中低速磁浮交通与机场电磁安全防护距离研究

虞 凯, 魏 波, 段永奇, 熊 洁

(中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031)

中低速磁浮交通近年来发展速度迅猛.国际上，日本和韩国先后开通了商业运营线，2005年，日本开通了世界第一条中低速磁浮商业运营线——日本名古屋东部丘陵线，2016年2月，韩国仁川国际机场城市磁浮列车示范运营线正式投入营运；我国的中低速磁浮交通也迎头赶上，目前已开通运营了两条商业线：2016年的长沙中低速磁浮和2017年的北京磁浮S1线，另外，凤凰磁浮项目正在建设中.

不同于轮轨交通，中低速磁浮交通是一种采用磁浮技术实现列车与轨道无接触运行的轨道交通，因此其具有节能环保、噪音低、线路适应性强等优点[1-3]；不同于高速磁浮交通[4]，中低速磁浮采用短定子直线感应电机牵引，运行中需要地面供电装置对磁浮列车接触供电[5]，我国中低速磁浮交通系统采用直流1 500 V的接触轨供电方式.

根据中低速磁浮交通的原理，磁浮列车运行时会对外界产生电磁辐射.与高速磁浮不同，中低速磁浮交通仅在运行列车的周围产生电磁辐射，轨道系统在无车状态下不存在电磁场.已有研究表明，中低速磁浮交通产生的电磁场量值较小，对人体健康不会产生危害[4].但是对于一些精密仪器、特别是对电磁比较敏感的设施，中低速磁浮交通的电磁辐射是否有影响，需要进行研究.

中低速磁浮交通作为城市轨道交通的选择之一，通常会遇到与铁路、机场等不同系统的交叉，例如长沙磁浮跨越沪昆高铁，并接入长沙黄华机场.已有文献通过测试手段，证明中低速磁浮交通产生的电磁辐射不会影响铁路无线设施的正常运行[5-6].机场则拥有航空管制、仪表着陆等众多对电磁敏感的无线设施，部分设施对飞机的安全起降起到至关重要作用.因此，需研究中低速磁浮交通对机场无线设施的影响情况.

本文作者结合机场相关无线设施的电磁兼容性要求，系统分析了中低速磁浮交通的电磁辐射和对机场无线设施的影响，提出了中低速磁浮交通与机场无线设施之间的电磁安全防护距离，为今后的工程设计提供支撑.

1 机场无线设施的电磁环境要求

电磁波可通过天线耦合、线缆耦合、腔体耦合等多种方式使电子设施产生感应电压，进而影响内部元器件，其中天线耦合产生的感应电压最为强烈.机场无线设备主要包括方向信标台、超短波定向台、航向信标台、下滑信标台、指点信标台、仰角台、全向信标台、测距仪台、塔康导航台、分米波近程导航台、分米波航向/测距信标台、分米波下滑信标台、VHF通信系统等.根据《航空无线电导航台(站)电磁环境要求》(GB 6364—2013)[7]，以上设施的电磁环境要求如表1所示.

表1 机场无线设施电磁环境要求

2 电磁辐射影响理论分析

2.1 中低速磁浮电磁辐射原理

中低速磁浮系统在列车运行时，对外产生的电磁辐射主要来源于悬浮电磁铁产生的直流稳态磁场、直线电机产生的低频交流磁场、电刷与供电轨之间的火花电弧产生的高频电磁场3个方面[8].中低速磁浮对外的电磁辐射是一个复合空间电磁场.但前两者的电磁场由于场强和频率很低，无法形成有效的辐射，只分布在列车四周.因此，在研究中低速磁浮系统内部设施时，需考虑以上3个电磁场的复合场；而对外部相关设施的电磁辐射影响，主要还是来自于火花电弧的高频电磁场.

基于此，本文在理论分析方面，主要考虑直流1 500 V的火花电弧产生的电磁辐射影响，其辐射电磁场可通过以下公式计算得到

(1)

(2)

(3)

式中：Er和Eσ为电场强度;Hφ为磁场强度；λ为电磁波波长；I为电弧电流；D为距天线距离；l为电弧等效天线长度；Z0为天线负载阻抗；(r，σ，φ)表示球坐标系下3个分量.

根据DC1 500 V电弧的等离子体模型公式[9-10]，在参数可调范围内，该等离子体模型能产生的电弧电压中100 V是一个极限最大值，选取此条件下的电弧电流作为激励源.并对式(1)～式(3)采用时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)计算得到电弧的电磁场分布.

2.2 10 m范围下的电磁辐射影响情况

选取D为10 m，可计算得到距离中低速磁浮10 m处，机场各类无线设施受电磁辐射值.以超短波定向台为例，通过FDTD计算和傅里叶变换，得到其工作频段为118～150 MHz和225～400 MHz范围内受到的电磁辐射的频谱见图1.

超短波定向台最低定向信号场强为90 μV/m=39.08 dBuV/m，考虑20 dB的防护率，得到电磁环境要求门限值为19.08 dBuV/m.对于中低速磁浮的电磁辐射强度，118～150 MHz频段，取中心频率134 MHz的场强幅值为-78.39 dBV/m(41.61 dBuV/m)；225～400 MHz频段，取中心频率312.5 MHz的场强幅值为-83.47 dBV/m(36.53 dBuV/m),都超过了设备的电磁环境要求门限值.因此，在距离10 m处，中低速磁浮交通的辐射电磁场会对超短波定向台产生电磁干扰，影响其正常运行.

同理，可得到其他无线设施受影响情况见表2.

表2 距离中低速磁浮系统10 m处的电磁辐射值

由表2可见，中低速磁浮交通与机场相距10 m时，其产生的电磁辐射对无方向信标台、超短波定向台、航向信标台、下滑信标台、全向信标台、分米波航向/测距信标台、分米波下滑信标台、VHF通信系统产生电磁干扰，对其他设备的正常工作没有影响.

3 现场实测值分析电磁辐射影响

3.1 测试概况

采用中铁二院工程集团有限责任公司在2016年对株机厂磁浮试验线的测试数据为依据进行分析.采用R&S EB200测量接收机对中低速磁浮交通在无车、列车加速通过、减速通过和悬停4种场景进行测量，获得距离磁浮列车10 m处超短波定向台和测距仪台所在频段的电磁辐射值，以此分析对这两种设施的电磁干扰影响情况.测试具体环境如图2所示.

3.2 超短波定向台

超短波定向台测试数据见图3.由图3知，磁浮列车在悬停时与无车通过时的背景基本一致，对外电磁辐射值极小.磁浮列车在加速和减速时的整体环境噪声相对于无车时的环境噪声有明显增加，这是由于磁浮列车在通过时，由于电刷与接触轨之间的不平顺产生火花电弧，由此引起对外电磁辐射.从以上的测试数据可得，在超短波定向台所在频段，磁浮列车在运行时所辐射的信号电平均小于-98 dBm(相当于场强值为38 dBuV/m).对比表1，在距离中低速磁浮10 m处，不满足超短波定向台的电磁环境要求.

3.3 测距仪台

测距仪台测试数据见图4.从以上的测试数据可得，在测距仪向台所在频段，磁浮列车在运行时所辐射的信号电平均小于-97 dBm(相当于场强值为35 dBuV/m).对比表1，在距离中低速磁浮10 m处，测距仪台不受中低速磁浮交通影响，可以正常运行.

4 电磁安全防护距离

4.1 概念提出

针对中低速磁浮交通电磁辐射的影响，提出了电磁安全防护距离的概念.当中低速磁浮在距离x0处的电磁辐射值，等于机场无线设施电磁环境要求门限值时，x0称为电磁安全防护距离.当设备距离中低速磁浮交通线路大于x0时，设备不受磁浮交通影响，可以正常运行.因此，在修建中低速磁浮交通时，应满足线路任何位置与机场无线设备的距离大于电磁安全防护距离.对于不同的设施，由于电磁环境要求不同，会有不同的电磁安全防护距离.

4.2 电磁安全防护距离计算

采用天线的功率密度计算公式对场强进行推算，并结合机场无线设施的电磁环境门限值要求，计算得到电磁安全防护距离x0.

令pinT为球坐标(θ，φ,r)处的功率密度，gT为增益，则在距离r处的辐射功率s=pinTgT(θ，φ,r)/(4πr2).两边取对数，可得

S=PinT+GT- 20lg(r) -10.99

(4)

式中：S=10lg(s)，PinT= 10lg(pinT)，GT=10lg(gT(θ，φ,r)).则对于不同距离r1和r2，分别对应S1和S2，可得

S2-S1=20lgr1-20lgr2

(5)

(6)

式中：E为电场强度.利用式(6)，可通过已知远场区r1位置的场强，推算得到r2位置的场强.假设距离中低速磁浮交通10 m处的电磁辐射值E10，可得在距离任意x处的辐射场强值为

(7)

假设，当距离中低速磁浮交通x0处的辐射场强值Ex0等于机场无线设施的电磁环境要求门限值EK，即可得到电磁安全防护距离为

(8)

4.3 理论计算磁浮与机场的电磁安全防护距离

将表2中各类机场无线设施在距离中低速磁浮交通10 m处受到的电磁辐射值，以及表2中各类设施的电磁环境要求门限值，分别代入式(8)，即可计算得到机场无线设施的电磁安全防护距离，见表3.

表3 中低速磁浮系统与机场无线设施的电磁安全防护距离Tab.3 Electromagnetic safety protection distance between medium and low speed Maglev system and airport wireless facilities

由表3可知，无方向信标台、超短波定向台、航向信标台、全向信标台、VHF通信系统等设施，受中低速磁浮电磁辐射影响较大，要求距离在百米以上.而对于方位台、仰角台、测距仪台、塔康导航台、分米波近程导航台等无线设施，基本不受中低速磁浮电磁辐射影响，即在中低速磁浮交通实际工程建设中，可以不必考虑对这几类设施的电磁辐射影响.

4.4 基于测试值的电磁安全防护距离

基于中低速磁浮交通在超短波定向台和测距仪台所在频段的电磁辐射测试值，与超短波定向台和测距仪台的电磁环境要求门限值进行对比，通过式(8)的电磁安全防护距离计算方法，可得到中低速磁浮交通与以上两类设施的电磁安全防护距离要求.

图5中的容许最大干扰值即电磁环境要求门限值.由图5可知，当中低速磁浮系统与超短波定向台距离小于89 m时，磁浮系统产生的辐射干扰值大于超短波定向台的容许最大干扰值，超短波定向台被干扰，可能无法正常工作.因此，建议全向信标台与磁浮系统的安全防护距离大于89 m.同理，根据图6可推算出测距仪台与中低速磁浮交通的电磁安全防护距离为2 m.

对比测试结果与理论计算结果，数值基本接近，测试结果小于理论计算结果基本合理，这是由于理论计算是基于火花电弧最大激励电流计算得到.

5 结论

1)中低速磁浮交通在车体周围存在悬浮电磁铁的直流稳态磁场、直线电机产生的低频交流磁场和火花电弧产生的高频电磁场的符合电磁场，远场则主要是火花电弧产生的电磁辐射.并通过计算得到机场各类无线设施的电磁安全防护距离.针对计算结果可知，中低速磁浮对无方向信标台、超短波定向台、航向信标台、全向信标台、VHF通信系统等设施影响较大，在工程设计时，磁浮与机场的安全防护距离在百米以上.

2)通过现场测试，得到中低速磁浮列车在不同运行状态下的实际电磁辐射值，对比发现，由于火花电弧的电磁辐射，磁浮列车在加速和减速时对外电磁辐射值要高于悬浮状态下的辐射值.并根据测试值，得到了超短波定向台和测距仪台的电磁安全防护距离分别为89和2 m.略小于理论计算结果，这是由于理论结果是基于电弧电压极大值条件下得到.

本文提出的电磁安全防护距离可为中低速磁浮交通的工程建设提供支撑，特别是线路选线.当磁浮线路连接或经过机场时，应满足磁浮对机场各类无线设施的电磁安全防护距离要求.