磁浮列車電弧輻射特性及對航向信標影響分析

朱 峰, 楊 嘯, 蔣倩倩, 王宇軒

(西南交通大學電氣工程學院, 四川 成都 611756)

0 引 言

在交通一體化不斷發展的背景下,作為新型城市軌道交通的選擇之一,磁浮交通與鐵路、機場等不同系統間會存在交叉現象。如長沙磁浮快線用以連接高鐵和黃花機場兩大交通樞紐。航向信標在飛機進近著陸的過程中提供對準跑道線的航向道引導信號,當磁浮線路與機場距離較近時,磁浮列車離線電弧電磁輻射可能對其產生干擾,影響飛機進近著陸的安全。因此,研究磁浮列車離線電弧輻射特性及其對機場航向信標的影響對航空系統安全運營具有重要意義。

國內外學者對軌道交通離線電弧的電磁干擾做了大量研究。文獻[7]在Simulink仿真軟件中建立了弓網離線放電電磁騷擾源仿真模型,研究了弓網離線放電騷擾源騷擾電壓與列車運行速度之間的關系。文獻[8]研究并建立了一種新型的弓網電弧檢測系統,相較于傳統設備具有高可靠性、低成本、對受電弓設備的非侵入性等優勢。文獻[9]對直流供電系統的受電弓電弧現象進行了實驗,分析供電電壓極性、受電弓與接觸網的相對運動(縱向)和受電弓的橫向滑動(之字形)等參數對直流牽引系統的影響。文獻[10]研究了實驗室環境中的受電弓電弧對鐵路廣播服務的影響。文獻[11]基于橫向吹弧和縱向吹弧理論,建立了弓網電弧的動態模型,分析了高速氣流場對弓網電弧耗散功率的影響。文獻[12]考慮了車速及拉弧長度對電弧橫向吹弧耗散功率的影響,對Cassie -Mayr串聯電弧模型進行了改進,分析了弓網離線時間及車速對電弧電壓和電流的影響。文獻[13]研究了不同拉弧位置弓網電弧輻射特性及對飛機導航的影響。文獻[14]分析了降弓時弓網離線電弧對列車速度傳感器的電磁干擾機理,并提出在速度傳感器的電纜屏蔽層上嵌套磁環以抑制干擾。

上述文獻研究內容集中在高速鐵路的弓網離線電弧,依靠仿真建模的方式分析電弧特性。磁浮列車通過電磁力實現列車和軌道間的無接觸的懸浮和導向,其供電電壓、驅動方式與高鐵相比有很大差異,而且列車在運行過程中,受現場環境、授流方式設計等因素的影響,仿真結果與實測數據間不可避免存在差異。目前，針對磁浮列車的電磁干擾,已有學者對其長定子鐵心片間短路故障,與輪軌交通系統電磁環境差異及對高鐵綜合調度移動通信系統(global system for mobile communications for railway, GSM-R)的電磁干擾等方面進行了研究,然而關于磁浮列車電弧與機場航向信標間的電磁干擾問題,相關的研究很少。本文結合文獻[22]的相關要求,在磁浮列車電弧現象發生較為頻繁的分段絕緣器處進行了現場測試。之后在電磁場仿真軟件FEKO中搭建了磁浮列車及軌道模型,結合現場測試數據,得到離線電弧在空間中的電場分布特性。在此基礎上,研究了磁浮線路與機場跑道間的保護間距。

1 電弧繞射模型

離線電弧輻射受磁浮軌道及車體的遮擋影響,其等效模型如圖1所示,主要繞射路徑為雙刃峰繞射①、②。車體及軌道中的鋼筋均屬良導體,電磁波通過時會產生很大的傳輸損耗,等效計算時可認為電弧輻射不能穿透這些模型。

圖1 電弧繞射等效模型Fig.1 Equivalent model of arc diffraction

圖1中模型的尺寸如下:=280 m、=375 m、=130 m、=234 m、=039 m、=075 m、=600 m。

文獻[23]針對ITU-R P.526建議書并結合Epstein-Peterson法給出了單刃峰、雙刃峰繞射的計算方法,其計算模型如圖2所示。

圖2 Epstein-Peterson法示意圖Fig.2 Schematic diagram of Epstein-Peterson method

圖2中，、、H和、、分別構成單刃峰繞射。以、、構成的單刃峰為例,其繞射損耗計算方法如下:

(1)

(2)

式中:為波長。

Epstein-Peterson法中,雙刃峰繞射損耗計算方法如下:

=++

(3)

式中:為、、間的單刃峰繞射損耗;為、、間的繞射損耗;為修正因子。其中：

(4)

結合式(1)～式(4),計算可得繞射路徑①和路徑②的繞射損耗1、2。電弧到接收點總的損耗系數為

(5)

式中:為繞射路徑不同引起的相位差,計算公式為

(6)

由式(5)可得航向信標頻段(1081～11195 MHz)內損耗系數與頻率間的關系,如圖3所示。

圖3 C與f間關系Fig.3 Relationship between C and f

由圖3可知,接收點位置處,離線電弧電磁輻射在航向信標頻段內的衰減值在33 dB左右,損耗系數隨頻率的增大而增大,可見磁浮軌道和車體對離線電弧遮擋作用明顯。實際測試環境中,測試點只能選擇在被遮擋區域,此時軌道和車體對電磁輻射影響很大,為把握磁浮離線電弧在遮擋和未遮擋區域的電場分布特性,本文在電磁場分析軟件FEKO中搭建磁浮模型,通過仿真得到其電場分布。

2 磁浮離線電弧測試

2.1 測試地點選取

磁浮車輛采用接觸軌系統為車輛提供動力,通過受流靴給車輛授流。本次測試所選磁浮線路的牽引供電系統額定電壓為DC 1 500 V,額定工作電流為DC 250 A。采用專設回流軌的方式回流。授流軌和回流軌采用側部安裝的方式,對稱分布于線路兩側,如圖4所示。

圖4 磁浮線路布局Fig.4 Maglev line layout

在磁浮接觸軌系統中,為提高各供電區供電的可靠性和靈活性,將供電線路設計為多個電分段組合,各分段之間通過分段絕緣器絕緣連接。受流靴經過分段絕緣器時,經歷從有電到無電再到有電的過程,相當于電路帶載打開、閉合,導致離線電弧的產生。實際運行環境中供電分區兩端電壓差過大、受流靴的磨損、分段絕緣器安裝和調節的不標準等因素都會加劇拉弧現象的發生,測試現場如圖5所示。

圖5 測試現場Fig.5 Test site

2.2 測試儀器

測試采取頻譜儀掃頻測試與接收機點頻測試相結合的方式。掃頻測試可獲得離線電弧在某一頻段內的電場數據,用于把握電弧在整個測試頻段的特征。點頻測試用于某個頻點的測試,相較于掃頻測試結果更為精確,用于具體的數據分析。測試儀器參數如表1所示。

表1 測試儀器型號及技術指標

根據MHT4046-2017的相關要求,頻譜儀的分辨率帶寬選取為10 kHz,采用峰值檢波方式。接收機的分辨率帶寬選取為120 kHz,采用峰值檢波,準峰值檢波和平均值檢波相結合的方式。在實際測試過程中,峰值檢波測得數值最大,分析時考慮到離線電弧電磁發射最嚴苛的情況,采用峰值檢波的數據。

2.3 測試數據

GB24338規定,在電力牽引系統的測試中,天線距離軌道中心線的距離優先選擇為10 m。若現場測試環境不能滿足要求,為便于數據間比較,可根據實際測試距離等效轉換為10 m法值，具體公式如下：

=+·20 lg(10)

(7)

式中:和分別為10 m法和距離線電弧處的場強值。在108～110 MHz頻段內,取1,在110～112 MHz頻段內,取12。此次測試點距離下行線路軌道外側分段絕緣器的距離為10 m。

表2給出了不同測試頻點的測試數據,表內數據均為10 m法換算后的數值。

表2 磁浮電弧輻射測試數據

圖6為航向信標工作頻段內的掃頻數據,3條曲線分別為背景場強值及上行、下行線路磁浮離線電弧的場強值。可以看出,兩條線路的測試結果均大于背景,說明磁浮列車經過分段絕緣器時對外產生了電磁發射,且下行線路的電磁發射強于上行線路,這是因為上行線路電弧受軌道及車體遮擋嚴重,造成電弧輻射信號衰減。

圖6 頻譜儀掃頻數據Fig.6 Sweep data of spectrometer

3 離線電弧電磁輻射特性

3.1 離線電弧電場分布特性

磁浮列車授流軌及回流軌采用側部安裝的方式,分段絕緣器處產生的電弧受軌道及車體的屏蔽作用,導致其在空間中的電場分布發生變化。實測中受限于測試環境,無法對現場各位置均進行測試。在這種情況下為得到離線電弧在空間中的電場分布,本文結合現場測試數據,在電磁仿真軟件FEKO中搭建了磁浮列車、軌道等模型,通過仿真獲取電場的分布特性。仿真模型如圖7所示。

圖7 磁浮系統模型Fig.7 Maglev system model

其中,磁浮列車由3節車廂組成,在授流軌和回流軌分段絕緣器處設置干擾源,干擾源Idl設置為1 Am,頻率設置為111 MHz。得到的離線電弧在平面內的電場分布如圖8所示。上行、下行線路離線電弧在測試點的場強值如圖9所示。

圖8 電場分布圖Fig.8 Electric field distribution map

圖9 測試點數據Fig.9 Data of test points

仿真結果中,上行、下行線路分段絕緣器處離線電弧產生的電磁輻射在測試點的場強值為33.7 dBV/m和51.0 dBV/m,差值為17.3 dB。由表2可知，現場測試結果中兩者相差15 dB。兩者差值不同的原因在于模型未完全考慮地面、空間環境等因素對電磁波傳播的影響。仿真的上下行電場強度之差與實測結果在3 dB以內,小于系統測量誤差,可以說明模型的準確性。在平面-135°方向、軸負方向、-45°方向及軸正方向(以軸正向為0°方向),上行和下行線路的電場強度如圖10所示。

圖10 上下行線路電弧在不同方向上場強變化Fig.10 Variation of electric intensity in different directions of up and down line arc

由圖10可知,在-135°方向、軸負方向,由于軌道及車體的屏蔽作用,下行線路的電弧輻射強度高于上行線路;在軸正方向距坐標原點20 m后兩線路輻射強度趨于一致;在-45°方向,下行線路輻射強度略強于上行線路。綜上可知,軌道及車體對輻射的屏蔽作用集中在-90°～-180°方向。而在實際環境中電弧對飛機的干擾主要在-90°～0°方向,在此方向上下行線路的離線電弧輻射強度相差很小。因此在考慮離線電弧對航向信標影響時,上下行線路離線電弧對航向信標的電磁干擾均不能忽視。

現場測試點的位置處于-135°方向,磁浮離線電弧對飛機的干擾區域在-45°方向。由圖11可知,-135°方向的電場強度略強于-45°方向。結合圖8中離線電弧的電場分布,可知測試點的場強數據能夠反映離線電弧對飛機的干擾情況。

圖11 -135°、-45°方向電場強度Fig.11 Electric intensity at -135° and -45°

3.2 離線電弧幅頻特性

離線電弧電磁干擾屬于瞬態脈沖干擾,干擾頻譜很寬,一般采用最小二乘的線性回歸方法研究離線電弧的幅頻特性。已有的研究中,最小二乘模型設定為

=+lg+

(8)

式中:為頻率;為電場強度;為截距;為回歸系數;為誤差。

利用式(8)對表2中的數據進行線性回歸,得到上行、下行數據的回歸表達式:

=8127-372 lg

(9)

=1 1713-5404 lg

(10)

圖12 場強與頻率的關系Fig.12 Relationship between field strength and frequency

4 離線電弧對航向信標影響分析

飛機在著陸過程中,接收到的航向信標信號強度是不斷變化的,離線電弧對其造成的影響與電弧發生的位置、飛機下降的高度、航向信標的防護率等因素有關。下面以磁浮線路下穿機場跑道及磁浮線路與機場跑道延長線平行兩種方案為例進行分析。

4.1 航向信標及防護率要求

航向信標臺是機場儀表著陸系統的重要組成部分,與機載接收機配合,為飛機的進近著陸提供航向道引導信息,其工作頻率為10810～11195 MHz。航向天線陣通常安裝在跑道進近方向的遠端,距離跑道出口300 m左右的位置,工作時在跑道中心線兩側發射兩束水平交叉的輻射波瓣,如圖13所示。跑道左邊輻射波瓣被90 Hz信號調幅,跑道右邊輻射波瓣被150 Hz信號調幅。當飛機偏左時,90 Hz信號強于150 Hz信號,偏離桿右偏。當飛機在航道上時,90 Hz信號等于150 Hz信號,偏離桿居中。當飛機偏右時,150 Hz信號強于90 Hz信號,偏離桿左偏。

圖13 航向臺偏離指示原理Fig.13 Principle of deviation indication for localizer

在不滿足目視著陸的復雜氣象條件下,駕駛員需依靠航向信標來獲取飛機對準跑道中心延長線航向道方位信息。航向信標設備性能的發揮及保障質量的高低,對飛機安全保障至關重要。GB 6364—2013《航空無線電臺(站)電磁環境要求》給出了航向信標臺信號覆蓋區內對來自鐵路干擾的防護率,如表3所示。

表3 航向信標臺相關參數

4.2 下穿方式下對航向信標的影響

如圖14所示,磁浮線路垂直下穿機場跑道連通機場其他位置航站樓。已知航向信標距離跑道末端的長度為300 m,機場跑道長度為3 600 m，為飛機的下滑角度,一般為3°。

圖14 磁浮線路下穿示意圖Fig.14 Schematic diagram of maglev underpass line

通過圖14的幾何關系,可得飛機著陸過程中與航向信標臺及電弧的距離、:

(11)

(12)

設航向信標臺的發射功率為,天線增益為,根據電磁波傳播原理,距航向信標臺處的功率譜面密度(W/m)為

(13)

=13477+10 lg+-20 lg

(14)

式中:為機載接收機接收到的航向信標信號強度。

由第32節可知,磁浮電弧在航向信標頻段內測得的最大干擾強度為7222 dBμV/m,考慮到離線電弧電磁輻射的隨機性,某些時刻其電磁干擾強度可能會更大,因此考慮10 dB的富裕度。飛機下滑過程中接收到的電弧輻射強度為

(15)

根據式(14)和式(15)可得飛機下滑過程中接收的航向信標的信噪比為

(16)

將表3數據代入式(16)可得下穿點距跑道不同距離下,飛機接收到的航向信標信噪比與飛機下降高度的關系。圖15為下穿點在跑道上時信噪比與飛機高度的關系。

圖15 下穿方式下信噪比與飛機高度的關系Fig.15 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude under undercutting mode

從圖15可以發現,即使在下穿點位于跑道上這種極限情況下,飛機在任意高度下接收到的信噪比均大于標準規定的20 dB,說明在此線路設計方案下,磁浮列車的離線電弧不會對機場的航向信標造成影響。

4.3 平行方式下對航向信標的影響

如圖16所示,磁浮線路與機場跑道延長線平行時,飛機在不同高度處,對航向信標影響最大的電弧點與飛機的距離為

(17)

圖16 磁浮線路示意圖Fig.16 Schematic diagram of maglev line

結合式(16)和式(17)可得磁浮線路與跑道延長線在不同垂直距離下,飛機接收到的航向信標信噪比與飛機高度的關系,如圖17所示。

圖17 信噪比與飛機高度的關系Fig.17 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude

由圖17可以看出,隨著飛機高度的增加,信噪比先下降后升高,在不同的距離下,最低點高度并不一致,的計算公式如下:

(18)

其中,

=7 800(1+cot)cot

(19)

=2(1+cot)[3 900-(1+cot)]

(20)

=-7 800(1+cot)cot

(21)

結合式(16)和式(18)可得信噪比隨距離的變化規律,如圖18所示。

圖18 信噪比隨距離d的變化Fig.18 Variation of signal to noise ratio with d

由圖18可以看出,隨著距離增大,信噪比逐漸升高。由式(16)計算可得,在=864時,信噪比為20 dB,滿足航向信標防護率要求。因此磁浮線路與機場跑道延長線的最小保護間距為864 m。

5 結 論

(1) 由磁浮離線電弧的電場分布特性可知,在對飛機造成干擾的-90°～0°方向上,上行、下行線路的離線電弧對航向信標干擾強度相差不大,因此上行、下行線路的分段絕緣器均需與機場保持安全間距。

(2) 對測試數據進行線性回歸分析可知,離線電弧在航向信標頻段內產生的電磁輻射強度隨頻率的增加呈下降的趨勢。

(3) 磁浮線路以下穿方式通過機場跑道時,飛機在任意下降高度下接收信號的信噪比均大于標準規定的20 dB,離線電弧對航向信標的干擾在允許值范圍內。

(4) 磁浮線路與跑道延長線平行時,分段絕緣器的位置與機場跑道延長線的垂直距離小于864 m時,離線電弧可能會干擾航向信標。