CRH3型動車軌道旁電磁干擾測試＊

趙人杰 朱 峰 徐常偉

（1.天津地下鐵道集團有限公司，300050，天津；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

列車受電弓與接觸網等組成一套高頻電磁發射系統。列車運行過程中，該系統對外發射電磁能量（尤其在分相區和錨段關節處）［1］，并在列車周圍形成復雜的工業環境。盡管我國已經頒布了GB／T 24338—2009《軌道交通 電磁兼容》標準［2］，國內學者也做了一些理論方法研究［3－7］，但實地的測試案例還較少。而國外對于弓網電磁干擾測試及分析近些年才有相關報道，但測試工作還不夠成熟［8－9］。此外，GB／T24338—2009是基于過去普通列車的電磁發射所制定的標準，而國內動車組（CRH3型）的最高速度可達350 km／h，標準中的某些內容已經無法滿足測試與分析要求。因此，研究高速列車軌道旁電磁環境的測試，尋找可行的測試手段，對于國內高速列車的發展以及電磁兼容測試標準的修訂都具有重要意義。

1 測試配置

1.1 測試點布局

高速列車是通過車頂受電弓與軌道沿線架空接觸網的滑行接觸而獲得電能的。列車正常運行時，因振動等原因弓網系統可能發生離線，但出現概率較小且強度也不大，具有瞬態偶發性［1］。從理論上分析，弓網系統產生較強的放電現象多數出現在牽引變電站分相處、AT（自耦變壓器供電）所（AT模式）和錨段關節處。實地測試結果也證明了這一結論。因此，本次測試點選在武廣客運專線咸寧段的群力變電站電分相處，測試高速列車上行（武漢到廣州）和下行（廣州到武漢）雙行軌的電磁發射。

GB／T24338.2中推薦采用10 m法對行進中的列車進行電磁干擾測試。由于國內高速列車線周圍環境復雜，10 m以內有護欄和樹木圍繞，無法做到10 m法，因此本次測試天線與雙行軌道中心線的距離分別為20 m（上行）和25 m（下行）（最終通過標準中定義公式轉換成10 m法值，以便于比較）。測試天線分垂直和水平兩個極化方向擺放。

圖1 天線與程控終端位置示意圖

為防止測試儀器對天線接收產生較大影響，程控設備離天線5 m遠。天線與程控終端擺放如圖1所示。測試時間為2012年8月3—5日。運行列車為G1105次、G1109次、G1121次等。CRH3型動車組行駛速度為290～310 km／h。使用對數周期天線（型號HL223，范圍300 MHz～1 GHz），采用羅德與施瓦茨認證級測試接收機（型號ESCI）進行測試。

1.2 掃描模式

GB／T24338.2中規定使用點頻模式進行測試。點頻模式是通過單點掃描的形式進行數據采集的，每個記錄點都需保持一定時間，當頻率定義在300 MHz～1 GHz范圍時，掃描時間最短為100 ms。CRH3型動車組通過分相處時速度約為300 km／h，電弧放電時間約為36 ms，若使用點頻模式，不但采集效果差，且捕獲到的瞬態電弧波形也不完整（掃描時間大于放電時間）。然而在掃頻模式下，掃描時間最短可達到5 ms，能夠滿足測試精度，因此本次測試采用掃頻模式進行。在掃頻模式下，當脈沖被天線接收時，掃頻到哪個頻點，就測量到脈沖在該頻點的頻率分量。

1.3 數據采集

為防止離線脈沖的重復發生率和電弧產生的隨機性，測量了列車經過分相區55次的頻譜數據，然后通過80%概率取樣法［10］對每個頻點的數據進行詳細擬合處理，進而得到分析頻譜。

測試過程中，保存2組頻譜圖，一組為未來車（背景）頻譜，另一組為來車頻譜，并根據不同的研究內容，設置不同的參數。

2 頻譜測試

掃頻模式需設置測試參數，如頻率范圍、掃描時間（ST）、分辨率帶寬（RBW）和檢波方式等。測試中發現，設置的參數不同，對測試結果影響很大。本次測試頻率范圍為300 MHz～1 GHz，

GB／T24338.2中規定采用峰值檢波方式進行數據采集。考慮到高速列車通過時間極短的特性，同時放電瞬間電壓可能有不同程度的跳變，而本次測試的目的是快速捕獲瞬態信號的最大干擾電平，必須采集得到跳變電壓的最大值，因此測試采用“峰值檢波＋最大值保持”方式進行掃描。該方式能夠保證在定義的頻率范圍內獲得每個頻點的最大測量值。

RBW的選擇直接影響測試精度、最小掃描時間和背景噪聲等［11］。GB／T24338.2中規定：300 MHz～1 GHz頻段的電磁發射測試，RBW 選用120 kHz。但該帶寬是基于普通列車電磁發射所制定的，可能無法滿足300 km／h的高速列車對弓網電磁發射測量精度的要求。本文將比較同種天線在不同RBW下的測試頻譜和接收機內部參數，進而分析RBW對測試結果的影響。

為比較不同RBW對測試的影響，天線必須具備相似的接收效能。然而對于同種天線，極化方式不同，測試得到的干擾信號幅值也有所差異［9］。為判別天線極化對測量結果的影響程度，對比了不同極化方式下的頻譜圖。

圖2及圖3是通過概率統計方法對數據進行擬合所得頻譜圖。測試中RBW選用100 kHz（本臺接收機無法選擇120 kHz，故選擇最接近的100 kHz）。

對比圖2和圖3，可以發現如下現象：

（1）列車經過分相區時，不同頻點幅值都有一定程度的抬升，最大約15dB，最小約2dB；整體看測試頻譜雜亂無序；

（2）從局部范圍觀察（如430～440 MHz或460～470 MHz頻段），測試頻譜大致相同，幅值相差0～5 dB不等。GB／T24338.2中規定：接上天線后對同一正弦波場子進行測量，不同試驗設備相比較時，確保測量值的誤差在±4 dB之內［2］。因此可認為0～5 dB的測量誤差在標準允許的范圍內。

（3）單獨比對兩種極化方式下相同頻點的測量數據，其相差0～15 dB不等。出現該結果的原因是：該頻譜是55次測量后的統計結果，測量次數相對較少。單純比對單頻點的測量數據不能真實反映實際情況。

（4）對于背景中一直存在的頻點（如425 MHz和467 MHz頻點），垂直極化和水平極化測試結果近似吻合。

圖2 天線水平極化頻譜

圖3 天線垂直極化頻譜

綜合考慮上述幾種現象，筆者認為該頻譜圖能夠反映一定的實際規律。在弓網離線電磁干擾測試中，對數周期天線采用不同極化方式時，測試得到的干擾信號的強度近似相同（相差小于6 dB），因此極化方式不會對測試結果起到決定性影響。

在忽略天線極化對測試結果的影響下，選擇不同RBW，將其結果進行比對。圖4為采用“峰值檢波＋最大值保持”方式，天線垂直極化，RBW分別選擇1 MHz和100 kHz時的統計頻譜。

圖4 忽略天線極化影響采用不同RBW時的測試頻譜圖

從圖4可以看出，采用不同的RBW，測試曲線有明顯的差異：兩種情況下，背景噪聲的大小分別為－77 dBm和－86 dBm，相差近9 dB。比對圖a）和c），c）中背景信號抬升量明顯高于a），然而有用信號所達到的最大幅值幾乎相同。比對圖b）和d），d）中背景毛刺明顯增多，b）中干擾較小的頻點在d）中信號有了較大抬升量，同時出現了新的干擾頻點。從相同頻點的測試數據看，d）中的信號抬升量明顯高于b），然而它們所達到的最大值也近似相同。綜合比較圖4中的4條曲線，無論選擇哪種RBW，880～950 MHz頻段的測試頻譜相同，測量最大值幾乎無變化，均為－50 dBm左右。而該信號為GSM－R（GSM for Railway）信號［11］，說明 RBW 選擇100 kHz或1 MHz，對GSM－R信號的測試幾乎無影響。

再從接收機內部參數看，不同RBW時儀器的掃描時間發生了變化：1 MHz時掃描時間為10 ms，100 kHz時掃描時間為70 ms。而電弧的放電時間約為36 ms。若RBW選擇100 kMz，掃描時間大于放電時間，捕捉到的放電頻譜是不完整的。

因此，RBW對測試結果有重要意義。對于高速列車軌道旁的電磁干擾測試，由于列車速度極快，如選擇較大的RBW，則背景信號整體抬高，導致干擾較小的頻點的背景信號可能高于測試數據而無法捕獲到干擾電平，不利于處理分析；如選擇較小的RBW，會使掃描時間變長，捕獲到的頻譜數據可能不完全，不能完整反映電弧的原始形態。筆者認為，隨著國內高速列車的發展和測量精度的提高，GB／T24338.2中“對于行進中的列車發射，在300 MHz～1G Hz頻段的電磁發射測試，分辨率帶寬選用120 kHz”的規定已經無法滿足測試要求，有待進一步改進；具體選擇哪種RBW，需根據測試系統、設備等綜合考慮。

3 結論

本文針對高速列車軌道旁電磁環境測試，首先結合GB／T24338.2標準，給出測試地點的選擇、儀器的設置，以及天線的擺放方法等，并結合國內鐵路周圍復雜的工業環境，對標準中部分測試方法進行優化和改進；繼而根據實測結果，研究了天線在不同極化方式下對信號的接收效果以及RBW對測試結果的影響，并得出以下結論：

（1）考慮到掃描時間對測試結果的影響，為提高測試精度，對GB／T24338的測試方法進行改進，采用掃頻模式替代點頻模式。同時，為能快速捕獲瞬態信號的最大干擾電平并防止采集信號隨機跳變，高速列車軌旁電磁干擾測試采用“峰值檢波＋最大值保持”方式。

（2）對數周期天線采用不同極化方式時，測試得到的干擾信號強度相差不到6 dB，因此在高速列車軌旁電磁干擾測試中，極化方式不會對測試結果起到決定性影響。

（3）GB／T24338.2中“對于行進中的列車發射，在300 MHz～1 GHz頻段的電磁發射測試，分辨率帶寬選用120 kHz”的規定無法滿足高速列車的測試要求，有待進一步改進。

（4）不同的RBW，對GSM－R信號的測試幾乎無影響。

［1］朱峰，牛大鵬，徐常偉.CRH1型動車組磁場環境測試與分析［J］.電力科學與技術學報，2012，27（2）：42.

［2］GB／T24338—2009軌道交通 電磁兼容［S］.

［3］楊飛，闞潤田，沙斐.無線電騷擾的統計測試方法研究［J］.電子測量與儀器學報，2009（1）：22.

［4］陳嵩，沙斐，王國棟.電氣化鐵道弓網電磁噪聲的建模及其APD統計特性［J］.系統仿真學報，2009，6（12）：3577.

［5］陳嵩，沙斐，王國棟.電氣化鐵道脈沖電磁騷擾的Simulink模型［J］.鐵道學報，2009，2（1）：55.

［6］高晨亮，朱剛，鐘章隊，等.GSM－R電磁干擾及測試問題研究［J］.鐵道通信信號，2007，10（10）：50.

［7］吳書偉 李顯欣.淺談高速電力機車電磁干擾的測試［J］.電氣化鐵道，2011（1）：41.

［8］Deniau V，Ben Slimen N，Baranowski S，et al.Characterisation of the EM disturbances affecting the safety of the railway communication systems［C］∥Paris：Colloquium on Reliability in Electromagnetic Systems，2007.

［9］Stephen Dudoyer，Virginie Deniau，Ricardo Adriano.Study of the susceptibility of the GSM－R communications face to the electromagnetic interferences of the rail environment［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2012（3）：667.

［10］吳書偉.高速電力機車電磁輻射強度特性研究［D］.北京：北京交通大學，2009.

［11］秦順友，劉阿翔.頻譜儀靈敏度分析及低信噪比測量的精度研究［J］.電子測量與儀器學報，1993，12（4）：16.