武廣高速鐵路軌旁電磁干擾實測及分析

李希煒，朱 峰

(西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

1 概述

電氣化鐵路快速發展的同時也存在諸多問題，其造成的電磁干擾便是其中之一。弓網離線電弧產生的電磁干擾是電氣化鐵路電磁干擾的主要成分之一。由于高速鐵路線路的不平順、列車運行速度變快等原因，這種電磁干擾在列車運行時普遍存在，對高速列車電子電力設備，通信設備都產生了影響，形成安全隱患［1-2］。因此，有必要對弓網離線電弧產生的電磁干擾進行研究。

目前已有很多關于弓網離線電弧電磁干擾的研究。文獻［3-4］采用統計的方法進行研究，文獻［5-6］利用仿真建模來模擬弓網電弧電磁影響，文獻［7-8］中的團隊在實驗室中搭建了弓網實驗平臺用以研究不同因素對弓網電弧的影響。但是大多未對目前速度大幅提升的高速鐵路進行實地測試研究。為此，在武廣高速鐵路電分相處進行實地測試，獲取弓網電弧電磁干擾的頻譜，研究其幅頻譜特性，為進一步評估弓網電弧電磁干擾對高速列車的影響提供依據。

2 測試設置

2.1 測試地點選取

弓網電弧是由于列車運行時，受電弓與接觸網在相對高速運動中分離而產生氣體放電現象［9］。其產生與接觸線不平順、接觸網振動、受電弓振動、軌道不平順等多方面因素相關［10，11］，為幾率性事件。因此，沿線測試時選擇一個穩定產生電弧的測試點非常重要。本次測試選擇地點為武廣高速鐵路咸寧段電分相處。這是由于在電分相處，高速列車將進行換相(車載過分相)，在接觸弓距離中性段100 m開外，通過地面傳感器實行預斷，再進一步實行主斷路器斷開，如圖1所示。盡管受電弓在換相過程中一直與接觸網保持接觸狀態，但是弓網的電接觸狀態發生了改變，從“有電”到“無電”，再從“無電”到“有電”，這種狀態轉換的過程中，發生過電壓現象［12］，必定產生電弧。因此選取電分相處進行沿線測試，可以盡可能多的采集數據。

圖1 列車過分相示意(單位:m)

2.2 測試現場布置

測試地點:在武廣高速鐵路群力變電所電分相處，距離軌中心15 m處，如圖2所示。結果將用GB/T 24338—2［13］中的規定轉換為10 m法標準值。

測試使用德國 R＆S公司的接收機(R＆SESCI3)，其掃描范圍為9 kHz～3 GHz，測試天線使用R＆S公司的雙錐天線HK116(測試頻率范圍30～300 MHz)及對數周期天線HL223(測試頻率范圍300 MHz～2 GHz)。天線采用垂直極化方式，如圖3所示。接收機使用頻譜掃描模式，檢波方式為峰值檢波，數據記錄為峰值保持模式。

圖2 測試現場布置(單位:m)

2.3 測試帶寬設置

在進行實地測試時，接收機的分辨率帶寬(RBW)非常關鍵，這個數值的大小關系到掃描時間的快慢和采集數據的準確與否。GB/T 24338—2推薦在測試頻率范圍為30～300 MHz及300 MHz～1 GHz時RBW都設置為120 kHz。

圖3 測試現場

在高速鐵路沿線實測之前，在實驗室對頻譜儀RBW與掃描時間及測試結果的關系進行了對比測試。表1為頻譜儀掃描時間的實驗結果。

表1 RBW與掃描時間關系

武廣高速鐵路平均速度達到了280 km/h，受電弓經過放電點的時間為300 ms左右。試驗結果顯示，如果按照GB/T 24338—2的推薦RBW進行設置，測試時間將大大超過受電弓通過無電區的時間，接收機將無法在列車通過時間內有效地捕捉干擾。

但是RBW的改變會使接收機采集到的數據變化，為了對比不同RBW之間的測試結果，在實驗室做了對比試驗。通過天線用接收機接收信號源發射的信號，設置不同的RBW進行掃描，對比獲得的數據。圖4為RBW設置為120 kHz時的測試結果，圖5為300 kHz時的結果，掃描頻率范圍都為30～300 MHz。可以看出，兩種帶寬測試的結果波形沒有差別，300 kHz下的測試結果與120 kHz的對比，底噪值的大小區別較為明顯，差別在10 dBμV左右;但是峰值則幾乎沒有差別，50 MHz處的信號峰值測試結果都為90 dBμV。圖6，圖7為300 MHz～1 GHz頻段，RBW為120 kHz及1 MHz時的對比結果，底噪相差10 dBμV，400 MHz處的信號峰值測試結果都為94 dBμV，600 MHz處的信號峰值測試結果都為84 dBμV，結果與30～300 MHz時的情況相同。

由于實地測試時，車速快，時間短，弓網電弧產生的電磁干擾瞬發且無規律，并且本次測試目標是獲得干擾的最大值，所以接收機RBW的設置使用300 kHz(30～300 MHz)、1 MHz(300 MHz～1 GHz)。

圖4 30～300 MHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測試結果

圖5 30～300 MHz，RBW=300 kHz電磁噪聲測試結果

圖6 300 MHz～1 GHz，RBW=120 kHz電磁噪聲測試結果

圖7 300 MHz～1 GHz，RBW=1 MHz電磁噪聲測試結果

測試時將首先采集背景頻譜信號，在列車經過時采集離線電弧電磁干擾頻譜。一個頻段的測試重復多次，以求獲得電磁干擾的普遍特性。

3 測試結果與分析

在30～300 MHz這個頻段，干擾普遍存在，但在30～200 MHz較為密集，多次測試結果顯示每次每個頻點都有干擾出現;而在200～300 MHz較為稀疏，一些頻點的干擾在一次測試中出現了，且幅度較大，而在下一次測試中則沒有(或者幅值較小)，這一段的電磁干擾的出現具有偶發性。此外，30～100 MHz的干擾普遍較強，最大的幅值達到了86 dBμV，而100～300 MHz的干擾幅值普遍在50～60 dBμV之間。如圖8所示。

圖8 30～300 MHz典型頻譜

在300 MHz～1 GHz，在876～880 MHz和921～925 MHz有持續的尖峰出現，幅值最高達到了100 dBμV，這個強烈的信號是GSM－R通訊信號。而在300～400 MHz，電磁干擾頻繁出現，幅值在55～70 dBμV。在多次測試的結果之中，僅有一次在400～600 MHz出現了強烈的干擾，幅值在60～68 dBμV。根據這個結果，對這個頻段進行了多次的測試，但再未出現類似的干擾。

針對300～400 MHz這個干擾的高發頻段進行了多次測試。結果顯示，在這個頻段，雖然干擾普遍存在，電磁干擾出現的頻點及其幅值偶發性都極強。如圖9及圖10顯示，在一次測試中，干擾集中在300～350 MHz且幅值較大，而在下一次測試中，300～350 MHz的干擾幅值較小，350～400 MHz出現了幅值較大的干擾。在300～400 MHz這個頻段，干擾幅值最大達到了68 dBμV，但是并未出現在固定頻點。

圖9 300～400 MHz典型頻譜(一)

圖10 300～400 MHz典型頻譜(二)

4 結論

本文研究了接收機RBW對測試結果的影響，獲得了最適宜現場測試的RBW設置數值，即30～300 MHz設置為300 kHz，300 MHz～1 GHz設置為1 MHz。通過實地測試，獲得了干擾的頻譜數據，對數據進行分析，對弓網離線電弧的電磁干擾獲得了以下3點結論。

(1)弓網離線電弧電磁干擾，其分布頻率主要在30 ～400 MHz。

(2)在30～200 MHz，干擾是一直存在的，且在30～100 MHz干擾較強。

(3)在200～400 MHz，干擾出現的頻率及幅值具有偶發性。

這些認識可以為進一步評估弓網電弧電磁干擾對高速列車的影響提供依據。

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