吳書偉，李顯欣

0 引言

按照國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的目標(biāo)，中國(guó)將在2020 年建成“四縱四橫”的快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)體系，中國(guó)鐵路正步入高速時(shí)代，高速電力機(jī)車的應(yīng)用必將越來越多。高速鐵路在機(jī)車、線路和接觸網(wǎng)等領(lǐng)域的技術(shù)與過去有本質(zhì)的不同，隨著列車速度的提高，其電磁干擾強(qiáng)度和測(cè)試方法也必然發(fā)生變化。

1 電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾

電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾主要發(fā)生在受電弓滑板與接觸線的接觸點(diǎn)，電磁干擾能量的一部分在接觸點(diǎn)直接向周圍空間輻射；一部分沿接觸線縱向傳導(dǎo)，并在傳導(dǎo)過程中輻射并衰耗在接觸線上；另一部分能量沿受電弓傳導(dǎo)，在受電弓框架產(chǎn)生輻射，并衰耗在機(jī)車受流回路中。電磁干擾能量的傳播情況如圖1 所示，其中直接向周圍空間輻射的幅度變化范圍較大，頻譜很寬，能量也比較大，它是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到的電磁干擾的主要部分。

2 相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際上，日本、美國(guó)和歐洲均對(duì)電氣化鐵路（包括高速）電磁輻射進(jìn)行過大量實(shí)際測(cè)量和研究。尤其是CENELEC（歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）經(jīng)過多年的試驗(yàn)與研究于2000 年發(fā)布了鐵路電磁兼容系列標(biāo)準(zhǔn)（EN50121），該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)轉(zhuǎn)為IEC62236標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)鐵路系統(tǒng)的各專業(yè)電磁輻射強(qiáng)度的測(cè)量方法和限值作出了規(guī)定。該標(biāo)準(zhǔn)給出的限值是以歐洲不同國(guó)家，不同線路，尤其是高速線路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提出的，該數(shù)據(jù)測(cè)自法國(guó)TGV、德國(guó)ICE、英國(guó)和意大利不同類型的高速電氣化鐵路，反映了近年來國(guó)外采用最先進(jìn)電力牽引技術(shù)的機(jī)車和線路的電磁干擾實(shí)際情況。

圖1 電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾傳播示意圖

以往國(guó)內(nèi)普速電氣化鐵路電力機(jī)車電磁干擾測(cè)試主要采用國(guó)標(biāo)GB/T15708-1995《交流電氣化鐵路電力機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的無線電輻射干擾的測(cè)量方法》進(jìn)行測(cè)試。

2.1 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量方法的主要區(qū)別

國(guó)內(nèi)1995 年發(fā)布了GB/T 15708-1995《電氣化鐵道機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的無線電干擾測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)量方法與IEC62236-2《Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 2：Emission of the whole railway system to the outside world》中規(guī)定的測(cè)量方法有較大區(qū)別。主要表現(xiàn)在檢波方式、天線極化方式、采樣時(shí)間和處理方式等3 個(gè)方面。

2.2 2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量方法的比較

通過對(duì)2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量方法的比較，可以看出IEC62236-2 規(guī)定的方法更適用于高速電力機(jī)車的電磁干擾強(qiáng)度的測(cè)量，理由主要有以下2 個(gè)方面：

（1）高速情況下，準(zhǔn)峰值檢波充放電時(shí)間相對(duì)于列車通過時(shí)間顯得太長(zhǎng)；目前主要影響國(guó)內(nèi)鐵路沿線的不是聲音廣播而是電磁輻射。隨著技術(shù)進(jìn)步，大量鐵路內(nèi)部電子設(shè)備和沿線民用電視及一些重要無線電設(shè)施的數(shù)字化程度越來越高，對(duì)瞬態(tài)尖峰輻射騷擾更為敏感，故采用峰值檢波比準(zhǔn)峰值檢波更為合適。

（2）國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的采樣時(shí)間和處理方法不適用于高速情況。其隨速度變化范圍大，取樣區(qū)間長(zhǎng)短變化也較大，而80%的概率值又與取樣區(qū)間長(zhǎng)短直接相關(guān)，使電磁干擾的大小因取樣區(qū)間的長(zhǎng)度不同而失去可比性，整個(gè)取樣段全部數(shù)據(jù)參與統(tǒng)計(jì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受測(cè)試天線方向的影響較大。

雖然IEC62236-2 規(guī)定的方法更適用于對(duì)高速電力機(jī)車的電磁干擾強(qiáng)度的測(cè)量，但其給出的限值與國(guó)內(nèi)已制定的一系列有關(guān)鐵路干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)不具備可比性，無法相互兼容，為了保持對(duì)以往標(biāo)準(zhǔn)的平滑過渡，必須通過大量的測(cè)量和研究得出原有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與最新國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

3 實(shí)際測(cè)試案例

為了對(duì)高速電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾頻率特性作一深入研究，筆者在某高速鐵路沿線進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試方法參考了IEC62236-2的部分規(guī)定。

3.1 測(cè)試方案

該次測(cè)試采用2 套測(cè)試設(shè)備同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，1套設(shè)備對(duì)電磁輻射的垂直分量進(jìn)行測(cè)試，另1 套設(shè)備對(duì)輻射的水平分量進(jìn)行測(cè)試。將測(cè)試接收機(jī)設(shè)置于示波器狀態(tài)，每次過車2 套設(shè)備對(duì)同一頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每次測(cè)試同時(shí)進(jìn)行峰值、準(zhǔn)峰值、均值3 種檢波方式的測(cè)量。當(dāng)列車行駛至離測(cè)試點(diǎn)約450 m處時(shí)，2 套設(shè)備同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，10 s 后結(jié)束測(cè)量，每個(gè)頻點(diǎn)至少測(cè)10 組數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)的處理

按照上述測(cè)試方案，每次測(cè)試分別得到2 種極化方式下的峰值檢波、準(zhǔn)峰值檢波、均值檢波3 種檢波方式的數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)束后對(duì)每種檢波方式的測(cè)試數(shù)據(jù)再按不超過50%、80%、90%、95%、最大值5 種概率進(jìn)行取值，將測(cè)得的每個(gè)頻點(diǎn)在不同極化方式下的多次測(cè)試數(shù)據(jù)在各種概率下的值進(jìn)行算術(shù)平均得到多次測(cè)量的平均值，再采用最小二乘法準(zhǔn)則用MATLAB 編程進(jìn)行曲線的擬合，使該曲線上各相應(yīng)點(diǎn)的值與測(cè)量值之差的平方和在所有擬合曲線中最小，得到該高速鐵路電氣化區(qū)段電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

3.3 測(cè)試結(jié)果的分析

在對(duì)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行上述統(tǒng)計(jì)處理后發(fā)現(xiàn)，30～1 000 MHz 頻段數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與理論分析不符，將現(xiàn)場(chǎng)其他輔助測(cè)試項(xiàng)目記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合比較分析，發(fā)現(xiàn)電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射在30～1 000 MHz 頻段內(nèi)比較小，經(jīng)常淹沒在測(cè)試地點(diǎn)的背景噪聲中，多數(shù)情況下無法進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)試地點(diǎn)30～1 000 MHz 頻段的背景噪聲為30～55 dBμV/m，導(dǎo)致測(cè)試時(shí)多次出現(xiàn)干擾淹沒在MAX（測(cè)試設(shè)備的本底噪聲，測(cè)試時(shí)的背景噪聲）中的現(xiàn)象，無法測(cè)出電磁干擾的具體大小，在現(xiàn)場(chǎng)直接就將該數(shù)據(jù)剔除了，但也有時(shí)電磁輻射會(huì)比較大，測(cè)試儀才進(jìn)行記錄和保存，這就必然導(dǎo)致測(cè)得的數(shù)據(jù)偏大。由于只有在電磁輻射強(qiáng)度超出MAX時(shí)才被記錄和保存，故由此得到的測(cè)試數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)也與 MAX 類似，這就是上述測(cè)試 30 ～1 000 MHz 頻段內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)與理論分析不符的原因。

3.4 測(cè)試過程中應(yīng)重點(diǎn)注意的事項(xiàng)

根據(jù)實(shí)際測(cè)試的工程實(shí)踐，結(jié)合相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，筆者對(duì)測(cè)試過程中應(yīng)重點(diǎn)注意的事項(xiàng)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)部分測(cè)試方法給出了自己的建議，主要有以下幾個(gè)方面。

3.4.1 測(cè)試地點(diǎn)

選取的測(cè)試地點(diǎn)應(yīng)符合以下要求：

（1）測(cè)試地點(diǎn)應(yīng)為可能產(chǎn)生最大電磁輻射的區(qū)段。

（2）被測(cè)列車經(jīng)過測(cè)試地點(diǎn)時(shí)其速度應(yīng)高于最高運(yùn)營(yíng)速度的90%，同時(shí)機(jī)車功率應(yīng)達(dá)到該速度下的最大值。

（3）被測(cè)列車經(jīng)過測(cè)試地點(diǎn)時(shí)應(yīng)使其機(jī)車在達(dá)到最大額定功率的選定速度上運(yùn)行，測(cè)量低頻分量時(shí)該項(xiàng)尤其重要。

（4）測(cè)試地點(diǎn)應(yīng)避開接觸網(wǎng)非連續(xù)區(qū)段，并且四周比較空曠，沒有高大建筑物。

3.4.2 測(cè)試天線

由于測(cè)試天線感應(yīng)到的是電壓信號(hào)的強(qiáng)度，故在進(jìn)行測(cè)試前應(yīng)注意將天線系數(shù)輸入測(cè)試儀器，用于把天線接收端（終端）電壓信號(hào)換算成場(chǎng)強(qiáng)。

3.4.3 測(cè)試參數(shù)

（1）檢波方式的設(shè)置。IEC 62236-2 規(guī)定為峰值檢波，由于目前較多儀器具備同時(shí)進(jìn)行3 種檢波方式測(cè)試的能力，建議在測(cè)試時(shí)至少設(shè)置為峰值、準(zhǔn)峰值2 種檢波方式，準(zhǔn)峰值檢波的數(shù)據(jù)可以參考以往國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行分析，以便得出2 種檢波方式下所得測(cè)試數(shù)據(jù)的差異。

（2）中頻帶寬的設(shè)置。測(cè)試接收機(jī)一般都有3 種中頻帶寬（注意該處的中頻帶寬指-6 dB 帶寬），分別為200 Hz、9 kHz、120 kHz，根據(jù)測(cè)量頻段的不同，測(cè)試時(shí)采用的中頻帶寬也不一樣，具體情況如表1 所示。

表1 測(cè)試接收機(jī)的中頻帶寬設(shè)置表

（3）儀器設(shè)備的校正。接上天線后對(duì)同一正弦波場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，與CISPR16-1 試驗(yàn)設(shè)備相比較，驗(yàn)證測(cè)量值的誤差在±4 dB 之內(nèi)。

（4）測(cè)試時(shí)間的選取。電力機(jī)車經(jīng)過測(cè)試點(diǎn)時(shí)，電磁輻射不一定最大，相反，最大值可能出現(xiàn)在機(jī)車車輛遠(yuǎn)離測(cè)試點(diǎn)的某個(gè)位置。所以，測(cè)試時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以保證可以捕捉電力機(jī)車經(jīng)過前后產(chǎn)生的最大電磁輻射值。這里的測(cè)試時(shí)間包含2 個(gè)概念，即從列車進(jìn)入測(cè)試區(qū)段到完全離開的時(shí)間和儀器測(cè)試時(shí)停留在某個(gè)頻點(diǎn)的采樣時(shí)間。

因此在測(cè)試前應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)調(diào)研，列車經(jīng)過該測(cè)試所選測(cè)試點(diǎn)區(qū)段時(shí)速度約為330 km/h，根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，電磁輻射的最大值一般出現(xiàn)在測(cè)試點(diǎn)前后約400 m 的區(qū)段內(nèi)，故測(cè)試時(shí)設(shè)置測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為10 s 即可滿足要求（儀器在列車進(jìn)入測(cè)試區(qū)段時(shí)開始測(cè)試，列車完全離開測(cè)試區(qū)段時(shí)結(jié)束測(cè)試），此時(shí)可對(duì)列車經(jīng)過測(cè)試點(diǎn)前后各450 m 的區(qū)段內(nèi)產(chǎn)生的干擾進(jìn)行測(cè)量。

IEC 62236-2 標(biāo)準(zhǔn)推薦采用頻率掃描方式進(jìn)行測(cè)量，在某個(gè)頻點(diǎn)的采樣時(shí)間為50 ms，這對(duì)儀器的要求比較高，因?yàn)閮x器在進(jìn)行頻率切換時(shí)存在切換時(shí)間，尤其是跨頻段切換時(shí)切換時(shí)間更長(zhǎng)，在測(cè)試時(shí)應(yīng)注意對(duì)測(cè)試儀器的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)了解。即使儀器的性能可以滿足分頻段掃描方式測(cè)量，但也僅限在電磁環(huán)境很好的暗室或開闊場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，不適合在電磁環(huán)境復(fù)雜的鐵路沿線使用，因?yàn)闊o法由測(cè)試數(shù)據(jù)中判斷干擾是否因電力機(jī)車通過引起。

筆者建議可以采用示波器的方式進(jìn)行單頻點(diǎn)測(cè)試，為達(dá)到采樣時(shí)間不大于50 ms，只要其在10 s 的一個(gè)測(cè)試時(shí)段內(nèi)取200 個(gè)樣本即可滿足要求，為了更容易捕捉到交流牽引電流換向時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射發(fā)射，該測(cè)試設(shè)置在10 s內(nèi)取500個(gè)樣本。該方法的缺陷是一次只能進(jìn)行一個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)試，需要選取有代表性的頻點(diǎn)分別進(jìn)行大量的測(cè)試，將所得結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，才能得出比較科學(xué)的結(jié)果。

（5）測(cè)試天線的位置。測(cè)試天線應(yīng)距離電力機(jī)車運(yùn)行軌道中心線10 m 遠(yuǎn)。如果使用對(duì)數(shù)周期天線，就是天線陣的機(jī)械中心距離軌道中心線10 m遠(yuǎn)。該測(cè)試中測(cè)試區(qū)段為復(fù)線，故測(cè)試天線應(yīng)距離最近軌道中心線10 m 遠(yuǎn)。電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)對(duì)外輻射主要來源于滑行接觸，所以即使機(jī)車兩側(cè)安裝有不同的設(shè)備，也沒必要在兩側(cè)都進(jìn)行測(cè)試。

（6）測(cè)試天線的架設(shè)。環(huán)形天線的中心應(yīng)處于距軌平面1.0～2.0 m 的高度，偶極子天線與對(duì)數(shù)周期天線的中心應(yīng)處于距軌平面2.5～3.5 m 的高度。經(jīng)過大量的實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)采用峰值檢波方式測(cè)試時(shí)，在低頻段（0.009～30 MHz）環(huán)形天線平行于軌道放置時(shí)測(cè)試結(jié)果大于垂直軌道放置時(shí)的測(cè)試結(jié)果，在高頻段（30～1 000 MHz）天線垂直極化測(cè)試結(jié)果大于天線水平極化的測(cè)試結(jié)果，所以在用峰值檢波進(jìn)行最大干擾測(cè)試時(shí)，環(huán)形天線環(huán)面一般平行于測(cè)試線路架設(shè)，偶極子天線和對(duì)數(shù)周期天線平面一般垂直于測(cè)試線路架設(shè)。

3.4.4 測(cè)試時(shí)頻率的選擇

（1）測(cè)試頻率的選擇取決于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境。在進(jìn)行測(cè)試頻率選擇時(shí)應(yīng)考慮附近是否有強(qiáng)信號(hào)存在，比如說公共廣播站和移動(dòng)基站之類。建議避開強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行頻率的選擇，以免影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和正確性。

（2）測(cè)試頻率應(yīng)滿足每10 倍頻程至少有3 個(gè)頻率測(cè)試點(diǎn)。

3.4.5 輔助項(xiàng)目的測(cè)試

（1）儀器本底噪聲的測(cè)量。測(cè)試前，在電磁環(huán)境相對(duì)較好的地方，對(duì)計(jì)劃測(cè)試頻點(diǎn)在測(cè)試方案要求的參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行設(shè)備本底噪聲的測(cè)量，作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)的綜合分析。

（2）背景噪聲的測(cè)量。在進(jìn)行正式測(cè)試前應(yīng)對(duì)計(jì)劃測(cè)試頻點(diǎn)在測(cè)試方案要求的參數(shù)設(shè)置下進(jìn)行背景噪聲的測(cè)量，背景噪聲的測(cè)量應(yīng)在沒有列車經(jīng)過的情況下進(jìn)行，這樣就可以測(cè)出已通電線路產(chǎn)生的噪聲，在進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試時(shí)可能需要用到上節(jié)所述的儀器本底噪聲進(jìn)行分析。該項(xiàng)數(shù)據(jù)用于在測(cè)試電力機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的電磁輻射時(shí)進(jìn)行比較分析，判斷測(cè)得的數(shù)據(jù)是否為真正的電力機(jī)車產(chǎn)生的輻射，防止誤將背景噪聲當(dāng)成電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。

（3）環(huán)境溫濕度的測(cè)量。為使天氣對(duì)測(cè)試結(jié)果影響最小，測(cè)試宜在干燥的天氣里進(jìn)行（24 h 內(nèi)的降雨量少于0.1 mm），溫度不低于5 ℃，應(yīng)在測(cè)試過程中對(duì)測(cè)試點(diǎn)的環(huán)境溫濕度進(jìn)行同步測(cè)量，可用于對(duì)干擾測(cè)試結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過對(duì)電力機(jī)車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生電磁干擾測(cè)試方法的研究，結(jié)合相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)踐得到的一些經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出高速電力機(jī)車電磁干擾測(cè)試過程中應(yīng)重點(diǎn)注意的事項(xiàng)，并對(duì)部分測(cè)試方法給出了建議，供業(yè)內(nèi)同仁參考。

[1] IEC 62236-2.Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 2: Emission of the whole railway system to the outside world.International Electro technical Commission,2008.

[2] 鐵道部電氣化工程局通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院.GB/T 15708-1995 交流電氣化鐵道電力機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的無線電輻射干擾的測(cè)量方法[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[3] 全國(guó)牽引電氣設(shè)備與系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).軌道交通電磁兼容第2 部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對(duì)外界的發(fā)射（報(bào)批稿）.湖南，2009.

[4] 張晨.IEC 62236 鐵路應(yīng)用-電磁兼容 第2 部分:《鐵路系統(tǒng)對(duì)外部電磁輻射》標(biāo)準(zhǔn)的等效采用工作項(xiàng)目.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所，2009.

[5] 鐵道部電氣化工程局通信信號(hào)勘測(cè)設(shè)計(jì)院防護(hù)勘測(cè)研究設(shè)計(jì)所.交流電氣化鐵道的電磁影響及防護(hù).天津：天津教育出版社，1993.

[6] 劉國(guó)林，殷貫西，等.電子測(cè)量[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.