趙人杰 朱 峰 徐常偉

（1.天津地下鐵道集團(tuán)有限公司，300050，天津；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，助理工程師）

列車受電弓與接觸網(wǎng)等組成一套高頻電磁發(fā)射系統(tǒng)。列車運(yùn)行過程中，該系統(tǒng)對(duì)外發(fā)射電磁能量（尤其在分相區(qū)和錨段關(guān)節(jié)處）［1］，并在列車周圍形成復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境。盡管我國已經(jīng)頒布了GB／T 24338—2009《軌道交通 電磁兼容》標(biāo)準(zhǔn)［2］，國內(nèi)學(xué)者也做了一些理論方法研究［3－7］，但實(shí)地的測試案例還較少。而國外對(duì)于弓網(wǎng)電磁干擾測試及分析近些年才有相關(guān)報(bào)道，但測試工作還不夠成熟［8－9］。此外，GB／T24338—2009是基于過去普通列車的電磁發(fā)射所制定的標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)動(dòng)車組（CRH3型）的最高速度可達(dá)350 km／h，標(biāo)準(zhǔn)中的某些內(nèi)容已經(jīng)無法滿足測試與分析要求。因此，研究高速列車軌道旁電磁環(huán)境的測試，尋找可行的測試手段，對(duì)于國內(nèi)高速列車的發(fā)展以及電磁兼容測試標(biāo)準(zhǔn)的修訂都具有重要意義。

1 測試配置

1.1 測試點(diǎn)布局

高速列車是通過車頂受電弓與軌道沿線架空接觸網(wǎng)的滑行接觸而獲得電能的。列車正常運(yùn)行時(shí)，因振動(dòng)等原因弓網(wǎng)系統(tǒng)可能發(fā)生離線，但出現(xiàn)概率較小且強(qiáng)度也不大，具有瞬態(tài)偶發(fā)性［1］。從理論上分析，弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生較強(qiáng)的放電現(xiàn)象多數(shù)出現(xiàn)在牽引變電站分相處、AT（自耦變壓器供電）所（AT模式）和錨段關(guān)節(jié)處。實(shí)地測試結(jié)果也證明了這一結(jié)論。因此，本次測試點(diǎn)選在武廣客運(yùn)專線咸寧段的群力變電站電分相處，測試高速列車上行（武漢到廣州）和下行（廣州到武漢）雙行軌的電磁發(fā)射。

GB／T24338.2中推薦采用10 m法對(duì)行進(jìn)中的列車進(jìn)行電磁干擾測試。由于國內(nèi)高速列車線周圍環(huán)境復(fù)雜，10 m以內(nèi)有護(hù)欄和樹木圍繞，無法做到10 m法，因此本次測試天線與雙行軌道中心線的距離分別為20 m（上行）和25 m（下行）（最終通過標(biāo)準(zhǔn)中定義公式轉(zhuǎn)換成10 m法值，以便于比較）。測試天線分垂直和水平兩個(gè)極化方向擺放。

圖1 天線與程控終端位置示意圖

為防止測試儀器對(duì)天線接收產(chǎn)生較大影響，程控設(shè)備離天線5 m遠(yuǎn)。天線與程控終端擺放如圖1所示。測試時(shí)間為2012年8月3—5日。運(yùn)行列車為G1105次、G1109次、G1121次等。CRH3型動(dòng)車組行駛速度為290～310 km／h。使用對(duì)數(shù)周期天線（型號(hào)HL223，范圍300 MHz～1 GHz），采用羅德與施瓦茨認(rèn)證級(jí)測試接收機(jī)（型號(hào)ESCI）進(jìn)行測試。

1.2 掃描模式

GB／T24338.2中規(guī)定使用點(diǎn)頻模式進(jìn)行測試。點(diǎn)頻模式是通過單點(diǎn)掃描的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，每個(gè)記錄點(diǎn)都需保持一定時(shí)間，當(dāng)頻率定義在300 MHz～1 GHz范圍時(shí)，掃描時(shí)間最短為100 ms。CRH3型動(dòng)車組通過分相處時(shí)速度約為300 km／h，電弧放電時(shí)間約為36 ms，若使用點(diǎn)頻模式，不但采集效果差，且捕獲到的瞬態(tài)電弧波形也不完整（掃描時(shí)間大于放電時(shí)間）。然而在掃頻模式下，掃描時(shí)間最短可達(dá)到5 ms，能夠滿足測試精度，因此本次測試采用掃頻模式進(jìn)行。在掃頻模式下，當(dāng)脈沖被天線接收時(shí)，掃頻到哪個(gè)頻點(diǎn)，就測量到脈沖在該頻點(diǎn)的頻率分量。

1.3 數(shù)據(jù)采集

為防止離線脈沖的重復(fù)發(fā)生率和電弧產(chǎn)生的隨機(jī)性，測量了列車經(jīng)過分相區(qū)55次的頻譜數(shù)據(jù)，然后通過80%概率取樣法［10］對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)擬合處理，進(jìn)而得到分析頻譜。

測試過程中，保存2組頻譜圖，一組為未來車（背景）頻譜，另一組為來車頻譜，并根據(jù)不同的研究內(nèi)容，設(shè)置不同的參數(shù)。

2 頻譜測試

掃頻模式需設(shè)置測試參數(shù)，如頻率范圍、掃描時(shí)間（ST）、分辨率帶寬（RBW）和檢波方式等。測試中發(fā)現(xiàn)，設(shè)置的參數(shù)不同，對(duì)測試結(jié)果影響很大。本次測試頻率范圍為300 MHz～1 GHz，

GB／T24338.2中規(guī)定采用峰值檢波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？紤]到高速列車通過時(shí)間極短的特性，同時(shí)放電瞬間電壓可能有不同程度的跳變，而本次測試的目的是快速捕獲瞬態(tài)信號(hào)的最大干擾電平，必須采集得到跳變電壓的最大值，因此測試采用“峰值檢波＋最大值保持”方式進(jìn)行掃描。該方式能夠保證在定義的頻率范圍內(nèi)獲得每個(gè)頻點(diǎn)的最大測量值。

RBW的選擇直接影響測試精度、最小掃描時(shí)間和背景噪聲等［11］。GB／T24338.2中規(guī)定：300 MHz～1 GHz頻段的電磁發(fā)射測試，RBW 選用120 kHz。但該帶寬是基于普通列車電磁發(fā)射所制定的，可能無法滿足300 km／h的高速列車對(duì)弓網(wǎng)電磁發(fā)射測量精度的要求。本文將比較同種天線在不同RBW下的測試頻譜和接收機(jī)內(nèi)部參數(shù)，進(jìn)而分析RBW對(duì)測試結(jié)果的影響。

為比較不同RBW對(duì)測試的影響，天線必須具備相似的接收效能。然而對(duì)于同種天線，極化方式不同，測試得到的干擾信號(hào)幅值也有所差異［9］。為判別天線極化對(duì)測量結(jié)果的影響程度，對(duì)比了不同極化方式下的頻譜圖。

圖2及圖3是通過概率統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合所得頻譜圖。測試中RBW選用100 kHz（本臺(tái)接收機(jī)無法選擇120 kHz，故選擇最接近的100 kHz）。

對(duì)比圖2和圖3，可以發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

（1）列車經(jīng)過分相區(qū)時(shí)，不同頻點(diǎn)幅值都有一定程度的抬升，最大約15dB，最小約2dB；整體看測試頻譜雜亂無序；

（2）從局部范圍觀察（如430～440 MHz或460～470 MHz頻段），測試頻譜大致相同，幅值相差0～5 dB不等。GB／T24338.2中規(guī)定：接上天線后對(duì)同一正弦波場子進(jìn)行測量，不同試驗(yàn)設(shè)備相比較時(shí)，確保測量值的誤差在±4 dB之內(nèi)［2］。因此可認(rèn)為0～5 dB的測量誤差在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。

（3）單獨(dú)比對(duì)兩種極化方式下相同頻點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)，其相差0～15 dB不等。出現(xiàn)該結(jié)果的原因是：該頻譜是55次測量后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，測量次數(shù)相對(duì)較少。單純比對(duì)單頻點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)不能真實(shí)反映實(shí)際情況。

（4）對(duì)于背景中一直存在的頻點(diǎn)（如425 MHz和467 MHz頻點(diǎn)），垂直極化和水平極化測試結(jié)果近似吻合。

圖2 天線水平極化頻譜

圖3 天線垂直極化頻譜

綜合考慮上述幾種現(xiàn)象，筆者認(rèn)為該頻譜圖能夠反映一定的實(shí)際規(guī)律。在弓網(wǎng)離線電磁干擾測試中，對(duì)數(shù)周期天線采用不同極化方式時(shí)，測試得到的干擾信號(hào)的強(qiáng)度近似相同（相差小于6 dB），因此極化方式不會(huì)對(duì)測試結(jié)果起到?jīng)Q定性影響。

在忽略天線極化對(duì)測試結(jié)果的影響下，選擇不同RBW，將其結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。圖4為采用“峰值檢波＋最大值保持”方式，天線垂直極化，RBW分別選擇1 MHz和100 kHz時(shí)的統(tǒng)計(jì)頻譜。

圖4 忽略天線極化影響采用不同RBW時(shí)的測試頻譜圖

從圖4可以看出，采用不同的RBW，測試曲線有明顯的差異：兩種情況下，背景噪聲的大小分別為－77 dBm和－86 dBm，相差近9 dB。比對(duì)圖a）和c），c）中背景信號(hào)抬升量明顯高于a），然而有用信號(hào)所達(dá)到的最大幅值幾乎相同。比對(duì)圖b）和d），d）中背景毛刺明顯增多，b）中干擾較小的頻點(diǎn)在d）中信號(hào)有了較大抬升量，同時(shí)出現(xiàn)了新的干擾頻點(diǎn)。從相同頻點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)看，d）中的信號(hào)抬升量明顯高于b），然而它們所達(dá)到的最大值也近似相同。綜合比較圖4中的4條曲線，無論選擇哪種RBW，880～950 MHz頻段的測試頻譜相同，測量最大值幾乎無變化，均為－50 dBm左右。而該信號(hào)為GSM－R（GSM for Railway）信號(hào)［11］，說明 RBW 選擇100 kHz或1 MHz，對(duì)GSM－R信號(hào)的測試幾乎無影響。

再從接收機(jī)內(nèi)部參數(shù)看，不同RBW時(shí)儀器的掃描時(shí)間發(fā)生了變化：1 MHz時(shí)掃描時(shí)間為10 ms，100 kHz時(shí)掃描時(shí)間為70 ms。而電弧的放電時(shí)間約為36 ms。若RBW選擇100 kMz，掃描時(shí)間大于放電時(shí)間，捕捉到的放電頻譜是不完整的。

因此，RBW對(duì)測試結(jié)果有重要意義。對(duì)于高速列車軌道旁的電磁干擾測試，由于列車速度極快，如選擇較大的RBW，則背景信號(hào)整體抬高，導(dǎo)致干擾較小的頻點(diǎn)的背景信號(hào)可能高于測試數(shù)據(jù)而無法捕獲到干擾電平，不利于處理分析；如選擇較小的RBW，會(huì)使掃描時(shí)間變長，捕獲到的頻譜數(shù)據(jù)可能不完全，不能完整反映電弧的原始形態(tài)。筆者認(rèn)為，隨著國內(nèi)高速列車的發(fā)展和測量精度的提高，GB／T24338.2中“對(duì)于行進(jìn)中的列車發(fā)射，在300 MHz～1G Hz頻段的電磁發(fā)射測試，分辨率帶寬選用120 kHz”的規(guī)定已經(jīng)無法滿足測試要求，有待進(jìn)一步改進(jìn)；具體選擇哪種RBW，需根據(jù)測試系統(tǒng)、設(shè)備等綜合考慮。

3 結(jié)論

本文針對(duì)高速列車軌道旁電磁環(huán)境測試，首先結(jié)合GB／T24338.2標(biāo)準(zhǔn)，給出測試地點(diǎn)的選擇、儀器的設(shè)置，以及天線的擺放方法等，并結(jié)合國內(nèi)鐵路周圍復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中部分測試方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)；繼而根據(jù)實(shí)測結(jié)果，研究了天線在不同極化方式下對(duì)信號(hào)的接收效果以及RBW對(duì)測試結(jié)果的影響，并得出以下結(jié)論：

（1）考慮到掃描時(shí)間對(duì)測試結(jié)果的影響，為提高測試精度，對(duì)GB／T24338的測試方法進(jìn)行改進(jìn)，采用掃頻模式替代點(diǎn)頻模式。同時(shí)，為能快速捕獲瞬態(tài)信號(hào)的最大干擾電平并防止采集信號(hào)隨機(jī)跳變，高速列車軌旁電磁干擾測試采用“峰值檢波＋最大值保持”方式。

（2）對(duì)數(shù)周期天線采用不同極化方式時(shí)，測試得到的干擾信號(hào)強(qiáng)度相差不到6 dB，因此在高速列車軌旁電磁干擾測試中，極化方式不會(huì)對(duì)測試結(jié)果起到?jīng)Q定性影響。

（3）GB／T24338.2中“對(duì)于行進(jìn)中的列車發(fā)射，在300 MHz～1 GHz頻段的電磁發(fā)射測試，分辨率帶寬選用120 kHz”的規(guī)定無法滿足高速列車的測試要求，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

（4）不同的RBW，對(duì)GSM－R信號(hào)的測試幾乎無影響。

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