城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾頻率和源強特性的研究

范季陶 李天石 張 晨 蘇立軒 馬九洋

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所，100081，北京//第一作者，副研究員)

城市軌道交通會對周圍環(huán)境產(chǎn)生無線電干擾。列車運行時，車載受電設(shè)備與地面供電設(shè)施連續(xù)滑動摩擦，瞬間分離時會產(chǎn)生脈沖干擾。該干擾從頻域上看表現(xiàn)為單調(diào)下降的寬頻帶頻譜。

在國內(nèi)，對城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電磁場的研究基本都集中在其對人體健康的輻射影響領(lǐng)域，往往使用非選頻式測量設(shè)備進行寬頻帶電磁輻射功率密度測試，而對其干擾頻率特性及源強特性的研究很少。

實際上，軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾頻率特性及源強是分析工程對沿線電磁敏感設(shè)備影響的重要依據(jù)。例如，信號樓及調(diào)度樓內(nèi)的通信信號設(shè)備，以及車站內(nèi)的乘客信息系統(tǒng)、防災(zāi)報警系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等機電設(shè)備，都有可能受到列車運行產(chǎn)生的無線電干擾影響，進而影響行車指揮、調(diào)度、客服及防災(zāi)等系統(tǒng)的可靠性，不利于安全運輸和提高系統(tǒng)運行效率。另外，這種干擾影響也可能會延伸到系統(tǒng)以外的其它電磁敏感設(shè)備。例如，城市軌道交通線路引入機場，可能會干擾機場雷達和導航設(shè)施的正常工作，增加選線的難度和建設(shè)成本[5]。

1 無線電干擾發(fā)射標準

根據(jù)GB/T 24338.2—2011(IEC 62236-2) 《軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射》，整個軌道交通系統(tǒng)對外界發(fā)射的無線電干擾限值曲線如圖1所示[6]。 該限值曲線來自IEC標準，是國際公認的關(guān)于軌道交通系統(tǒng)對外界電磁發(fā)射評價和驗收的依據(jù)。

圖1 整個軌道系統(tǒng)向外界發(fā)射的無線電干擾限值

2 無線電干擾測試方法

2.1 測量設(shè)備

無線電干擾的測試設(shè)備包括：ESCI測量接收機、0.009～30.000 MHz環(huán)天線及30.000～1 000.000 MHz寬帶組合天線。所用設(shè)備均滿足GB/T 6113.101—2008的技術(shù)要求。

2.2 測量方法

目前，城市軌道交通常用的牽引供電制式有[1]：①制式一為DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)式供電，通過接觸網(wǎng)和受電弓的滑動接觸為列車供電，并由走行軌回流[2]；②制式二為DC 1 500 V或DC 750 V的第三軌受流式供電，通過接觸軌與集電靴的滑動接觸為列車供電，并由走行軌回流[3]；③制式三為DC 1 500 V膠輪跨坐式單軌線路供電，該供電制式類似于接觸受流方式，其供電線及回流線分別位于軌道梁兩側(cè)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與前兩種制式有很大不同[4]。

為了充分掌握目前城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾頻率和源強特性，本研究選取了上述三種常見供電制式的城市軌道交通線路進行測試分析。

測試路段選在地面段或高架段，線路測試時的列車運行速度為60～80 km/h。

地面無線電干擾測點的設(shè)置滿足GB/T 24338.2—2011要求：測點應(yīng)避開高壓輸電線等干擾源，且測試時要天氣晴朗。地面段測點的天線架設(shè)于距線路外軌中心線10 m處。其中，0.009～30.000 MHz環(huán)天線環(huán)面平行于線路，30.000～1 000.000 MHz寬帶組合天線分別水平和垂直極化，并指向線路。環(huán)天線架高1.0～2.0 m，寬帶組合天線架高2.5～3.5 m。高架段測點的天線距線路軌道中心線30 m，并通過GB/T 24338.2—2011的換算方法，將測試結(jié)果折算為距線路外軌中心線10 m處的源強。

根據(jù)標準要求：測量使用GB/T 6113.101—2008定義的波段和-6 dB帶寬；接收機設(shè)置為峰值檢波方式；為保證測試數(shù)據(jù)的準確性，在完整過車期間始終對單個頻點測試；測量各頻點的背景噪聲時，應(yīng)避開廣播和通信信號，并保證被測干擾頻率比背景噪聲頻率高6 dB以上。

2.3 測量頻率及典型頻點

測量頻段有0.009～0.150 MHz、0.150～30.000 MHz及30.000～1000.000 MHz等3個。根據(jù)線路特點，為得出頻率特性，每個測量頻段有3～5個頻點。具體頻點為0.050 MHz、0.100 MHz、0.150 MHz、0.500 MHz、1.000 MHz、3.000 MHz、5.000 MHz、30.000 MHz、50.000 MHz、100.000 MHz、150.000 MHz及300.000 MHz。每個頻點應(yīng)測試不少于5次過車數(shù)據(jù)[8]。

測試完成后，對各頻點的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，使用最小二乘法擬合出頻率和源強特性曲線，并選擇代表性頻點進行對標分析。本文選擇0.050 MHz、1.000 MHz和50.000 MHz作為各頻段代表性頻點進行分析。

3 無線電干擾測試數(shù)據(jù)及分析

3.1 實測數(shù)據(jù)與分析

3.1.1 0.009～0.150 MHz頻段

0.009～0.150MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線見圖2。

圖2 0.009～0.150 MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線

由圖2可知：在距外軌中心線10 m處， 0.009～0.150 MHz頻段，3種制式線路的實測頻率特性曲線均呈單調(diào)下降趨勢；制式一、二(DC 750 V)及三線路的倍頻程下降幅度分別為5 dB、7 dB及3 dB，代表性頻點0.100 MHz的峰值檢波干擾場強值分別為62 dBμV/m、49 dBμV/m及71 dBμV/m。

3.1.2 0.150～30.000 MHz頻段

0.150～30.000 MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線見圖3。

圖3 0.150～30.000MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線

由圖3可知，在距外軌中心線10 m處，3種制式線路的線路實測頻率特性(0.15～30 MHz)曲線均呈單調(diào)下降趨勢,制式一、二(DC 750 V)及三的線路倍頻程下降幅度分別為4 dB、4 dB及5 dB，代表性頻點1.000 MHz峰值檢波干擾場強值分別為64 dBμV/m、58 dBμV/m及68 dBμV/m。

3.1.3 30.000～1000.000 MHz頻段

30.000～1000.000 MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線見圖4。

圖4 30.000～1000.000 MHz頻段的無線電干擾頻率特性曲線

由圖4可知，在距外軌中心線10 m處，3種制式線路的實測頻率特性(30～1 000 MHz)曲線均呈單調(diào)下降趨勢，制式一、二(DC 750 V)及三線路倍頻程下降幅度分別為6 dB、2 dB和5 dB，代表性頻點50.000 MHz峰值檢波干擾場強值分別為48 dBμV/m、42 dBμV/m及62 dBμV/m。

根據(jù)以往實測數(shù)據(jù)，對于無線電干擾頻率特性，制式二中，DC 750 V與DC 1 500 V基本相近，二者源強特性的差別一般在6 dB以內(nèi)。需要說明的是，受列車制式、運行工況、線路特點、周圍環(huán)境等影響，不同的線路的無線電干擾頻率和源強特性會有一定的離散性。

3.2 代表性頻點干擾場強的標準符合性分析

根據(jù)GB/T 24338.2—2011要求，結(jié)合上述分析，不同制式城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾代表性頻點干擾場強的標準符合性分析如表1所示。

表1 代表性頻點干擾場強對標準的符合性分析列

由表2可見，無線電干擾代表性頻點測試結(jié)果均符合國標GB/T 24338.2—2011規(guī)定的限值要求。

4 無線電干擾對通信信號及機電設(shè)備的影響

城市軌道交通系統(tǒng)規(guī)模龐大，由許多子系統(tǒng)構(gòu)成。這些子系統(tǒng)內(nèi)部均含有對無線電干擾敏感的電子設(shè)備。設(shè)備在其非工作頻段的抗干擾能力，應(yīng)滿足產(chǎn)品的電磁兼容性指標要求，在80 MHz以下頻段和80～1 000 MHz頻段，應(yīng)分別通過“射頻場感應(yīng)的傳導騷擾抗擾度”和“射頻電磁場輻射抗擾度”試驗項目來驗證。

當城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾處于通信信號設(shè)備或機電設(shè)備工作頻段時，應(yīng)加以重視，因為無線電干擾場將在一定程度上降低信號接收的信噪比，有時甚至造成設(shè)備性能下降，影響列車運行或降低運行效率。

干擾分析和評價過程為：首先，確定設(shè)備的工作頻點和軌道交通系統(tǒng)的供電制式，按圖2～4，查出距線路10 m處對應(yīng)頻點的無線電干擾源強；然后，根據(jù)式(1)[6]，計算出相應(yīng)距離的無線電干擾源強；最后，結(jié)合接收端信號強度計算出信噪比，從而對干擾問題進行定量分析。

EX=E10-n×20×lg(D/10)

(1)

式中：

E10——在距線路中心10 m處的無線電干擾測量結(jié)果，dBmV/m；

EX——在距線路中心D米處的無線電干擾換算值，dBmV/m；

n——修正因數(shù)，其取值見表2。

表2 修正因數(shù)

5 結(jié)語

通過測試分析，本文得出了常見牽引供電制式城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾頻率特性和源強特性。經(jīng)驗算，其代表性頻點干擾場強測試結(jié)果符合國標GB/T 24338.2—2011(IEC 62236-2)《軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射》規(guī)定的限值要求。這說明我國城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾符合國際和國家標準。

本文通過總結(jié)試驗結(jié)果，闡述了城市軌道交通系統(tǒng)產(chǎn)生的無線電干擾頻率和源強特性。這對軌道交通系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外敏感設(shè)備的干擾分析具有重要的參考價值。城市軌道交通系統(tǒng)沿線敏感設(shè)備，如在工作頻段受到無線電干擾，可能會降低其信號接收的信噪比。具體受干擾程度需根據(jù)信號特點并結(jié)合本文的研究成果加以分析。