高速铁路牵引变电所及分区所电磁辐射研究

阎 顺

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

0 引言

近年来，随着高速铁路的快速发展，其逐渐成为现代化交通的中坚力量。然而，为高速铁路提供动力的接触网、牵引变电所等设施会在高铁运行过程中向周围环境辐射电磁波，从而产生电磁辐射。高速铁路的电磁辐射问题受到社会的广泛关注。

范鹏等［1］对电力系统中相关设备及设施的电磁辐射问题进行研究，并提出相应的防护措施，但缺乏对电磁辐射的定量分析。于丽新等［2］、杜旭红等［3］选取不同等级的变电站作为测试分析对象，研究其工频电磁场的特性。黄盾［4］以高速铁路为研究对象，从电磁辐射的分类、影响、防护措施等角度出发，对电磁辐射的特性进行研究。然而牵引变电所与传统变电站的辐射机理不同，当前对牵引变电所的研究主要是对其进行定性分析，对其产生的电磁辐射特性的研究分析尚不完善。

本研究从高速铁路的牵引变电所和分区所出发，根据国内外相关电磁辐射规范标准及现场实际情况，制定相应的测试方案，重点分析电磁辐射强度与发射限值的关系，研究牵引变电所辐射场强的分布特性。相关研究为牵引变电所、分区所等工程的电磁环境影响评价和电磁干扰评估提供一定的数据支撑和技术参考，对指导其规划选址设计具有一定的指导意义。

1 牵引变电所测试内容

依据《轨道交通电磁兼容 第2部分：整个轨道系统对外界的发射》（GB/T 24338.2—2018）［5］、《高压交流架空送电线点干扰限值》（GB 15707—1995）［6］、《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014）［7］等相关标准规范，对铁路沿线牵引变电所产生的电磁辐射进行测量。

1.1 测试对象

1.1.1 牵引变电所。牵引变电所是电力牵引的专用变电所，其把区域电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，并分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为电力机车供电。

1.1.2 分区所。分区所通过将上下行接触网并联起来，可提高供电臂末端接触网上的电压水平，均衡上下行供电臂电流，降低电能损失，从而保证供电质量。

1.2 具体内容

牵引变电所、分区所的电磁辐射测试包括工频电场和磁场测试、无线电干扰测试（频率范围覆盖至1 GHz）、横向衰减特性分析测试（频率范围覆盖至1 GHz）。

1.3 测量参数及单位换算

对牵引变电所、分区所的电磁场数值进行测量，工频测试测量电场强度E（dBμV/m）和磁感应强度B（T），无线电干扰测试测量电场强度E（dBμV/m）和磁场强度H（dBμV/m）。

电场强度的换算公式见式（1）。

式中：Pr为信号分析仪在频率f处的功率谱密度，dBm/RBW；f为电、磁场的频率，MHz；Gr为接收天线的增益，dB；20lgK为接收天线的天线因子，dB/m。

其中，天线因子与天线增益的换算关系见式（2）。

磁场强度的换算公式见式（3）。

2 测试仪器及方案

2.1 仪器及组合方案

根据《辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》（HJ/T 10.2—1996）［8］及《轨道交通电磁兼容 第2部分：整个轨道交通系统对外界的发射》（GB/T 24338.2—2018）［5］，可采用以下组合方案。

2.1.1 工频测量。NF5035及其内置电、磁场探头。

2.1.2 9 kHz～30 MHz频率范围内的电场强度和磁场强度测量。DS18001环天线+N9030A信号分析仪（配N6141A选件）。

2.1.3 30 MHz～1 GHz频率范围内的电场强度和磁场强度测量。TN341双锥天线+N9030A信号分析仪（配N6141A选件）。

2.2 测试流程、方案及相关要求

2.2.1 测试流程及方案。①测量环境噪声。测量前先记录环境噪声，如果规定频率范围内的环境噪声高于变电所的发射限值减6 dB，则不选取这些频点进行无线电干扰测试。②工频测试。测量工频电场强度E和磁感应强度B，记录变电所负载至少为额定负载30%时的测量值。③无线电干扰测量。记录无线电干扰在0.09～0.15 MHz、0.15～30 MHz、30～300 MHz、300 MHz～1 GHz这4个频率范围的峰值检波扫频结果，并在各频率范围内选取频点作为无线电干扰测试频点。最终确定拟测试的无线电干扰频点见表1。④横向衰减特性分析。分析距牵引变电所围墙10 m、20 m、40 m、80 m、160 m处的准峰值检波模式下无线电干扰频点的横向衰减特性。

表1 拟测试的无线电干扰频点

2.2.2 相关要求。①先对周边环境进行勘察，观察是否存在其他可能干扰测试结果的无线设施。②测试点应选在无高大建筑物、树木、河流遮挡，并距离铁路接触网以外的高架输电线100 m以上，没有其他并行电气化铁路的开阔场地。③测量宜在干燥的天气进行（24 h内降雨量不大于0.1 m），温度不低于5℃，风速小于10 m/s，湿度要足够低。如果测试环境不能满足上述条件，那么测试时的实际天气情况应在测试结果中注明。④测量过程中要记录实际负荷情况。⑤测试点位的选取应以相关规范标准中的方法为依据，分别沿高压线方向及平行于轨道方向布置测试点位，并根据牵引变电所周围的实际环境，对点位数量及位置进行调整。

3 测试结果及分析

3.1 西平变电所测试结果及分析

3.1.1 电、磁场测量点位。根据测试点位的选取原则，西平变电所共测试8个点，分布如图1所示。

图1 西平变电所测试点位示意图

3.1.2 测试结果及分析。

①工频测试结果。工频测试要求测量工频的电场强度和磁感应强度，测量结果如表2所示。

表2 西平变电所工频测试结果

从表2可以看出，西平变电所周围各测量点位最大工频电场强度为100.65 V/m，最大磁感应强度为4.2×10-7T，均满足《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014）［7］中的要求。另外，工频测量结果远小于工频限值要求，甚至不到其限值的十分之一，表明牵引变电所向外电磁辐射值很小，对周边居民及家用电器的影响极其微弱。

②扫频测量及无线电干扰测量结果。根据测试点位，沿高压进线方向及平行轨道方向对牵引变电所进行峰值检波模式下的频率扫描及无线电干扰频点的准峰值测量（见图2、图3）。

图2 峰值检波扫频结果

图3 无线电干扰频点测量结果

由图2可知，在9 kHz～1 GHz内，大多数频点的场强均低于发射限值，少数位于中波广播、调频广播及移动基站工作频率范围内的频点要高于变电所发射限值，这是因为混杂了干扰信号。

由图3可知，进行准峰值测量的无线电干扰频点，其电（磁）场强度的准峰值数值均在变电所的发射限值以下，表明试验频点的电磁辐射限值均在可接受的范围内，不会对周边环境造成明显的电磁干扰。

3.1.3 横向衰减特性。根据接收天线的不同，将横向衰减特性划分为9 kHz～30 MHz、30 MHz～1 GHz两个不同频率范围，分别观察其随距离变化的衰减特性，具体方案如表3所示。

表3 横向衰减特性测试方案

电磁场横向衰减特性如图4所示。

图4 电磁场横向衰减特性

由横向衰减特性测试结果可知，各频点的电场强度、磁感应强度均随距离的增加而减小，大于80 m后，电磁场强度逐渐趋于平缓，衰减位于背景噪声以下，无法测试到牵引变电所的电磁辐射。

3.2 丁戴庄分区所测试结果及分析

3.2.1 电、磁场测量点位。根据测试点位的选取原则，丁戴庄分区所共计测试3个点，分布如图5所示。

图5 丁戴庄分区所测试点位示意图

3.2.2 丁戴庄分区所测试结果。工频测试要求测量工频的电场强度和磁感应强度，其测量结果见表4。

由表4可以看出，丁戴庄分区所各测量点位最大工频电场强度为91.41 V/m，最大磁感应强度为8.77×10-7T，均满足《电磁环境控制限值》（GB 8702—2014）［9］中的要求，且测量结果远小于工频限值，同西平变电所一样，其对周边电磁环境影响极其微弱。

表4 丁戴庄分区所工频测试结果

根据测试点位，在南、北、西三个方位对分区所进行频描及无线电干扰准峰值测量，其测量结果见图6、图7。

图6 分区所10 m处峰值检波扫频结果

由图6、图7可知，分区所周围的电磁辐射特性与牵引变电所类似，大部分频点的场强均低于限值，极少数高于变电所发射限值的频点位于中波广播、调频广播及移动基站的工作频率范围内，无线电干扰频点测试结果均在限值以下，基本可以判定分区所不会对周边环境造成电磁干扰影响。

图7 分区所10 m处无线电干扰频点测量结果

4 结语

本研究通过对牵引变电所与分区所的电磁辐射进行研究，分析电磁辐射强度与发射限值间的关系，研究牵引变电所辐射场强的分布特性。研究结果表明，牵引变电所及分区所周边的电磁辐射满足国家相关规范中的要求。该研究为牵引变电所、分区所相关工程的电磁环境影响评价提供一定的数据支撑和参考，对进一步指导其规划选址设计具有一定的指导意义。