中低速磁浮列车电弧对机场塔台甚高频电磁干扰研究

朱峰，谢雨轩，翁文雯，李鑫，周超

中低速磁浮列车电弧对机场塔台甚高频电磁干扰研究

朱峰1，谢雨轩1，翁文雯1，李鑫1，周超2

(1.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2. 中国民用航空飞行学院 民航飞行技术与飞行安全重点实验室，四川 广汉 618307)

为了从实测与标准的比较上研究磁浮列车电弧对机场VHF(甚高频)的影响，在国内某磁浮线路选取一些典型位置，采用点频测试和峰值、准峰值、平均值的检波方式在VHF的工作频段内开展磁浮列车电弧的电磁辐射测试；在获取标准10 m法处的电磁辐射特性后，结合GB/T 6364《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》和MH 4001.1中关于保护率的相关要求对其进行电磁兼容分析，得出保护距离与磁浮列车电弧辐射特性的关系。研究结果表明：当磁浮列车线路与机场跑道延长线的距离大于183 m时，该磁浮列车电弧辐射不会对VHF的正常工作造成干扰。本文的研究结果可为机场区域轨道交通化和磁浮列车的选址提供依据。

铁路运输；磁浮列车电弧；电磁辐射测试；VHF；电磁兼容

随着我国城市轨道系统的不断发展，各类交通工具都在向高速与环保的方向靠拢[1]，磁浮列车是介于铁路与航空之间的一种新型非接触式地面运输工具，其作为一种更快速、更经济、更环保的新型交通工具逐渐成为了人们注意的焦点。中低速磁浮列车的运行速度在100~200 km/h，通常适用于城市公共轨道交通系统，具有节能环保、环境友好、运行和维护成本低等优点[2]。中国在湖南长沙建立了首条中低速磁浮交通系统，在其高铁南站至机场具有窗口作用的线位修建磁浮线路，将长沙高铁南站和长沙黄花机场站两大交通枢纽连接起来，实现了长沙两大重要交通节点的“无缝衔接”。为乘客提供了安全、快捷、舒适的交通出行方式。机场通导设施作为电磁敏感设备易受到外界的干扰[2]，一旦受到干扰，将影响到空中和机场地面的交通安全。因此研究中低速磁浮轨道交通系统对机场塔台甚高频等通导设施的电磁影响，对于机场民航的安全运行具有重要的意义。针对中低速磁浮轨道交通系统的电磁干扰问题，国内外学者进行了大量的研究。魏波等[3]采取模拟测试的方法，通过分析试验线测试数据，推导了高铁GSM-R通信系统受中低速磁浮列车的电磁影响状况。武岩[4]通过实测对磁浮列车在高速运行时对外的无线电干扰进行了初步的论证。罗茹丹等[5]对中低速磁浮列车间隙传感器进行分析，在单磁铁模块模型的瞬态磁场仿真基础上对间隙传感器所处空间的电磁干扰展开了研究，并给出解决方案。Brecher等[6]现场实测的方式对TR08磁浮列车系统对外界潜在的环境影响作出了评估。由于在长沙建立的首条中低速磁浮系统可能对机场的导航运行产生影响，机场塔台甚高频(VHF)是目前民航地空通信最重要的手段，而VHF的抗干扰能力较低，因此需要测试和评估磁浮列车对VHF的电磁干扰影响。目前针对VHF的电磁干扰影响研究，大多是关于电子设备、电气化铁路等对VHF的电磁影响研究[7−10]。针对磁浮列车这类新型运输方式对VHF的电磁影响研究较少，本文首先分析了VHF以及相应的电磁环境要求，接着通过现场实测的方式进行磁浮列车的电弧测试，并结合实测的相关数据给出对塔台甚高频电磁兼容的分析，为磁浮轨道交通系统的路线选取和机场的选址提供了依据。

1 VHF及电磁环境要求

VHF设备是地空通话设备，用于管制员指挥飞行员使用，对于民航通信起着至关重要的作用；VHF频段为118~136.975 MHz，其设备的接收机灵敏度通常为−107 dBm，对外界电磁环境要求非常高。长沙磁悬浮工程距离机场雷达站394 m，站内配备有VHF等通导设备，该距离不满足《民用航空通信导航监视台(站)设置场地规范第2部分监视》(MH/T4003.2)中关于电气化列车最小保护距离小于700 m的要求[11]。

由此可知，磁悬浮路线和磁浮机场站距离空管太近，无论运行和启动状态下的磁悬浮电磁噪声以及磁悬浮车站对VHF信号的遮挡都不可忽视，且机场的通导设备对周围空间电磁环境要求都非常高，这些设备一旦受到干扰，都将严重影响空中交通管理安全。因此进行长沙磁悬浮工程对机场电磁环境特别是对VHF塔台影响的测试与评估是非常必要的。

根据GB/T 6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》及MH 4001《甚高频地空通信地面设备通用规范》标准，VHF的相关电磁环境要求如表1所示。

表1 VHF电磁环境要求

2 磁浮列车电弧测试

电弧的产生是一个电场、磁场等多个物理场之间相互耦合变化的复杂过程，国内外学者针对弓网电弧展开了诸多研究[12−14]。其具有求解难度大、计算结果难以进行系统验证等特点。因此本文直接对磁浮列车进行现场实测，以已经运营的长沙磁浮列车作为测试对象，对磁浮列车电弧干扰进行测试与评估。

磁浮列车的受流方式采用接触轨受流，由于磁浮列车在正常状态下车辆与轨道没有直接接触，因此磁浮列车与地铁等不同，不能用钢轨作为回流线，必须由2根相互独立的接触导线构成[15]。磁浮列车在正常运行时处于悬浮状态，但在运行过程中容易发生轻微的抖动，电刷与供电轨的接触状态会随磁浮列车运行状态变化而发生不同程度的偏移摆动，在磁浮列车电刷与供电轨分离瞬间出现火花放电，产生拉弧现象，供电轨在此时成为一个辐射体，对外产生高频电磁辐射。

2.1 测试仪器及测试地点选取

测试仪器采用了R & S公司的ESCI接收机，测试天线选用了R & S公司的双锥天线HK116。在测试位置的选取上，严格按照GB6364—2013《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》和GB/T 24338—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》(等同于IEC62236—2003)的要求进行选点，在此次测试中，测试点选在长沙磁浮㮾梨站至磁浮机场站之间的牵引变电所，距离磁浮机场站3 km，处于磁浮线路的15.5 km至15.6 km之间。现场布局示意图如图1所示。

图1 现场布局示意图

2.2 测试参数设置

经过现场测试分析可知，磁浮列车在经过测试点时候必发生拉弧现象，对外产生高频电磁辐射，但电弧产生总的持续时间在350 ms左右。因此接收机的扫描时间不能设置过久，以免影响测试数据的准确度。故此次测试采用点频测试，根据测试频段信号的极化方式，测试天线采用垂直极化的方式，天线架设高度为1.5 m。测试仪器的技术指标见表2。

表2 测试仪器技术指标

至于检波方式，GB/T 24338.2—2011中采用的是峰值检波，而多数电子设备采用的是平均值或准峰值检波。为了全面的分析磁浮列车拉弧时对外发射的高频电磁辐射特性，测试中同时采用3种检波方式。接收机的具体参数设置如表3所示。

表3 接收机参数设置

按照上述参数设置，在测试地点，针对测试频点，当磁浮列车经过时，进行点频测试。考虑到环境等因素的影响，在磁浮列车来之前，需要进行背景测试，便于进行数据的对比。在接收机分辨率选取上，严格执行GB/T 24338—2011中点频读取测试的规定，频率范围介于30~300 MHz时，RBW设置为120 kHz。

3 测试结果及数据分析

3.1 测试结果

在进行测试时，采用双锥天线测量磁浮列车电弧辐射的场强值，电磁干扰接收机的读数一般为电压或功率，转换为场强时需要进行单位变换，变换公式为：场强读数=接收机电压读数+天线系数+线缆等衰减。在进行实际测试时，由于接收机在采用点频测试的方法捕捉干扰信号时，一次只能检测一个频点，而在VHF的工作频段118~136.975 MHz内，虽然频率范围较窄，但在频率范围内仍有无数个频点。但可以从概率的角度考虑，磁浮列车在运行时，电刷与供电轨相互接触产生电弧对外产生高频电磁辐射，电弧放电的能量在窄带的每一频点上不可能存在大的差别[16]。因此在VHF的工作频段内选取了几个典型频点进行点频测试。

如图1所示，实际测试距离为m，为了便于计算，根据GB/T 24338.2—2011中的规定需要将每个测试点获得的实测数据利用式(1)将其换算为10 m处的场强：

式中：10和E分别为10 m法处和现场实际距离测得的电场强度；为转换系数，在频段30~110 MHz时，=1.2；在频段110 MHz~1 GHz时，=1.0。

结合GB/T24338—2011中关于使用峰值检波方法的相关规定，考虑到最严苛的情形，在后续进行电磁兼容预测分析中采用峰值检波数据研究磁浮列车电弧对VHF的影响。使用ESCI接收机测得的m处VHF测试点数据后，利用公式(1)将其转化为10 m法的测试点数据，如表4所示。

表4 磁浮列车电弧10 m处辐射测试数据

3.2 数据分析

分析表4的数据，可以看出：

1) 在VHF的工作频段内，无论在哪个工作频点上和检波方式下，对比背景测试下的数据，来车时的测试数据表明磁浮列车产生的电弧存在明显的电磁辐射。

2) 在VHF工作频段内，测试结果最小10 m法数据是68.1 dBμV/m，在128 MHz频点处。测试结果最大那次的10 m法数据达83.5 dBμV/m，在136 MHz频点处。由于磁浮列车电弧放电的随机特性，即磁浮列车在本次拉弧和下次拉弧时候在同一个频点的能量不同。因此，考虑到电弧辐射的随机性，在后续进行分析时均需考虑10 dB的富裕度。

3) 为了全面准确的分析电弧的辐射特性，测试中采用了3种检波方式，检波方式不同，测试得到的数值不同，采用峰值检波时候的测试数值最大，采用平均值检波时候测试得到的数值最小。但考虑到电弧放电的随机特性，从最严苛的角度考虑，在后续分析时选择采用峰值检波数据研究中低速磁浮列车电弧对机场塔台甚高频的影响。

4 磁浮列车电弧电磁辐射对VHF的影响

图2为某一典型的磁浮线路与机场跑道平行时的电磁兼容预测示意图，此时需要进一步分析磁浮列车电弧作为干扰源时对机场VHF的影响。

图2中，为飞机的下滑角，取值范围2°~4°，通常取3°；1为机场VHF塔台到飞机VHF接收机的距离；2为磁浮列车拉弧点与飞机飞行时投影地面间的距离；3为磁浮列车电弧到机载VHF接收机的距离；为飞机飞行时距地面的垂直高度；为磁浮轨道距地面的垂直高度。虽然磁浮列车距地面有一定距离，但相比于飞机飞行时的垂直高度以及机场VHF塔台距飞机机载VHF接收机的距离都相差太大，因此在进行后续分析时可忽略磁浮列车本身距地面的高度。

图2 电磁兼容预测示意图

设VHF的发射功率为，W，天线增益为，dB，根据电波传播理论。在自由空间中距VHF塔台1m处功率谱面密度为：

在VHF的工作频段内飞机接收到的电场信号强度与功率谱面对存在如下转换关系：

考虑到单位转换同时取对数可得有用信号 强度：

式中：E为飞机接收到机场VHF塔台的信号强度，dBμV/m。在同频段内，磁浮列车电弧距机载VHF接收机3m处的骚扰场强为：

而根据磁浮列车线路与机场下滑道的几何关系可得：

代入可得：

由式(2)~(10)便可推出在满足VHF防护率的前提下，磁浮列车高架应与机场跑道保持多远的安全距离，才能避免磁浮列车电弧对VHF的正常运行产生干扰。

图3 Es−En与拉弧点到机场跑道垂直距离的关系

对比表4的测试数据，磁浮列车经过测试点，来车时在136 MHz频点处10 m法场强值达到83.5 dBμV/m，由于电弧辐射具有随机性，数值可能会更大，故考虑10 dB富裕度，结合图3所示，建议磁浮列车路段修建应距离机场跑道183 m外。

5 结论

1) 根据MH 4001.1-1995中VHF防护率15 dB 的要求，本例中磁浮列车电弧辐射最大在136 MHz处可达83.5 dBμV/m，考虑10 dB的富裕度，可能达到93.5 dBμV/m。但根据VHF防护率15 dB要求，结合现场实测数据进行进一步的分析。当磁浮列车拉弧点与机场跑道的垂直距离大于183 m时，即可满足(E−E)＞15 dB的要求，不会对机场甚高频通信造成干扰。

2) 采用电磁兼容现场测试与电磁兼容预测相结合的方法，可为磁浮列车与机场导航设施的电磁兼容研究提供实测数据支撑和理论依据，为磁浮列车的选线和机场选址的可行性提供一定基础。

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Research of low-speed maglev train arc on electromagnetic disturbance of airport very high frequency

ZHU Feng1, XIE Yuxuan1, WENG Wenwen1, LI Xin1, ZHOU Chao2

(1. School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Flight Techniques and Flight Safety, CAAC, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, China)

In order to study the effect of maglev train arc on airport very high frequency (VHF) from the comparison of actual measurements and standard, some typical positions were selected in one of domestic maglev line. Point tests as well as the detector mode of peak, quasi peak and average value were selected to carry out the electromagnetic radiation tests of maglev train arc in the working frequency of VHF. After acquiring the electromagnetic radiation characteristics of standard 10 m method, according to the requirement of GB/T 6364 and MH 4001.1 related protection rate, the electromagnetic compatibility of arc radiation was analyzed. The relationship between protection distance and radiation intensity of maglev arc was given. The result shows that when the distance between the maglev train line and the airport runway extension line is greater than 183 m, the arc radiation of maglev train will not interfere with the normal operation of the VHF. The results in paper can provide a basis for the location of the airport regional rail transit and maglev train lines.

railway transportation; maglev train arc; electromagnetic radiation test; VHF; electromagnetic compatibility

U237

A

1672 − 7029(2020)03 − 0750 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190417

2019−05−14

国家重点研发计划资助项目(2018YFC0809500)

朱峰(1963−)，男，安徽阜阳人，教授，从事电磁理论、电磁兼容设计等方面的研究；E−mail：zhufeng@swjtu.cn

(编辑 蒋学东)