弓网电弧对机场终端全向信标台电磁骚扰的影响

朱　峰，高晨轩，唐毓涛

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都　610031)

随着我国交通事业的快速发展，为实现高速电气化铁路与民航系统的良好无缝衔接，将高速电气化铁路引入机场区域成为新的趋势，二者之间的电磁兼容问题愈发受到关注[1]。电气化铁路弓网电弧的电磁辐射对其沿线各类敏感电子设备的干扰问题十分突出[2-3]。机场导航系统中的甚高频全向信标系统(Very high frequency omnidirectional range，VOR)电磁环境是影响飞机进近着陆安全的重要因素之一[4]。因此，研究电气化铁路弓网电弧对VOR电磁环境的影响，特别是对机场终端全向信标台(TVOR)的影响，对于提高电气化铁路与民航系统的电磁兼容性具有重要意义。

国内外学者针对弓网电弧的电磁辐射进行了大量的研究：文献[5—7]分析研究了弓网电弧具体的形成过程；文献[8]设计了1套弓网电弧电磁噪声试验系统，采取实验室试验的方式研究弓网电弧辐射噪声特性；文献[9]分析了动车组车速与弓网电弧产生的电磁干扰的关系，通过MATLAB/Simulink仿真软件建立了动车组弓网离线放电电磁干扰源模型；文献[10]建立了受电弓及车顶高压电缆的升弓仿真模型，研究接触网电源等值参数和车顶高压电缆等值参数对升弓电磁暂态的影响；文献[11—12]研究表明电磁骚扰辐射特性对车载设备和铁路沿线电子设备的抗干扰防护以及电磁防护标准的完善具有重要意义。

针对TVOR的电磁骚扰研究，大多是对民航导航系统内部各组成之间的相互影响进行讨论[13]，尽管关于轨道交通对机场导航设备的电磁骚扰测量和评判有一些研究[14-16]，但是测试对象为普速铁路。由于高速电气化铁路的弓网电弧电磁辐射特性与普速铁路的完全不同，因此本文选取电分相、锚段关节和普通点3个高速电气化铁路典型位置，通过实测对弓网离线电弧在TVOR工作频段内的辐射特性进行分析，并以某典型的铁路线垂直穿越机场跑道为例，结合实测数据给出电磁兼容分析，为电气化铁路的选线和机场选址提供依据。

1　TVOR及电磁环境要求

VOR是引导飞机沿预定航路飞行、进近和离场的导航系统。它由2个分系统组成，即TVOR和航路全向信标台，每个分系统由地面发射设备和机载接收设备组成。TVOR通常与测距仪台(DME)或仪表着陆系统的航向台(LOC)装在一起，与跑道中心延长线一致的TVOR方位线可代替LOC对飞机着陆进行引导。

为保障TVOR的正常运行，引导飞机进近、着陆和离场，TVOR设备的防护率R应满足

Es-En≥R

(1)

式中：Es为TVOR在工作频段内向飞机发射导航信号的电场强度；En为飞机接收到的同频骚扰信号的电场强度。

GB 6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》规定了全向信标台信号覆盖区域内对各类有源干扰的防护率要求，其中针对弓网离线电弧此类有源干扰的防护率要求为20 dB。

根据文献[17—18]，TVOR的相关参数见表1。

表1　TVOR的相关参数

2　测试方法

2.1　测试地点选取

由于弓网电弧是随机脉冲骚扰，极可能在TVOR的工作频段内对其造成同频干扰。弓网电弧的产生与外界环境、列车运行状态、供电制式、接触网悬挂方式等因素密切相关。高速动车组在运行过程中易产生弓网电弧的典型位置为电分相、锚段关节和普通点[19-21]，具体见表2。

表2　弓网电弧典型位置

选取成达复线电气化铁路为测试对象，该高速铁路接触网的额定电压为27.5 kV，供电方式为直供+回流。利用接收机和天线对TVOR工作频段进行频谱测试，因影响弓网电弧产生的因素很多，故测试过程中选取同类型高速动车组、同一运行线路的同一运行方向、相对接近的车速，分别对3个典型位置进行测试，现场测试和分别测试布局分别如图1和图2所示。图中：h为天线与轨道平面的高度差；d为天线与轨道中心的垂直距离；dx为天线与接触网的实际距离。

图1　现场测试图

图2　测试布局示意图

受现场测试环境的条件限制，测试位置不固定。取高速铁路接触网距轨道平面的净高为6.3 m，则测试天线与接触网的实际距离为

(2)

根据式(2)，得到3个典型位置处测试天线与接触网的实际距离见表3。

表3　测试天线与接触网的实际距离　m

2.2　测试参数设置

测试采用点频测试，测试仪器技术指标见表4。

表4　测试仪器技术指标

关于检波方式，GB/T 24338.2—2011《轨道交通 电磁兼容 第2部分：整个轨道系统对外界的发射》采用的是峰值检波，但大多无线电设备的检波方式均为准峰值检波或平均值检波。为便于全面分析电磁辐射特性，保证测试结果的普遍性，测试中同时采用这3种检波方式。接收机参数设置见表5。

表5　接收机参数设置

3　测试数据和测试结果

3.1　测试数据

在测试之前，针对TVOR的工作频段，利用频谱仪对背景和来车时的弓网电弧进行了频谱测试，截取的典型测试结果如图3所示。图中：下面的曲线为背景测试曲线，上面的曲线为来车时频谱测试曲线。

图3　背景及来车时频谱扫描图

由图3可以看出：弓网电弧在110 MHz处的电磁辐射最强；由于电弧拉弧持续时间很短，即便在拉弧时间最长的电分相处，弓网电弧放电持续时间也只有300 ms左右，因此分配到具体频点上的测试时间很短。

距离弓网电弧10 m处的电场强度E0为

E0=61.45-10.46lgf

(3)

由式(3)可知，在TVOR工作频段108.00～111.95 MHz内的电磁噪声相差不会超过0.2 dB，因此在该工作频段内的弓网电弧电磁辐射频率特性不会存在较大差异。但由于电磁辐射干扰的随机性，在选取接收机进行点频测试时为保证测试数据的准确性，选取110 MHz作为典型测试频率，就能客观地反映该频段的弓网电弧电磁辐射频率特性。并且实际测试时，无论在电分相、锚段关节还是普通点处，均进行了10趟次来车的测试，考虑最严苛情况，后续只列出最大测试结果。

根据GB/T 24338.2—2011中的规定，利用式(4)可将电分相、锚段关节和普通点3个典型位置处的实测数据转换为10 m法测试值。

(4)

式中：E10和Ex分别为电场强度的10 m法值和实测值；n为转换系数，取1.2。

根据式(4)和实测结果，得到背景环境和110 MHz典型测试频率处电场强度的10 m法测试值，见表6。

表6　10 m法测试值

3.2　测试结果

(1)在TVOR的工作频段上，无论在电分相、锚段关节或普通点，对比背景测试曲线，来车时频谱测试曲线表明弓网电弧存在明显的电磁辐射。

(2)由于过电分相时需要经历有电到无电再到有电的换相过程，相比于锚段关节和普通点，弓网电压状态存在突变，伴随有剧烈的离线电弧发生。由表7可知：电分相处弓网离线电弧的电磁辐射较锚段关节和普通点处大，峰值检波方式下电分相处的电强场度与锚段关节处的最大相差89.4-69.3=20.1 dB，与普通点处最大相差89.4-62.6=26.8 dB；准峰值检波方式下与锚段关节处最大相差74.4-48.3=26.1 dB，与普通点处最大相差74.4-40.6=33.8 dB；平均值检波方式下与锚段关节处最大相差53.4-48.3=18.1 dB，与普通点处最大相差53.4-28.6=24.8 dB。可见，无论是峰值、准峰值还是平均值检波，电分相处弓网离线电弧的电磁辐射较锚段关节和普通点的大，均大于20 dB左右。

(3)接收机每隔50 ms刷新1次测试数据，每次来车测试时间为10 s左右，故接收机的1次来车测试能够读取200个左右的数据。由于电弧放电的随机特性，即本次拉弧和下次拉弧在该频点的能量是不同的。考虑最严苛情况，采用峰值检波数据研究弓网离线电弧电磁辐射对TVOR的影响。

4　弓网离线电弧电磁辐射对TVOR的影响

某典型的铁路线路垂直下穿机场跑道的布局如图4所示。图中：θ1为下滑道与电分相拉弧点和飞机连线的夹角；θ2为飞机和TVOR连线与电分相拉弧点和TVOR连线的夹角，d0为TVOR与电分相处拉弧点之间的距离；ds为TVOR与飞机之间的距离；dn为飞机与电分相处拉弧点之间的距离；β为铁路线路与机场跑道之间的夹角。

图4　铁路线路与机场跑道布局示意图

则在与TVOR相距ds米处某点的功率谱面密度S为

(5)

Es=134.77+10lgP+G-20lgds

(6)

结合式(4)可得

Es-En=114.77+10lgP+G+

(7)

式中：En为距拉弧点dn处的骚扰场强，即飞机接收到的同频骚扰信号的电场强度。

根据铁路线路与机场跑道的几何关系有

(8)

由式(1)可知Es-En取值最小时弓网电弧对TVOR的电磁骚扰最强，由式(7)可知Es-En最小时sinθ2/sin(π-θ1-θ2)的取值也最小，此时θ2取最小值，则θ1+θ2=π/2。又由于铁路线路垂直下穿飞机跑道，因此弓网电弧电磁辐射最大位置为图4中交叉点垂直向上延线与飞机下滑道的交点。依据实测可知，TVOR距机场跑道与铁路线路交叉点的距离为4 000 m，飞机着陆点距交叉点的距离为1 020 m，飞机下滑道角度θ为3°，虽然弓网电弧发生位置和TVOR信标台都距地面有一定高度，但是由于二者之间距离很远，远大于二者与地面飞机跑道之间的高度差，因此在后续分析中忽略二者与地面飞机跑道的高度差。结合图4与式(7)、式(8)可以得到电分相、锚段关节、普通点处Es-En与拉弧点到交叉点距离的关系，如图5所示。

图5　Es-En与拉弧点到交叉点距离的关系

从图5可以看出：锚段关节和普通点处的弓网电弧不会对TVOR产生电磁骚扰；当电分相处拉弧点到交叉点距离为236 m时，电分相处弓网电弧对TVOR的干扰刚好达到GB 6364—2013的防护率要求；当电分相处拉弧点到交叉点距离为0 m时，弓网电弧对TVOR的骚扰最大，此时Es-En为6.9 dB, 不满足TVOR防护率的要求。

5　结　论

(1) 电分相处弓网离线电弧的电磁辐射电场强度较普通点和锚段关节处的均大于20 dB左右。

(2) 电气化轨道普通点和锚段关节处弓网电弧的电磁辐射不会对TVOR产生影响，即便拉弧点位于轨道和机场跑道交叉点处，仍能够满足防护率的要求。

(3) 当电气化轨道电分相处的拉弧点距铁路线路与机场跑道交叉点的距离小于236 m时，弓网电弧的电磁辐射将对TVOR产生骚扰；当拉弧点位于该交叉点时电磁骚扰最严重。本文研究结果能够为轨道电气化和民用航空这两大工业体系在机场区域的电磁兼容性设计提供依据。

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