高速鐵路牽引變電所及分區所電磁輻射研究

閻 順

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著高速鐵路的快速發展，其逐漸成為現代化交通的中堅力量。然而，為高速鐵路提供動力的接觸網、牽引變電所等設施會在高鐵運行過程中向周圍環境輻射電磁波，從而產生電磁輻射。高速鐵路的電磁輻射問題受到社會的廣泛關注。

范鵬等［1］對電力系統中相關設備及設施的電磁輻射問題進行研究，并提出相應的防護措施，但缺乏對電磁輻射的定量分析。于麗新等［2］、杜旭紅等［3］選取不同等級的變電站作為測試分析對象，研究其工頻電磁場的特性。黃盾［4］以高速鐵路為研究對象，從電磁輻射的分類、影響、防護措施等角度出發，對電磁輻射的特性進行研究。然而牽引變電所與傳統變電站的輻射機理不同，當前對牽引變電所的研究主要是對其進行定性分析，對其產生的電磁輻射特性的研究分析尚不完善。

本研究從高速鐵路的牽引變電所和分區所出發，根據國內外相關電磁輻射規范標準及現場實際情況，制定相應的測試方案，重點分析電磁輻射強度與發射限值的關系，研究牽引變電所輻射場強的分布特性。相關研究為牽引變電所、分區所等工程的電磁環境影響評價和電磁干擾評估提供一定的數據支撐和技術參考，對指導其規劃選址設計具有一定的指導意義。

1 牽引變電所測試內容

依據《軌道交通電磁兼容 第2部分：整個軌道系統對外界的發射》（GB/T 24338.2—2018）［5］、《高壓交流架空送電線點干擾限值》（GB 15707—1995）［6］、《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014）［7］等相關標準規范，對鐵路沿線牽引變電所產生的電磁輻射進行測量。

1.1 測試對象

1.1.1 牽引變電所。牽引變電所是電力牽引的專用變電所，其把區域電力系統送來的電能，根據電力牽引對電流和電壓的不同要求，轉變為適用于電力牽引的電能，并分別送到沿鐵路線上空架設的接觸網，為電力機車供電。

1.1.2 分區所。分區所通過將上下行接觸網并聯起來，可提高供電臂末端接觸網上的電壓水平，均衡上下行供電臂電流，降低電能損失，從而保證供電質量。

1.2 具體內容

牽引變電所、分區所的電磁輻射測試包括工頻電場和磁場測試、無線電干擾測試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）、橫向衰減特性分析測試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）。

1.3 測量參數及單位換算

對牽引變電所、分區所的電磁場數值進行測量，工頻測試測量電場強度E（dBμV/m）和磁感應強度B（T），無線電干擾測試測量電場強度E（dBμV/m）和磁場強度H（dBμV/m）。

電場強度的換算公式見式（1）。

式中：Pr為信號分析儀在頻率f處的功率譜密度，dBm/RBW；f為電、磁場的頻率，MHz；Gr為接收天線的增益，dB；20lgK為接收天線的天線因子，dB/m。

其中，天線因子與天線增益的換算關系見式（2）。

磁場強度的換算公式見式（3）。

2 測試儀器及方案

2.1 儀器及組合方案

根據《輻射環境保護管理導則電磁輻射監測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）［8］及《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》（GB/T 24338.2—2018）［5］，可采用以下組合方案。

2.1.1 工頻測量。NF5035及其內置電、磁場探頭。

2.1.2 9 kHz～30 MHz頻率范圍內的電場強度和磁場強度測量。DS18001環天線+N9030A信號分析儀（配N6141A選件）。

2.1.3 30 MHz～1 GHz頻率范圍內的電場強度和磁場強度測量。TN341雙錐天線+N9030A信號分析儀（配N6141A選件）。

2.2 測試流程、方案及相關要求

2.2.1 測試流程及方案。①測量環境噪聲。測量前先記錄環境噪聲，如果規定頻率范圍內的環境噪聲高于變電所的發射限值減6 dB，則不選取這些頻點進行無線電干擾測試。②工頻測試。測量工頻電場強度E和磁感應強度B，記錄變電所負載至少為額定負載30%時的測量值。③無線電干擾測量。記錄無線電干擾在0.09～0.15 MHz、0.15～30 MHz、30～300 MHz、300 MHz～1 GHz這4個頻率范圍的峰值檢波掃頻結果，并在各頻率范圍內選取頻點作為無線電干擾測試頻點。最終確定擬測試的無線電干擾頻點見表1。④橫向衰減特性分析。分析距牽引變電所圍墻10 m、20 m、40 m、80 m、160 m處的準峰值檢波模式下無線電干擾頻點的橫向衰減特性。

表1 擬測試的無線電干擾頻點

2.2.2 相關要求。①先對周邊環境進行勘察，觀察是否存在其他可能干擾測試結果的無線設施。②測試點應選在無高大建筑物、樹木、河流遮擋，并距離鐵路接觸網以外的高架輸電線100 m以上，沒有其他并行電氣化鐵路的開闊場地。③測量宜在干燥的天氣進行（24 h內降雨量不大于0.1 m），溫度不低于5℃，風速小于10 m/s，濕度要足夠低。如果測試環境不能滿足上述條件，那么測試時的實際天氣情況應在測試結果中注明。④測量過程中要記錄實際負荷情況。⑤測試點位的選取應以相關規范標準中的方法為依據，分別沿高壓線方向及平行于軌道方向布置測試點位，并根據牽引變電所周圍的實際環境，對點位數量及位置進行調整。

3 測試結果及分析

3.1 西平變電所測試結果及分析

3.1.1 電、磁場測量點位。根據測試點位的選取原則，西平變電所共測試8個點，分布如圖1所示。

圖1 西平變電所測試點位示意圖

3.1.2 測試結果及分析。

①工頻測試結果。工頻測試要求測量工頻的電場強度和磁感應強度，測量結果如表2所示。

表2 西平變電所工頻測試結果

從表2可以看出，西平變電所周圍各測量點位最大工頻電場強度為100.65 V/m，最大磁感應強度為4.2×10-7T，均滿足《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014）［7］中的要求。另外，工頻測量結果遠小于工頻限值要求，甚至不到其限值的十分之一，表明牽引變電所向外電磁輻射值很小，對周邊居民及家用電器的影響極其微弱。

②掃頻測量及無線電干擾測量結果。根據測試點位，沿高壓進線方向及平行軌道方向對牽引變電所進行峰值檢波模式下的頻率掃描及無線電干擾頻點的準峰值測量（見圖2、圖3）。

圖2 峰值檢波掃頻結果

圖3 無線電干擾頻點測量結果

由圖2可知，在9 kHz～1 GHz內，大多數頻點的場強均低于發射限值，少數位于中波廣播、調頻廣播及移動基站工作頻率范圍內的頻點要高于變電所發射限值，這是因為混雜了干擾信號。

由圖3可知，進行準峰值測量的無線電干擾頻點，其電（磁）場強度的準峰值數值均在變電所的發射限值以下，表明試驗頻點的電磁輻射限值均在可接受的范圍內，不會對周邊環境造成明顯的電磁干擾。

3.1.3 橫向衰減特性。根據接收天線的不同，將橫向衰減特性劃分為9 kHz～30 MHz、30 MHz～1 GHz兩個不同頻率范圍，分別觀察其隨距離變化的衰減特性，具體方案如表3所示。

表3 橫向衰減特性測試方案

電磁場橫向衰減特性如圖4所示。

圖4 電磁場橫向衰減特性

由橫向衰減特性測試結果可知，各頻點的電場強度、磁感應強度均隨距離的增加而減小，大于80 m后，電磁場強度逐漸趨于平緩，衰減位于背景噪聲以下，無法測試到牽引變電所的電磁輻射。

3.2 丁戴莊分區所測試結果及分析

3.2.1 電、磁場測量點位。根據測試點位的選取原則，丁戴莊分區所共計測試3個點，分布如圖5所示。

圖5 丁戴莊分區所測試點位示意圖

3.2.2 丁戴莊分區所測試結果。工頻測試要求測量工頻的電場強度和磁感應強度，其測量結果見表4。

由表4可以看出，丁戴莊分區所各測量點位最大工頻電場強度為91.41 V/m，最大磁感應強度為8.77×10-7T，均滿足《電磁環境控制限值》（GB 8702—2014）［9］中的要求，且測量結果遠小于工頻限值，同西平變電所一樣，其對周邊電磁環境影響極其微弱。

表4 丁戴莊分區所工頻測試結果

根據測試點位，在南、北、西三個方位對分區所進行頻描及無線電干擾準峰值測量，其測量結果見圖6、圖7。

圖6 分區所10 m處峰值檢波掃頻結果

由圖6、圖7可知，分區所周圍的電磁輻射特性與牽引變電所類似，大部分頻點的場強均低于限值，極少數高于變電所發射限值的頻點位于中波廣播、調頻廣播及移動基站的工作頻率范圍內，無線電干擾頻點測試結果均在限值以下，基本可以判定分區所不會對周邊環境造成電磁干擾影響。

圖7 分區所10 m處無線電干擾頻點測量結果

4 結語

本研究通過對牽引變電所與分區所的電磁輻射進行研究，分析電磁輻射強度與發射限值間的關系，研究牽引變電所輻射場強的分布特性。研究結果表明，牽引變電所及分區所周邊的電磁輻射滿足國家相關規范中的要求。該研究為牽引變電所、分區所相關工程的電磁環境影響評價提供一定的數據支撐和參考，對進一步指導其規劃選址設計具有一定的指導意義。