磁浮列车电弧辐射特性及对航向信标影响分析

朱 峰, 杨 啸, 蒋倩倩, 王宇轩

(西南交通大学电气工程学院, 四川 成都 611756)

0 引 言

在交通一体化不断发展的背景下,作为新型城市轨道交通的选择之一,磁浮交通与铁路、机场等不同系统间会存在交叉现象。如长沙磁浮快线用以连接高铁和黄花机场两大交通枢纽。航向信标在飞机进近着陆的过程中提供对准跑道线的航向道引导信号,当磁浮线路与机场距离较近时,磁浮列车离线电弧电磁辐射可能对其产生干扰,影响飞机进近着陆的安全。因此,研究磁浮列车离线电弧辐射特性及其对机场航向信标的影响对航空系统安全运营具有重要意义。

国内外学者对轨道交通离线电弧的电磁干扰做了大量研究。文献[7]在Simulink仿真软件中建立了弓网离线放电电磁骚扰源仿真模型,研究了弓网离线放电骚扰源骚扰电压与列车运行速度之间的关系。文献[8]研究并建立了一种新型的弓网电弧检测系统,相较于传统设备具有高可靠性、低成本、对受电弓设备的非侵入性等优势。文献[9]对直流供电系统的受电弓电弧现象进行了实验,分析供电电压极性、受电弓与接触网的相对运动(纵向)和受电弓的横向滑动(之字形)等参数对直流牵引系统的影响。文献[10]研究了实验室环境中的受电弓电弧对铁路广播服务的影响。文献[11]基于横向吹弧和纵向吹弧理论,建立了弓网电弧的动态模型,分析了高速气流场对弓网电弧耗散功率的影响。文献[12]考虑了车速及拉弧长度对电弧横向吹弧耗散功率的影响,对Cassie -Mayr串联电弧模型进行了改进,分析了弓网离线时间及车速对电弧电压和电流的影响。文献[13]研究了不同拉弧位置弓网电弧辐射特性及对飞机导航的影响。文献[14]分析了降弓时弓网离线电弧对列车速度传感器的电磁干扰机理,并提出在速度传感器的电缆屏蔽层上嵌套磁环以抑制干扰。

上述文献研究内容集中在高速铁路的弓网离线电弧,依靠仿真建模的方式分析电弧特性。磁浮列车通过电磁力实现列车和轨道间的无接触的悬浮和导向,其供电电压、驱动方式与高铁相比有很大差异,而且列车在运行过程中,受现场环境、授流方式设计等因素的影响,仿真结果与实测数据间不可避免存在差异。目前，针对磁浮列车的电磁干扰,已有学者对其长定子铁心片间短路故障,与轮轨交通系统电磁环境差异及对高铁综合调度移动通信系统(global system for mobile communications for railway, GSM-R)的电磁干扰等方面进行了研究,然而关于磁浮列车电弧与机场航向信标间的电磁干扰问题,相关的研究很少。本文结合文献[22]的相关要求,在磁浮列车电弧现象发生较为频繁的分段绝缘器处进行了现场测试。之后在电磁场仿真软件FEKO中搭建了磁浮列车及轨道模型,结合现场测试数据,得到离线电弧在空间中的电场分布特性。在此基础上,研究了磁浮线路与机场跑道间的保护间距。

1 电弧绕射模型

离线电弧辐射受磁浮轨道及车体的遮挡影响,其等效模型如图1所示,主要绕射路径为双刃峰绕射①、②。车体及轨道中的钢筋均属良导体,电磁波通过时会产生很大的传输损耗,等效计算时可认为电弧辐射不能穿透这些模型。

图1 电弧绕射等效模型Fig.1 Equivalent model of arc diffraction

图1中模型的尺寸如下:=280 m、=375 m、=130 m、=234 m、=039 m、=075 m、=600 m。

文献[23]针对ITU-R P.526建议书并结合Epstein-Peterson法给出了单刃峰、双刃峰绕射的计算方法,其计算模型如图2所示。

图2 Epstein-Peterson法示意图Fig.2 Schematic diagram of Epstein-Peterson method

图2中，、、H和、、分别构成单刃峰绕射。以、、构成的单刃峰为例,其绕射损耗计算方法如下:

(1)

(2)

式中:为波长。

Epstein-Peterson法中,双刃峰绕射损耗计算方法如下:

=++

(3)

式中:为、、间的单刃峰绕射损耗;为、、间的绕射损耗;为修正因子。其中：

(4)

结合式(1)～式(4),计算可得绕射路径①和路径②的绕射损耗1、2。电弧到接收点总的损耗系数为

(5)

式中:为绕射路径不同引起的相位差,计算公式为

(6)

由式(5)可得航向信标频段(1081～11195 MHz)内损耗系数与频率间的关系,如图3所示。

图3 C与f间关系Fig.3 Relationship between C and f

由图3可知,接收点位置处,离线电弧电磁辐射在航向信标频段内的衰减值在33 dB左右,损耗系数随频率的增大而增大,可见磁浮轨道和车体对离线电弧遮挡作用明显。实际测试环境中,测试点只能选择在被遮挡区域,此时轨道和车体对电磁辐射影响很大,为把握磁浮离线电弧在遮挡和未遮挡区域的电场分布特性,本文在电磁场分析软件FEKO中搭建磁浮模型,通过仿真得到其电场分布。

2 磁浮离线电弧测试

2.1 测试地点选取

磁浮车辆采用接触轨系统为车辆提供动力,通过受流靴给车辆授流。本次测试所选磁浮线路的牵引供电系统额定电压为DC 1 500 V,额定工作电流为DC 250 A。采用专设回流轨的方式回流。授流轨和回流轨采用侧部安装的方式,对称分布于线路两侧,如图4所示。

图4 磁浮线路布局Fig.4 Maglev line layout

在磁浮接触轨系统中,为提高各供电区供电的可靠性和灵活性,将供电线路设计为多个电分段组合,各分段之间通过分段绝缘器绝缘连接。受流靴经过分段绝缘器时,经历从有电到无电再到有电的过程,相当于电路带载打开、闭合,导致离线电弧的产生。实际运行环境中供电分区两端电压差过大、受流靴的磨损、分段绝缘器安装和调节的不标准等因素都会加剧拉弧现象的发生,测试现场如图5所示。

图5 测试现场Fig.5 Test site

2.2 测试仪器

测试采取频谱仪扫频测试与接收机点频测试相结合的方式。扫频测试可获得离线电弧在某一频段内的电场数据,用于把握电弧在整个测试频段的特征。点频测试用于某个频点的测试,相较于扫频测试结果更为精确,用于具体的数据分析。测试仪器参数如表1所示。

表1 测试仪器型号及技术指标

根据MHT4046-2017的相关要求,频谱仪的分辨率带宽选取为10 kHz,采用峰值检波方式。接收机的分辨率带宽选取为120 kHz,采用峰值检波,准峰值检波和平均值检波相结合的方式。在实际测试过程中,峰值检波测得数值最大,分析时考虑到离线电弧电磁发射最严苛的情况,采用峰值检波的数据。

2.3 测试数据

GB24338规定,在电力牵引系统的测试中,天线距离轨道中心线的距离优先选择为10 m。若现场测试环境不能满足要求,为便于数据间比较,可根据实际测试距离等效转换为10 m法值，具体公式如下：

=+·20 lg(10)

(7)

式中:和分别为10 m法和距离线电弧处的场强值。在108～110 MHz频段内,取1,在110～112 MHz频段内,取12。此次测试点距离下行线路轨道外侧分段绝缘器的距离为10 m。

表2给出了不同测试频点的测试数据,表内数据均为10 m法换算后的数值。

表2 磁浮电弧辐射测试数据

图6为航向信标工作频段内的扫频数据,3条曲线分别为背景场强值及上行、下行线路磁浮离线电弧的场强值。可以看出,两条线路的测试结果均大于背景,说明磁浮列车经过分段绝缘器时对外产生了电磁发射,且下行线路的电磁发射强于上行线路,这是因为上行线路电弧受轨道及车体遮挡严重,造成电弧辐射信号衰减。

图6 频谱仪扫频数据Fig.6 Sweep data of spectrometer

3 离线电弧电磁辐射特性

3.1 离线电弧电场分布特性

磁浮列车授流轨及回流轨采用侧部安装的方式,分段绝缘器处产生的电弧受轨道及车体的屏蔽作用,导致其在空间中的电场分布发生变化。实测中受限于测试环境,无法对现场各位置均进行测试。在这种情况下为得到离线电弧在空间中的电场分布,本文结合现场测试数据,在电磁仿真软件FEKO中搭建了磁浮列车、轨道等模型,通过仿真获取电场的分布特性。仿真模型如图7所示。

图7 磁浮系统模型Fig.7 Maglev system model

其中,磁浮列车由3节车厢组成,在授流轨和回流轨分段绝缘器处设置干扰源,干扰源Idl设置为1 Am,频率设置为111 MHz。得到的离线电弧在平面内的电场分布如图8所示。上行、下行线路离线电弧在测试点的场强值如图9所示。

图8 电场分布图Fig.8 Electric field distribution map

图9 测试点数据Fig.9 Data of test points

仿真结果中,上行、下行线路分段绝缘器处离线电弧产生的电磁辐射在测试点的场强值为33.7 dBV/m和51.0 dBV/m,差值为17.3 dB。由表2可知，现场测试结果中两者相差15 dB。两者差值不同的原因在于模型未完全考虑地面、空间环境等因素对电磁波传播的影响。仿真的上下行电场强度之差与实测结果在3 dB以内,小于系统测量误差,可以说明模型的准确性。在平面-135°方向、轴负方向、-45°方向及轴正方向(以轴正向为0°方向),上行和下行线路的电场强度如图10所示。

图10 上下行线路电弧在不同方向上场强变化Fig.10 Variation of electric intensity in different directions of up and down line arc

由图10可知,在-135°方向、轴负方向,由于轨道及车体的屏蔽作用,下行线路的电弧辐射强度高于上行线路;在轴正方向距坐标原点20 m后两线路辐射强度趋于一致;在-45°方向,下行线路辐射强度略强于上行线路。综上可知,轨道及车体对辐射的屏蔽作用集中在-90°～-180°方向。而在实际环境中电弧对飞机的干扰主要在-90°～0°方向,在此方向上下行线路的离线电弧辐射强度相差很小。因此在考虑离线电弧对航向信标影响时,上下行线路离线电弧对航向信标的电磁干扰均不能忽视。

现场测试点的位置处于-135°方向,磁浮离线电弧对飞机的干扰区域在-45°方向。由图11可知,-135°方向的电场强度略强于-45°方向。结合图8中离线电弧的电场分布,可知测试点的场强数据能够反映离线电弧对飞机的干扰情况。

图11 -135°、-45°方向电场强度Fig.11 Electric intensity at -135° and -45°

3.2 离线电弧幅频特性

离线电弧电磁干扰属于瞬态脉冲干扰,干扰频谱很宽,一般采用最小二乘的线性回归方法研究离线电弧的幅频特性。已有的研究中,最小二乘模型设定为

=+lg+

(8)

式中:为频率;为电场强度;为截距;为回归系数;为误差。

利用式(8)对表2中的数据进行线性回归,得到上行、下行数据的回归表达式:

=8127-372 lg

(9)

=1 1713-5404 lg

(10)

图12 场强与频率的关系Fig.12 Relationship between field strength and frequency

4 离线电弧对航向信标影响分析

飞机在着陆过程中,接收到的航向信标信号强度是不断变化的,离线电弧对其造成的影响与电弧发生的位置、飞机下降的高度、航向信标的防护率等因素有关。下面以磁浮线路下穿机场跑道及磁浮线路与机场跑道延长线平行两种方案为例进行分析。

4.1 航向信标及防护率要求

航向信标台是机场仪表着陆系统的重要组成部分,与机载接收机配合,为飞机的进近着陆提供航向道引导信息,其工作频率为10810～11195 MHz。航向天线阵通常安装在跑道进近方向的远端,距离跑道出口300 m左右的位置,工作时在跑道中心线两侧发射两束水平交叉的辐射波瓣,如图13所示。跑道左边辐射波瓣被90 Hz信号调幅,跑道右边辐射波瓣被150 Hz信号调幅。当飞机偏左时,90 Hz信号强于150 Hz信号,偏离杆右偏。当飞机在航道上时,90 Hz信号等于150 Hz信号,偏离杆居中。当飞机偏右时,150 Hz信号强于90 Hz信号,偏离杆左偏。

图13 航向台偏离指示原理Fig.13 Principle of deviation indication for localizer

在不满足目视着陆的复杂气象条件下,驾驶员需依靠航向信标来获取飞机对准跑道中心延长线航向道方位信息。航向信标设备性能的发挥及保障质量的高低,对飞机安全保障至关重要。GB 6364—2013《航空无线电台(站)电磁环境要求》给出了航向信标台信号覆盖区内对来自铁路干扰的防护率,如表3所示。

表3 航向信标台相关参数

4.2 下穿方式下对航向信标的影响

如图14所示,磁浮线路垂直下穿机场跑道连通机场其他位置航站楼。已知航向信标距离跑道末端的长度为300 m,机场跑道长度为3 600 m，为飞机的下滑角度,一般为3°。

图14 磁浮线路下穿示意图Fig.14 Schematic diagram of maglev underpass line

通过图14的几何关系,可得飞机着陆过程中与航向信标台及电弧的距离、:

(11)

(12)

设航向信标台的发射功率为,天线增益为,根据电磁波传播原理,距航向信标台处的功率谱面密度(W/m)为

(13)

=13477+10 lg+-20 lg

(14)

式中:为机载接收机接收到的航向信标信号强度。

由第32节可知,磁浮电弧在航向信标频段内测得的最大干扰强度为7222 dBμV/m,考虑到离线电弧电磁辐射的随机性,某些时刻其电磁干扰强度可能会更大,因此考虑10 dB的富裕度。飞机下滑过程中接收到的电弧辐射强度为

(15)

根据式(14)和式(15)可得飞机下滑过程中接收的航向信标的信噪比为

(16)

将表3数据代入式(16)可得下穿点距跑道不同距离下,飞机接收到的航向信标信噪比与飞机下降高度的关系。图15为下穿点在跑道上时信噪比与飞机高度的关系。

图15 下穿方式下信噪比与飞机高度的关系Fig.15 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude under undercutting mode

从图15可以发现,即使在下穿点位于跑道上这种极限情况下,飞机在任意高度下接收到的信噪比均大于标准规定的20 dB,说明在此线路设计方案下,磁浮列车的离线电弧不会对机场的航向信标造成影响。

4.3 平行方式下对航向信标的影响

如图16所示,磁浮线路与机场跑道延长线平行时,飞机在不同高度处,对航向信标影响最大的电弧点与飞机的距离为

(17)

图16 磁浮线路示意图Fig.16 Schematic diagram of maglev line

结合式(16)和式(17)可得磁浮线路与跑道延长线在不同垂直距离下,飞机接收到的航向信标信噪比与飞机高度的关系,如图17所示。

图17 信噪比与飞机高度的关系Fig.17 Relationship between signal to noise ratio and aircraft altitude

由图17可以看出,随着飞机高度的增加,信噪比先下降后升高,在不同的距离下,最低点高度并不一致,的计算公式如下:

(18)

其中,

=7 800(1+cot)cot

(19)

=2(1+cot)[3 900-(1+cot)]

(20)

=-7 800(1+cot)cot

(21)

结合式(16)和式(18)可得信噪比随距离的变化规律,如图18所示。

图18 信噪比随距离d的变化Fig.18 Variation of signal to noise ratio with d

由图18可以看出,随着距离增大,信噪比逐渐升高。由式(16)计算可得,在=864时,信噪比为20 dB,满足航向信标防护率要求。因此磁浮线路与机场跑道延长线的最小保护间距为864 m。

5 结 论

(1) 由磁浮离线电弧的电场分布特性可知,在对飞机造成干扰的-90°～0°方向上,上行、下行线路的离线电弧对航向信标干扰强度相差不大,因此上行、下行线路的分段绝缘器均需与机场保持安全间距。

(2) 对测试数据进行线性回归分析可知,离线电弧在航向信标频段内产生的电磁辐射强度随频率的增加呈下降的趋势。

(3) 磁浮线路以下穿方式通过机场跑道时,飞机在任意下降高度下接收信号的信噪比均大于标准规定的20 dB,离线电弧对航向信标的干扰在允许值范围内。

(4) 磁浮线路与跑道延长线平行时,分段绝缘器的位置与机场跑道延长线的垂直距离小于864 m时,离线电弧可能会干扰航向信标。