閻 順

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，其逐漸成為現(xiàn)代化交通的中堅力量。然而，為高速鐵路提供動力的接觸網(wǎng)、牽引變電所等設(shè)施會在高鐵運(yùn)行過程中向周圍環(huán)境輻射電磁波，從而產(chǎn)生電磁輻射。高速鐵路的電磁輻射問題受到社會的廣泛關(guān)注。

范鵬等［1］對電力系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備及設(shè)施的電磁輻射問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施，但缺乏對電磁輻射的定量分析。于麗新等［2］、杜旭紅等［3］選取不同等級的變電站作為測試分析對象，研究其工頻電磁場的特性。黃盾［4］以高速鐵路為研究對象，從電磁輻射的分類、影響、防護(hù)措施等角度出發(fā)，對電磁輻射的特性進(jìn)行研究。然而牽引變電所與傳統(tǒng)變電站的輻射機(jī)理不同，當(dāng)前對牽引變電所的研究主要是對其進(jìn)行定性分析，對其產(chǎn)生的電磁輻射特性的研究分析尚不完善。

本研究從高速鐵路的牽引變電所和分區(qū)所出發(fā)，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)電磁輻射規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場實際情況，制定相應(yīng)的測試方案，重點分析電磁輻射強(qiáng)度與發(fā)射限值的關(guān)系，研究牽引變電所輻射場強(qiáng)的分布特性。相關(guān)研究為牽引變電所、分區(qū)所等工程的電磁環(huán)境影響評價和電磁干擾評估提供一定的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)參考，對指導(dǎo)其規(guī)劃選址設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 牽引變電所測試內(nèi)容

依據(jù)《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》（GB/T 24338.2—2018）［5］、《高壓交流架空送電線點干擾限值》（GB 15707—1995）［6］、《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［7］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對鐵路沿線牽引變電所產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行測量。

1.1 測試對象

1.1.1 牽引變電所。牽引變電所是電力牽引的專用變電所，其把區(qū)域電力系統(tǒng)送來的電能，根據(jù)電力牽引對電流和電壓的不同要求，轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于電力牽引的電能，并分別送到沿鐵路線上空架設(shè)的接觸網(wǎng)，為電力機(jī)車供電。

1.1.2 分區(qū)所。分區(qū)所通過將上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)起來，可提高供電臂末端接觸網(wǎng)上的電壓水平，均衡上下行供電臂電流，降低電能損失，從而保證供電質(zhì)量。

1.2 具體內(nèi)容

牽引變電所、分區(qū)所的電磁輻射測試包括工頻電場和磁場測試、無線電干擾測試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）、橫向衰減特性分析測試（頻率范圍覆蓋至1 GHz）。

1.3 測量參數(shù)及單位換算

對牽引變電所、分區(qū)所的電磁場數(shù)值進(jìn)行測量，工頻測試測量電場強(qiáng)度E（dBμV/m）和磁感應(yīng)強(qiáng)度B（T），無線電干擾測試測量電場強(qiáng)度E（dBμV/m）和磁場強(qiáng)度H（dBμV/m）。

電場強(qiáng)度的換算公式見式（1）。

式中：Pr為信號分析儀在頻率f處的功率譜密度，dBm/RBW；f為電、磁場的頻率，MHz；Gr為接收天線的增益，dB；20lgK為接收天線的天線因子，dB/m。

其中，天線因子與天線增益的換算關(guān)系見式（2）。

磁場強(qiáng)度的換算公式見式（3）。

2 測試儀器及方案

2.1 儀器及組合方案

根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ/T 10.2—1996）［8］及《軌道交通電磁兼容 第2部分：整個軌道交通系統(tǒng)對外界的發(fā)射》（GB/T 24338.2—2018）［5］，可采用以下組合方案。

2.1.1 工頻測量。NF5035及其內(nèi)置電、磁場探頭。

2.1.2 9 kHz～30 MHz頻率范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度測量。DS18001環(huán)天線+N9030A信號分析儀（配N6141A選件）。

2.1.3 30 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度測量。TN341雙錐天線+N9030A信號分析儀（配N6141A選件）。

2.2 測試流程、方案及相關(guān)要求

2.2.1 測試流程及方案。①測量環(huán)境噪聲。測量前先記錄環(huán)境噪聲，如果規(guī)定頻率范圍內(nèi)的環(huán)境噪聲高于變電所的發(fā)射限值減6 dB，則不選取這些頻點進(jìn)行無線電干擾測試。②工頻測試。測量工頻電場強(qiáng)度E和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，記錄變電所負(fù)載至少為額定負(fù)載30%時的測量值。③無線電干擾測量。記錄無線電干擾在0.09～0.15 MHz、0.15～30 MHz、30～300 MHz、300 MHz～1 GHz這4個頻率范圍的峰值檢波掃頻結(jié)果，并在各頻率范圍內(nèi)選取頻點作為無線電干擾測試頻點。最終確定擬測試的無線電干擾頻點見表1。④橫向衰減特性分析。分析距牽引變電所圍墻10 m、20 m、40 m、80 m、160 m處的準(zhǔn)峰值檢波模式下無線電干擾頻點的橫向衰減特性。

表1 擬測試的無線電干擾頻點

2.2.2 相關(guān)要求。①先對周邊環(huán)境進(jìn)行勘察，觀察是否存在其他可能干擾測試結(jié)果的無線設(shè)施。②測試點應(yīng)選在無高大建筑物、樹木、河流遮擋，并距離鐵路接觸網(wǎng)以外的高架輸電線100 m以上，沒有其他并行電氣化鐵路的開闊場地。③測量宜在干燥的天氣進(jìn)行（24 h內(nèi)降雨量不大于0.1 m），溫度不低于5℃，風(fēng)速小于10 m/s，濕度要足夠低。如果測試環(huán)境不能滿足上述條件，那么測試時的實際天氣情況應(yīng)在測試結(jié)果中注明。④測量過程中要記錄實際負(fù)荷情況。⑤測試點位的選取應(yīng)以相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的方法為依據(jù)，分別沿高壓線方向及平行于軌道方向布置測試點位，并根據(jù)牽引變電所周圍的實際環(huán)境，對點位數(shù)量及位置進(jìn)行調(diào)整。

3 測試結(jié)果及分析

3.1 西平變電所測試結(jié)果及分析

3.1.1 電、磁場測量點位。根據(jù)測試點位的選取原則，西平變電所共測試8個點，分布如圖1所示。

圖1 西平變電所測試點位示意圖

3.1.2 測試結(jié)果及分析。

①工頻測試結(jié)果。工頻測試要求測量工頻的電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，測量結(jié)果如表2所示。

表2 西平變電所工頻測試結(jié)果

從表2可以看出，西平變電所周圍各測量點位最大工頻電場強(qiáng)度為100.65 V/m，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為4.2×10-7T，均滿足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［7］中的要求。另外，工頻測量結(jié)果遠(yuǎn)小于工頻限值要求，甚至不到其限值的十分之一，表明牽引變電所向外電磁輻射值很小，對周邊居民及家用電器的影響極其微弱。

②掃頻測量及無線電干擾測量結(jié)果。根據(jù)測試點位，沿高壓進(jìn)線方向及平行軌道方向?qū)恳冸娝M(jìn)行峰值檢波模式下的頻率掃描及無線電干擾頻點的準(zhǔn)峰值測量（見圖2、圖3）。

圖2 峰值檢波掃頻結(jié)果

圖3 無線電干擾頻點測量結(jié)果

由圖2可知，在9 kHz～1 GHz內(nèi)，大多數(shù)頻點的場強(qiáng)均低于發(fā)射限值，少數(shù)位于中波廣播、調(diào)頻廣播及移動基站工作頻率范圍內(nèi)的頻點要高于變電所發(fā)射限值，這是因為混雜了干擾信號。

由圖3可知，進(jìn)行準(zhǔn)峰值測量的無線電干擾頻點，其電（磁）場強(qiáng)度的準(zhǔn)峰值數(shù)值均在變電所的發(fā)射限值以下，表明試驗頻點的電磁輻射限值均在可接受的范圍內(nèi)，不會對周邊環(huán)境造成明顯的電磁干擾。

3.1.3 橫向衰減特性。根據(jù)接收天線的不同，將橫向衰減特性劃分為9 kHz～30 MHz、30 MHz～1 GHz兩個不同頻率范圍，分別觀察其隨距離變化的衰減特性，具體方案如表3所示。

表3 橫向衰減特性測試方案

電磁場橫向衰減特性如圖4所示。

圖4 電磁場橫向衰減特性

由橫向衰減特性測試結(jié)果可知，各頻點的電場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度均隨距離的增加而減小，大于80 m后，電磁場強(qiáng)度逐漸趨于平緩，衰減位于背景噪聲以下，無法測試到牽引變電所的電磁輻射。

3.2 丁戴莊分區(qū)所測試結(jié)果及分析

3.2.1 電、磁場測量點位。根據(jù)測試點位的選取原則，丁戴莊分區(qū)所共計測試3個點，分布如圖5所示。

圖5 丁戴莊分區(qū)所測試點位示意圖

3.2.2 丁戴莊分區(qū)所測試結(jié)果。工頻測試要求測量工頻的電場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，其測量結(jié)果見表4。

由表4可以看出，丁戴莊分區(qū)所各測量點位最大工頻電場強(qiáng)度為91.41 V/m，最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為8.77×10-7T，均滿足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）［9］中的要求，且測量結(jié)果遠(yuǎn)小于工頻限值，同西平變電所一樣，其對周邊電磁環(huán)境影響極其微弱。

表4 丁戴莊分區(qū)所工頻測試結(jié)果

根據(jù)測試點位，在南、北、西三個方位對分區(qū)所進(jìn)行頻描及無線電干擾準(zhǔn)峰值測量，其測量結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 分區(qū)所10 m處峰值檢波掃頻結(jié)果

由圖6、圖7可知，分區(qū)所周圍的電磁輻射特性與牽引變電所類似，大部分頻點的場強(qiáng)均低于限值，極少數(shù)高于變電所發(fā)射限值的頻點位于中波廣播、調(diào)頻廣播及移動基站的工作頻率范圍內(nèi)，無線電干擾頻點測試結(jié)果均在限值以下，基本可以判定分區(qū)所不會對周邊環(huán)境造成電磁干擾影響。

圖7 分區(qū)所10 m處無線電干擾頻點測量結(jié)果

4 結(jié)語

本研究通過對牽引變電所與分區(qū)所的電磁輻射進(jìn)行研究，分析電磁輻射強(qiáng)度與發(fā)射限值間的關(guān)系，研究牽引變電所輻射場強(qiáng)的分布特性。研究結(jié)果表明，牽引變電所及分區(qū)所周邊的電磁輻射滿足國家相關(guān)規(guī)范中的要求。該研究為牽引變電所、分區(qū)所相關(guān)工程的電磁環(huán)境影響評價提供一定的數(shù)據(jù)支撐和參考，對進(jìn)一步指導(dǎo)其規(guī)劃選址設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。