弓网电弧对航空器仪表着陆系统的电磁干扰影响研究

苟江川， 朱 峰， 邹 杰， 叶家全， 李华琼， 王雨果

(1. 中国民航飞行学院 空中交通管理学院， 四川 广汉 618307；2. 西南交通大学 电气工程学院， 四川 成都 610031； 3. 中国民航局 第二研究所， 四川 成都 610041)

随着电气化铁路与航空事业的高速发展，将电气化铁路引入机场区域成为一种发展趋势[1]。然而电气化铁路的电磁干扰，尤其是弓网电弧对其周围的各类电磁敏感设施的影响十分突出[2]。而仪表着陆系统ILS(Instrument Landing System)电磁环境是影响飞机进近着陆安全的重要因素之一[3]。因此，探究电气化铁路弓网电弧对ILS电磁环境的影响，对于研究铁路与民航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：马云双等[4]分析动车组车速与弓网电弧产生的电磁骚扰的关系，建立动车组弓网离线放电电磁骚扰源模型；郭凤仪等[5]设计一套弓网电弧电磁噪声实验系统，采取实验室实验的方式研究弓网电弧辐射噪声特性；周克生等[6]在一定假设条件下，建立“动力集中型”高速列车产生的脉冲噪声模型，从理论上预测高速列车产生的无线电噪声情况；Virginie等[7]通过建立电力机车仿真模型分析弓网电弧辐射噪声对铁路移动通信系统的影响。文献[8]研究电气化铁路弓网电弧的电磁干扰，但主要是针对机车各个电气设备的影响。而针对ILS的电磁干扰，大多是对地形以及周边的建筑等无源干扰的研究[9-10]，对电气化铁路弓网电弧这种有源干扰的研究还比较少。

上述研究是采用理论分析、仿真研究或者实验验证等方式进行的，但这些方法因模型和参数的不确定性，往往会导致其结果与现场实测结果之间存在一定的差异。本文根据ILS的电磁环境要求及测试规范，对电气化铁路产生弓网电弧的典型位置进行标准化测试，获得弓网离线电弧在ILS工作频段内的幅频特性；理论分析电气化铁路线垂直穿越航空器下滑道的电磁兼容问题；以防护率为评估依据，结合实测数据，给出电磁兼容预测；为电气化铁路的选线和机场选址提供建议及数据支撑。

1 ILS及其电磁环境要求

ILS是引导飞机进行精密进近和着陆的导航系统。它由三个分系统组成，包括航向信标、下滑信标和指点信标。每个分系统又包含地面发射设备和机载接收设备两个部分，本文讨论的是对机载接收设备的影响。

飞机在进近着陆时，为了保障ILS的正常运行，ILS各信标的防护率R应满足

Es-En≥R

( 1 )

式中:Es为飞机处ILS地面设备发射的导航信号;En为飞机处同频骚扰信号(本文指弓网电弧辐射骚扰信号)。式( 1 )也是判断是否存在干扰的依据。

针对弓网电弧这类辐射骚扰，GB/T 6364规定了ILS各信标的防护率要求[11]，见表1。

2 弓网电弧及其典型位置

文献[12]对武广高速铁路进行了弓网电弧的辐射测试，从其测试结果可以得到弓网电弧频率主要集中在30～400 MHz，而且幅值普遍在50～70 dBμV之间，最大幅值可达86 dBμV。虽然ILS只工作在固定频点上，但是弓网电弧这种随机型脉冲骚扰，部分频率极有可能落在ILS工作频点上，造成同频干扰。

弓网电弧的产生与接触网悬挂方式、外界环境、供电制式、列车运行状态以及弓网匹配等因素密切相关，因此，弓网电弧的产生原因十分复杂[13]。一般列车在运行过程中易产生弓网电弧的位置大致可以分为三类：电分相、锚段关节和普通点。电气化铁路不同位置处产生的弓网电弧不尽相同，应根据具体情况具体对待。

表1 ILS各信标防护率要求

2.1 电分相

我国电气化铁路上运行的电力机车和动车组均采用单相供电，为平衡电力系统各相负荷，牵引供电方式一般实行相序轮换供电，为此在接触网不同供电臂的分解处设置了绝缘结构，即电分相。列车受电弓从有电区进入无电区，又从无电区进入有电区，极易产生拉弧现象[14]。

2.2 锚段关节

接触网是由很多在机械上相互独立的锚段组成的，两个相邻锚段相衔接的区段称为锚段关节。锚段关节能使受电弓沿一个锚段的接触网平稳滑行到相连锚段的接触网上。在过渡区内，两侧锚段分别由工作支变为非工作支或由非工作支变为工作支，即受电弓与接触网从良好接触到脱离接触或从未接触到良好接触。若供给受电弓与接触线间隙的电压与电流超过生弧电压与生弧电流，电弧的产生将不可避免[15]。

2.3 普通点

普通点指的是接触网的连续段，即没有机械或者电气隔离的部分。在弓网滑动接触过程中，因表面不平顺、有硬点或冰雪等异物以及弓网接触压力较小等情况，受电弓与接触网无法良好接触，从而产生电火花或者燃弧现象[16]。这类电弧的产生是一种随机现象。

3 现场测试方案

本文按照GB/T 6364的测试要求进行弓网电弧现场实测[11]。在电气化铁路沿线选取典型测试点，利用接收机和天线，在仪表着陆系统的三个频段内进行频谱测试。

3.1 测试位置

由上述讨论可知，产生弓网电弧的因素很多，本文要探究电气化铁路不同位置处的辐射情况，并找到辐射最强点，故测试点选取在同一条铁路沿线，针对同一种列车，沿同一运行方向、相同运行速度的几个典型测试点上进行。本次测试点选择的是达成铁路复线上的3种典型测试点：电分相、锚段关节和普通点，其中电分相选了2处。测试对象选择的是运行速度为200 km/h的16编组动车组，运行方向均选择成都到达州的方向，见图1。

表2 天线与轨道的相对位置m

因测试现场地理条件的限制，每个位置的测试点的天线到轨中心的距离D与到轨平面的高度H根据现场环境而定，其具体参数见表2。表2中负数表示测试天线位置在轨平面以下。测试结果可以根据GB/T 24338.2中的规定转换为10 m法标准值[17]。

3.2 测试仪器

本次测试频段为仪表着陆系统的三个信标：指点信标(75 MHz)、航向信标(108～112 MHz)、下滑信标(328.6～335.4 MHz)。故测试仪器采用R&S公司的接收机ESCI，其测试频率范围为9 kHz～3 GHz。测试天线选用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～1.3 GHz)。根据测试频段信号的极化方式，测试天线采用水平极化方式，架设高度为1.5 m。

3.3 测试参数

经现场调研，在测试位置电分相处，列车经过必拉弧，拉弧持续时间约400 ms。所以接收机扫描时间不宜过长，应低于拉弧持续时间，以免影响测试的准确性，故采用点频读取模式。

不同敏感设备对测试采用的检波方式要求不同，为了使结果更具普遍性，本次测试直接采用三种检波方式。接收机参数设置见表3。

表3 测试仪器参数设置

按表3设置，在4个测试地点、针对3个测试频率点，在16编组动车组经过时，进行点频读取。为了考虑环境因素，在列车到来之前，进行一次背景扫描，便于对比。

4 测试结果与分析

4.1 换算

(1) 接收机测得的数据是接收端口的电压或功率，转换为电场强度需要再加天线系数AF。考虑放大器和衰减器增益G和线缆损耗L，换算公式为

E=U-G+AF+L

( 2 )

式中：E为转换后的电场强度;U为接收端口的电压。

( 3 )

换算后的天线与导轨相对位置见表4。

表4 换算后的天线与轨道相对位置 m

(3) 将各点测试获得的测试数据转换为10 m处的测试结果，即

( 4 )

4.2 测试结果

根据上述换算，得到距离弓网电弧10 m处辐射测试值见表5。

从表5中数据可以看出：

(1) 测试点不同，电弧产生的电磁骚扰程度不同，电分相处明显高于锚段关节和普通点。故分析电弧对其他设备的影响，应考虑到铁路不同位置的影响，尤其是电分相处。

(2) 检波方式不同，测试数值不同，其中峰值检波数值最大。故根据不同敏感设备的电磁兼容要求，在分析时应采用对应的检波方式测得的数据。考虑最严苛的情况，本文采用峰值检波数据来分析。

表5 10 m处辐射测试值 dBμV/m

4.3 电磁兼容预测

如图2所示，以一起典型的铁路线垂直穿越飞机下滑道为例，其相关参数见表6。以表中峰值检波数据为基础，讨论电气化铁路弓网电弧对ILS的影响。

表6 机场ILS及敏感点相关参数

设ILS信标台发射功率为P，天线增益为G，则观测点(飞机处)的功率谱面密度为

( 5 )

式中:ds为观测点到ILS信标台的距离。

Es=134.77+10 lgP+G+20 lgds

( 6 )

式中:Es为观测点处ILS信标的电场强度。

电气化铁路电弧距离飞机dn处骚扰场强为

( 7 )

式中:En为观测点处电弧的骚扰场强;E10为距离电弧10 m处的电场强度;dn为电弧到观测点处的距离。根据式( 6 )和式( 7 )得

Es-En=

( 8 )

设θ1为下滑道与电弧点到信标台连线的夹角，θ2为下滑道与电弧点到飞机连线的夹角，根据几何关系有

( 9 )

代入式( 8 )得

Es-En=114.77+10 lgP+G-

(10)

按照表5、表6中的参数，利用式( 8 )可以得到电气化铁路不同位置电弧电磁辐射(峰值)与ILS信号的相对值(Es-En)，见表7。

从表7中的数据可以看到：

(1) 电分相处相较锚段关节和普通点(Es-En)明显更小，说明电分相处弓网电弧辐射骚扰最大。

(2) 电分相1和电分相2处对ILS航向信标的(Es-En)均已低于防护率要求4.8 dB和5.8 dB，而其他均未超标，即此时交汇点处的电气化铁路结构刚好是电分相时，其弓网电弧产生的电磁辐射就极有可能会对ILS的航向信标构成同频干扰。

表7 各测试点(Es-En)大小及防护率

所以弓网电弧是否会对ILS造成干扰，主要是考察(Es-En)是否超出ILS防护率R的要求，而电分相处的弓网电弧是考虑的重点。弓网电弧辐射具有随机性，数值可能会更大，故考虑10 dB富裕度，建议电分相应选址在距离交叉点250 m以外。

5 结论

(1) 以达成铁路复线的现场实测数据进行分析，电气化铁路电分相处产生的弓网电弧辐射值最大。距离接触网10 m处，弓网电弧在ILS的指点信标、航向信标和下滑信标的工作频段内的辐射峰值数据分别可达87.6 dBμV/m(75 MHz)、89.3 dBμV/m(110 MHz)和82.2 dBμV/m(332 MHz)。

(2) 电气化铁路垂直穿越飞机下滑道时，弓网电弧对航向信标和下滑信标的最强骚扰点在铁路线与下滑面交叉点的正上方；对指点信标的最强骚扰点为指点信标台站正上方。

(3) 以ILS的防护率为评估依据，本例中电分相处弓网电弧对ILS航向信标的(Es-En)低于了防护率要求，故电气化铁路电分相处弓网电弧对ILS航向信标的电磁兼容性是考虑的重点，电分相选址应尽可能远离飞机下滑道。

现场测试结果与电磁兼容预测方法，可为电气化铁路与民航的电磁兼容性研究提供数据支持和理论依据，并为电气化铁路的选线以及机场选址的合理化与可行性提供技术支持。