武广高速铁路轨旁电磁干扰实测及分析

李希炜，朱 峰

(西南交通大学电气工程学院，成都 610031)

1 概述

电气化铁路快速发展的同时也存在诸多问题，其造成的电磁干扰便是其中之一。弓网离线电弧产生的电磁干扰是电气化铁路电磁干扰的主要成分之一。由于高速铁路线路的不平顺、列车运行速度变快等原因，这种电磁干扰在列车运行时普遍存在，对高速列车电子电力设备，通信设备都产生了影响，形成安全隐患［1-2］。因此，有必要对弓网离线电弧产生的电磁干扰进行研究。

目前已有很多关于弓网离线电弧电磁干扰的研究。文献［3-4］采用统计的方法进行研究，文献［5-6］利用仿真建模来模拟弓网电弧电磁影响，文献［7-8］中的团队在实验室中搭建了弓网实验平台用以研究不同因素对弓网电弧的影响。但是大多未对目前速度大幅提升的高速铁路进行实地测试研究。为此，在武广高速铁路电分相处进行实地测试，获取弓网电弧电磁干扰的频谱，研究其幅频谱特性，为进一步评估弓网电弧电磁干扰对高速列车的影响提供依据。

2 测试设置

2.1 测试地点选取

弓网电弧是由于列车运行时，受电弓与接触网在相对高速运动中分离而产生气体放电现象［9］。其产生与接触线不平顺、接触网振动、受电弓振动、轨道不平顺等多方面因素相关［10，11］，为几率性事件。因此，沿线测试时选择一个稳定产生电弧的测试点非常重要。本次测试选择地点为武广高速铁路咸宁段电分相处。这是由于在电分相处，高速列车将进行换相(车载过分相)，在接触弓距离中性段100 m开外，通过地面传感器实行预断，再进一步实行主断路器断开，如图1所示。尽管受电弓在换相过程中一直与接触网保持接触状态，但是弓网的电接触状态发生了改变，从“有电”到“无电”，再从“无电”到“有电”，这种状态转换的过程中，发生过电压现象［12］，必定产生电弧。因此选取电分相处进行沿线测试，可以尽可能多的采集数据。

图1 列车过分相示意(单位:m)

2.2 测试现场布置

测试地点:在武广高速铁路群力变电所电分相处，距离轨中心15 m处，如图2所示。结果将用GB/T 24338—2［13］中的规定转换为10 m法标准值。

测试使用德国 R＆S公司的接收机(R＆SESCI3)，其扫描范围为9 kHz～3 GHz，测试天线使用R＆S公司的双锥天线HK116(测试频率范围30～300 MHz)及对数周期天线HL223(测试频率范围300 MHz～2 GHz)。天线采用垂直极化方式，如图3所示。接收机使用频谱扫描模式，检波方式为峰值检波，数据记录为峰值保持模式。

图2 测试现场布置(单位:m)

2.3 测试带宽设置

在进行实地测试时，接收机的分辨率带宽(RBW)非常关键，这个数值的大小关系到扫描时间的快慢和采集数据的准确与否。GB/T 24338—2推荐在测试频率范围为30～300 MHz及300 MHz～1 GHz时RBW都设置为120 kHz。

图3 测试现场

在高速铁路沿线实测之前，在实验室对频谱仪RBW与扫描时间及测试结果的关系进行了对比测试。表1为频谱仪扫描时间的实验结果。

表1 RBW与扫描时间关系

武广高速铁路平均速度达到了280 km/h，受电弓经过放电点的时间为300 ms左右。试验结果显示，如果按照GB/T 24338—2的推荐RBW进行设置，测试时间将大大超过受电弓通过无电区的时间，接收机将无法在列车通过时间内有效地捕捉干扰。

但是RBW的改变会使接收机采集到的数据变化，为了对比不同RBW之间的测试结果，在实验室做了对比试验。通过天线用接收机接收信号源发射的信号，设置不同的RBW进行扫描，对比获得的数据。图4为RBW设置为120 kHz时的测试结果，图5为300 kHz时的结果，扫描频率范围都为30～300 MHz。可以看出，两种带宽测试的结果波形没有差别，300 kHz下的测试结果与120 kHz的对比，底噪值的大小区别较为明显，差别在10 dBμV左右;但是峰值则几乎没有差别，50 MHz处的信号峰值测试结果都为90 dBμV。图6，图7为300 MHz～1 GHz频段，RBW为120 kHz及1 MHz时的对比结果，底噪相差10 dBμV，400 MHz处的信号峰值测试结果都为94 dBμV，600 MHz处的信号峰值测试结果都为84 dBμV，结果与30～300 MHz时的情况相同。

由于实地测试时，车速快，时间短，弓网电弧产生的电磁干扰瞬发且无规律，并且本次测试目标是获得干扰的最大值，所以接收机RBW的设置使用300 kHz(30～300 MHz)、1 MHz(300 MHz～1 GHz)。

图4 30～300 MHz，RBW=120 kHz电磁噪声测试结果

图5 30～300 MHz，RBW=300 kHz电磁噪声测试结果

图6 300 MHz～1 GHz，RBW=120 kHz电磁噪声测试结果

图7 300 MHz～1 GHz，RBW=1 MHz电磁噪声测试结果

测试时将首先采集背景频谱信号，在列车经过时采集离线电弧电磁干扰频谱。一个频段的测试重复多次，以求获得电磁干扰的普遍特性。

3 测试结果与分析

在30～300 MHz这个频段，干扰普遍存在，但在30～200 MHz较为密集，多次测试结果显示每次每个频点都有干扰出现;而在200～300 MHz较为稀疏，一些频点的干扰在一次测试中出现了，且幅度较大，而在下一次测试中则没有(或者幅值较小)，这一段的电磁干扰的出现具有偶发性。此外，30～100 MHz的干扰普遍较强，最大的幅值达到了86 dBμV，而100～300 MHz的干扰幅值普遍在50～60 dBμV之间。如图8所示。

图8 30～300 MHz典型频谱

在300 MHz～1 GHz，在876～880 MHz和921～925 MHz有持续的尖峰出现，幅值最高达到了100 dBμV，这个强烈的信号是GSM－R通讯信号。而在300～400 MHz，电磁干扰频繁出现，幅值在55～70 dBμV。在多次测试的结果之中，仅有一次在400～600 MHz出现了强烈的干扰，幅值在60～68 dBμV。根据这个结果，对这个频段进行了多次的测试，但再未出现类似的干扰。

针对300～400 MHz这个干扰的高发频段进行了多次测试。结果显示，在这个频段，虽然干扰普遍存在，电磁干扰出现的频点及其幅值偶发性都极强。如图9及图10显示，在一次测试中，干扰集中在300～350 MHz且幅值较大，而在下一次测试中，300～350 MHz的干扰幅值较小，350～400 MHz出现了幅值较大的干扰。在300～400 MHz这个频段，干扰幅值最大达到了68 dBμV，但是并未出现在固定频点。

图9 300～400 MHz典型频谱(一)

图10 300～400 MHz典型频谱(二)

4 结论

本文研究了接收机RBW对测试结果的影响，获得了最适宜现场测试的RBW设置数值，即30～300 MHz设置为300 kHz，300 MHz～1 GHz设置为1 MHz。通过实地测试，获得了干扰的频谱数据，对数据进行分析，对弓网离线电弧的电磁干扰获得了以下3点结论。

(1)弓网离线电弧电磁干扰，其分布频率主要在30 ～400 MHz。

(2)在30～200 MHz，干扰是一直存在的，且在30～100 MHz干扰较强。

(3)在200～400 MHz，干扰出现的频率及幅值具有偶发性。

这些认识可以为进一步评估弓网电弧电磁干扰对高速列车的影响提供依据。

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