據研究磁浮列車電弧對VHF的影響。使用ESCI接收機測得的m處VHF測試點數據后，利用公式(1)將其轉化為10 m法的測試點數據，如表4所示。

表4 磁浮列車電弧10 m處輻射測試數據

3.2 數據分析

分析表4的數據，可以看出：

1) 在VHF的工作頻段內，無論在哪個工作頻點上和檢波方式下，對比背景測試下的數據，來車時的測試數據表明磁浮列車產生的電弧存在明顯的電磁輻射。

2) 在VHF工作頻段內，測試結果最小10 m法數據是68.1 dBμV/m，在128 MHz頻點處。測試結果最大那次的10 m法數據達83.5 dBμV/m，在136 MHz頻點處。由于磁浮列車電弧放電的隨機特性，即磁浮列車在本次拉弧和下次拉弧時候在同一個頻點的能量不同。因此，考慮到電弧輻射的隨機性，在后續進行分析時均需考慮10 dB的富裕度。

3) 為了全面準確的分析電弧的輻射特性，測試中采用了3種檢波方式，檢波方式不同，測試得到的數值不同，采用峰值檢波時候的測試數值最大，采用平均值檢波時候測試得到的數值最小。但考慮到電弧放電的隨機特性，從最嚴苛的角度考慮，在后續分析時選擇采用峰值檢波數據研究中低速磁浮列車電弧對機場塔臺甚高頻的影響。

4 磁浮列車電弧電磁輻射對VHF的影響

圖2為某一典型的磁浮線路與機場跑道平行時的電磁兼容預測示意圖，此時需要進一步分析磁浮列車電弧作為干擾源時對機場VHF的影響。

圖2中，為飛機的下滑角，取值范圍2°~4°，通常取3°；1為機場VHF塔臺到飛機VHF接收機的距離；2為磁浮列車拉弧點與飛機飛行時投影地面間的距離；3為磁浮列車電弧到機載VHF接收機的距離；為飛機飛行時距地面的垂直高度；為磁浮軌道距地面的垂直高度。雖然磁浮列車距地面有一定距離，但相比于飛機飛行時的垂直高度以及機場VHF塔臺距飛機機載VHF接收機的距離都相差太大，因此在進行后續分析時可忽略磁浮列車本身距地面的高度。

圖2 電磁兼容預測示意圖

設VHF的發射功率為，W，天線增益為，dB，根據電波傳播理論。在自由空間中距VHF塔臺1m處功率譜面密度為：

在VHF的工作頻段內飛機接收到的電場信號強度與功率譜面對存在如下轉換關系：

考慮到單位轉換同時取對數可得有用信號 強度：

式中：E為飛機接收到機場VHF塔臺的信號強度，dBμV/m。在同頻段內，磁浮列車電弧距機載VHF接收機3m處的騷擾場強為：

而根據磁浮列車線路與機場下滑道的幾何關系可得：

代入可得：

由式(2)~(10)便可推出在滿足VHF防護率的前提下，磁浮列車高架應與機場跑道保持多遠的安全距離，才能避免磁浮列車電弧對VHF的正常運行產生干擾。

圖3 Es?En與拉弧點到機場跑道垂直距離的關系

對比表4的測試數據，磁浮列車經過測試點，來車時在136 MHz頻點處10 m法場強值達到83.5 dBμV/m，由于電弧輻射具有隨機性，數值可能會更大，故考慮10 dB富裕度，結合圖3所示，建議磁浮列車路段修建應距離機場跑道183 m外。

5 結論

1) 根據MH 4001.1-1995中VHF防護率15 dB 的要求，本例中磁浮列車電弧輻射最大在136 MHz處可達83.5 dBμV/m，考慮10 dB的富裕度，可能達到93.5 dBμV/m。但根據VHF防護率15 dB要求，結合現場實測數據進行進一步的分析。當磁浮列車拉弧點與機場跑道的垂直距離大于183 m時，即可滿足(E?E)＞15 dB的要求，不會對機場甚高頻通信造成干擾。

2) 采用電磁兼容現場測試與電磁兼容預測相結合的方法，可為磁浮列車與機場導航設施的電磁兼容研究提供實測數據支撐和理論依據，為磁浮列車的選線和機場選址的可行性提供一定基礎。

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Research of low-speed maglev train arc on electromagnetic disturbance of airport very high frequency

ZHU Feng1, XIE Yuxuan1, WENG Wenwen1, LI Xin1, ZHOU Chao2

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Flight Techniques and Flight Safety, CAAC, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

In order to study the effect of maglev train arc on airport very high frequency (VHF) from the comparison of actual measurements and standard, some typical positions were selected in one of domestic maglev line. Point tests as well as the detector mode of peak, quasi peak and average value were selected to carry out the electromagnetic radiation tests of maglev train arc in the working frequency of VHF. After acquiring the electromagnetic radiation characteristics of standard 10 m method, according to the requirement of GB/T 6364 and MH 4001.1 related protection rate, the electromagnetic compatibility of arc radiation was analyzed. The relationship between protection distance and radiation intensity of maglev arc was given. The result shows that when the distance between the maglev train line and the airport runway extension line is greater than 183 m, the arc radiation of maglev train will not interfere with the normal operation of the VHF. The results in paper can provide a basis for the location of the airport regional rail transit and maglev train lines.

railway transportation; maglev train arc; electromagnetic radiation test; VHF; electromagnetic compatibility

U237

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0750 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190417

2019?05?14

國家重點研發計劃資助項目(2018YFC0809500)

朱峰(1963?)，男，安徽阜陽人，教授，從事電磁理論、電磁兼容設計等方面的研究；E?mail：zhufeng@swjtu.cn

(編輯 蔣學東)