虞 凱, 魏 波, 段永奇, 熊 潔

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031)

中低速磁浮交通近年來(lái)發(fā)展速度迅猛.國(guó)際上，日本和韓國(guó)先后開(kāi)通了商業(yè)運(yùn)營(yíng)線，2005年，日本開(kāi)通了世界第一條中低速磁浮商業(yè)運(yùn)營(yíng)線——日本名古屋東部丘陵線，2016年2月，韓國(guó)仁川國(guó)際機(jī)場(chǎng)城市磁浮列車(chē)示范運(yùn)營(yíng)線正式投入營(yíng)運(yùn)；我國(guó)的中低速磁浮交通也迎頭趕上，目前已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)了兩條商業(yè)線：2016年的長(zhǎng)沙中低速磁浮和2017年的北京磁浮S1線，另外，鳳凰磁浮項(xiàng)目正在建設(shè)中.

不同于輪軌交通，中低速磁浮交通是一種采用磁浮技術(shù)實(shí)現(xiàn)列車(chē)與軌道無(wú)接觸運(yùn)行的軌道交通，因此其具有節(jié)能環(huán)保、噪音低、線路適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1-3]；不同于高速磁浮交通[4]，中低速磁浮采用短定子直線感應(yīng)電機(jī)牽引，運(yùn)行中需要地面供電裝置對(duì)磁浮列車(chē)接觸供電[5]，我國(guó)中低速磁浮交通系統(tǒng)采用直流1 500 V的接觸軌供電方式.

根據(jù)中低速磁浮交通的原理，磁浮列車(chē)運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)外界產(chǎn)生電磁輻射.與高速磁浮不同，中低速磁浮交通僅在運(yùn)行列車(chē)的周?chē)a(chǎn)生電磁輻射，軌道系統(tǒng)在無(wú)車(chē)狀態(tài)下不存在電磁場(chǎng).已有研究表明，中低速磁浮交通產(chǎn)生的電磁場(chǎng)量值較小，對(duì)人體健康不會(huì)產(chǎn)生危害[4].但是對(duì)于一些精密儀器、特別是對(duì)電磁比較敏感的設(shè)施，中低速磁浮交通的電磁輻射是否有影響，需要進(jìn)行研究.

中低速磁浮交通作為城市軌道交通的選擇之一，通常會(huì)遇到與鐵路、機(jī)場(chǎng)等不同系統(tǒng)的交叉，例如長(zhǎng)沙磁浮跨越滬昆高鐵，并接入長(zhǎng)沙黃華機(jī)場(chǎng).已有文獻(xiàn)通過(guò)測(cè)試手段，證明中低速磁浮交通產(chǎn)生的電磁輻射不會(huì)影響鐵路無(wú)線設(shè)施的正常運(yùn)行[5-6].機(jī)場(chǎng)則擁有航空管制、儀表著陸等眾多對(duì)電磁敏感的無(wú)線設(shè)施，部分設(shè)施對(duì)飛機(jī)的安全起降起到至關(guān)重要作用.因此，需研究中低速磁浮交通對(duì)機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的影響情況.

本文作者結(jié)合機(jī)場(chǎng)相關(guān)無(wú)線設(shè)施的電磁兼容性要求，系統(tǒng)分析了中低速磁浮交通的電磁輻射和對(duì)機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的影響，提出了中低速磁浮交通與機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施之間的電磁安全防護(hù)距離，為今后的工程設(shè)計(jì)提供支撐.

1 機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的電磁環(huán)境要求

電磁波可通過(guò)天線耦合、線纜耦合、腔體耦合等多種方式使電子設(shè)施產(chǎn)生感應(yīng)電壓，進(jìn)而影響內(nèi)部元器件，其中天線耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓最為強(qiáng)烈.機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備主要包括方向信標(biāo)臺(tái)、超短波定向臺(tái)、航向信標(biāo)臺(tái)、下滑信標(biāo)臺(tái)、指點(diǎn)信標(biāo)臺(tái)、仰角臺(tái)、全向信標(biāo)臺(tái)、測(cè)距儀臺(tái)、塔康導(dǎo)航臺(tái)、分米波近程導(dǎo)航臺(tái)、分米波航向/測(cè)距信標(biāo)臺(tái)、分米波下滑信標(biāo)臺(tái)、VHF通信系統(tǒng)等.根據(jù)《航空無(wú)線電導(dǎo)航臺(tái)(站)電磁環(huán)境要求》(GB 6364—2013)[7]，以上設(shè)施的電磁環(huán)境要求如表1所示.

表1 機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施電磁環(huán)境要求

2 電磁輻射影響理論分析

2.1 中低速磁浮電磁輻射原理

中低速磁浮系統(tǒng)在列車(chē)運(yùn)行時(shí)，對(duì)外產(chǎn)生的電磁輻射主要來(lái)源于懸浮電磁鐵產(chǎn)生的直流穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)、直線電機(jī)產(chǎn)生的低頻交流磁場(chǎng)、電刷與供電軌之間的火花電弧產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)3個(gè)方面[8].中低速磁浮對(duì)外的電磁輻射是一個(gè)復(fù)合空間電磁場(chǎng).但前兩者的電磁場(chǎng)由于場(chǎng)強(qiáng)和頻率很低，無(wú)法形成有效的輻射，只分布在列車(chē)四周.因此，在研究中低速磁浮系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)施時(shí)，需考慮以上3個(gè)電磁場(chǎng)的復(fù)合場(chǎng)；而對(duì)外部相關(guān)設(shè)施的電磁輻射影響，主要還是來(lái)自于火花電弧的高頻電磁場(chǎng).

基于此，本文在理論分析方面，主要考慮直流1 500 V的火花電弧產(chǎn)生的電磁輻射影響，其輻射電磁場(chǎng)可通過(guò)以下公式計(jì)算得到

(1)

(2)

(3)

式中：Er和Eσ為電場(chǎng)強(qiáng)度;Hφ為磁場(chǎng)強(qiáng)度；λ為電磁波波長(zhǎng)；I為電弧電流；D為距天線距離；l為電弧等效天線長(zhǎng)度；Z0為天線負(fù)載阻抗；(r，σ，φ)表示球坐標(biāo)系下3個(gè)分量.

根據(jù)DC1 500 V電弧的等離子體模型公式[9-10]，在參數(shù)可調(diào)范圍內(nèi)，該等離子體模型能產(chǎn)生的電弧電壓中100 V是一個(gè)極限最大值，選取此條件下的電弧電流作為激勵(lì)源.并對(duì)式(1)～式(3)采用時(shí)域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)計(jì)算得到電弧的電磁場(chǎng)分布.

2.2 10 m范圍下的電磁輻射影響情況

選取D為10 m，可計(jì)算得到距離中低速磁浮10 m處，機(jī)場(chǎng)各類無(wú)線設(shè)施受電磁輻射值.以超短波定向臺(tái)為例，通過(guò)FDTD計(jì)算和傅里葉變換，得到其工作頻段為118～150 MHz和225～400 MHz范圍內(nèi)受到的電磁輻射的頻譜見(jiàn)圖1.

超短波定向臺(tái)最低定向信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)為90 μV/m=39.08 dBuV/m，考慮20 dB的防護(hù)率，得到電磁環(huán)境要求門(mén)限值為19.08 dBuV/m.對(duì)于中低速磁浮的電磁輻射強(qiáng)度，118～150 MHz頻段，取中心頻率134 MHz的場(chǎng)強(qiáng)幅值為-78.39 dBV/m(41.61 dBuV/m)；225～400 MHz頻段，取中心頻率312.5 MHz的場(chǎng)強(qiáng)幅值為-83.47 dBV/m(36.53 dBuV/m),都超過(guò)了設(shè)備的電磁環(huán)境要求門(mén)限值.因此，在距離10 m處，中低速磁浮交通的輻射電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)超短波定向臺(tái)產(chǎn)生電磁干擾，影響其正常運(yùn)行.

同理，可得到其他無(wú)線設(shè)施受影響情況見(jiàn)表2.

表2 距離中低速磁浮系統(tǒng)10 m處的電磁輻射值

由表2可見(jiàn)，中低速磁浮交通與機(jī)場(chǎng)相距10 m時(shí)，其產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)無(wú)方向信標(biāo)臺(tái)、超短波定向臺(tái)、航向信標(biāo)臺(tái)、下滑信標(biāo)臺(tái)、全向信標(biāo)臺(tái)、分米波航向/測(cè)距信標(biāo)臺(tái)、分米波下滑信標(biāo)臺(tái)、VHF通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，對(duì)其他設(shè)備的正常工作沒(méi)有影響.

3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值分析電磁輻射影響

3.1 測(cè)試概況

采用中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司在2016年對(duì)株機(jī)廠磁浮試驗(yàn)線的測(cè)試數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行分析.采用R&S EB200測(cè)量接收機(jī)對(duì)中低速磁浮交通在無(wú)車(chē)、列車(chē)加速通過(guò)、減速通過(guò)和懸停4種場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)量，獲得距離磁浮列車(chē)10 m處超短波定向臺(tái)和測(cè)距儀臺(tái)所在頻段的電磁輻射值，以此分析對(duì)這兩種設(shè)施的電磁干擾影響情況.測(cè)試具體環(huán)境如圖2所示.

3.2 超短波定向臺(tái)

超短波定向臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3.由圖3知，磁浮列車(chē)在懸停時(shí)與無(wú)車(chē)通過(guò)時(shí)的背景基本一致，對(duì)外電磁輻射值極小.磁浮列車(chē)在加速和減速時(shí)的整體環(huán)境噪聲相對(duì)于無(wú)車(chē)時(shí)的環(huán)境噪聲有明顯增加，這是由于磁浮列車(chē)在通過(guò)時(shí)，由于電刷與接觸軌之間的不平順產(chǎn)生火花電弧，由此引起對(duì)外電磁輻射.從以上的測(cè)試數(shù)據(jù)可得，在超短波定向臺(tái)所在頻段，磁浮列車(chē)在運(yùn)行時(shí)所輻射的信號(hào)電平均小于-98 dBm(相當(dāng)于場(chǎng)強(qiáng)值為38 dBuV/m).對(duì)比表1，在距離中低速磁浮10 m處，不滿足超短波定向臺(tái)的電磁環(huán)境要求.

3.3 測(cè)距儀臺(tái)

測(cè)距儀臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4.從以上的測(cè)試數(shù)據(jù)可得，在測(cè)距儀向臺(tái)所在頻段，磁浮列車(chē)在運(yùn)行時(shí)所輻射的信號(hào)電平均小于-97 dBm(相當(dāng)于場(chǎng)強(qiáng)值為35 dBuV/m).對(duì)比表1，在距離中低速磁浮10 m處，測(cè)距儀臺(tái)不受中低速磁浮交通影響，可以正常運(yùn)行.

4 電磁安全防護(hù)距離

4.1 概念提出

針對(duì)中低速磁浮交通電磁輻射的影響，提出了電磁安全防護(hù)距離的概念.當(dāng)中低速磁浮在距離x0處的電磁輻射值，等于機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施電磁環(huán)境要求門(mén)限值時(shí)，x0稱為電磁安全防護(hù)距離.當(dāng)設(shè)備距離中低速磁浮交通線路大于x0時(shí)，設(shè)備不受磁浮交通影響，可以正常運(yùn)行.因此，在修建中低速磁浮交通時(shí)，應(yīng)滿足線路任何位置與機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)備的距離大于電磁安全防護(hù)距離.對(duì)于不同的設(shè)施，由于電磁環(huán)境要求不同，會(huì)有不同的電磁安全防護(hù)距離.

4.2 電磁安全防護(hù)距離計(jì)算

采用天線的功率密度計(jì)算公式對(duì)場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行推算，并結(jié)合機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的電磁環(huán)境門(mén)限值要求，計(jì)算得到電磁安全防護(hù)距離x0.

令pinT為球坐標(biāo)(θ，φ,r)處的功率密度，gT為增益，則在距離r處的輻射功率s=pinTgT(θ，φ,r)/(4πr2).兩邊取對(duì)數(shù)，可得

S=PinT+GT- 20lg(r) -10.99

(4)

式中：S=10lg(s)，PinT= 10lg(pinT)，GT=10lg(gT(θ，φ,r)).則對(duì)于不同距離r1和r2，分別對(duì)應(yīng)S1和S2，可得

S2-S1=20lgr1-20lgr2

(5)

(6)

式中：E為電場(chǎng)強(qiáng)度.利用式(6)，可通過(guò)已知遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)r1位置的場(chǎng)強(qiáng)，推算得到r2位置的場(chǎng)強(qiáng).假設(shè)距離中低速磁浮交通10 m處的電磁輻射值E10，可得在距離任意x處的輻射場(chǎng)強(qiáng)值為

(7)

假設(shè)，當(dāng)距離中低速磁浮交通x0處的輻射場(chǎng)強(qiáng)值Ex0等于機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的電磁環(huán)境要求門(mén)限值EK，即可得到電磁安全防護(hù)距離為

(8)

4.3 理論計(jì)算磁浮與機(jī)場(chǎng)的電磁安全防護(hù)距離

將表2中各類機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施在距離中低速磁浮交通10 m處受到的電磁輻射值，以及表2中各類設(shè)施的電磁環(huán)境要求門(mén)限值，分別代入式(8)，即可計(jì)算得到機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的電磁安全防護(hù)距離，見(jiàn)表3.

表3 中低速磁浮系統(tǒng)與機(jī)場(chǎng)無(wú)線設(shè)施的電磁安全防護(hù)距離Tab.3 Electromagnetic safety protection distance between medium and low speed Maglev system and airport wireless facilities

由表3可知，無(wú)方向信標(biāo)臺(tái)、超短波定向臺(tái)、航向信標(biāo)臺(tái)、全向信標(biāo)臺(tái)、VHF通信系統(tǒng)等設(shè)施，受中低速磁浮電磁輻射影響較大，要求距離在百米以上.而對(duì)于方位臺(tái)、仰角臺(tái)、測(cè)距儀臺(tái)、塔康導(dǎo)航臺(tái)、分米波近程導(dǎo)航臺(tái)等無(wú)線設(shè)施，基本不受中低速磁浮電磁輻射影響，即在中低速磁浮交通實(shí)際工程建設(shè)中，可以不必考慮對(duì)這幾類設(shè)施的電磁輻射影響.

4.4 基于測(cè)試值的電磁安全防護(hù)距離

基于中低速磁浮交通在超短波定向臺(tái)和測(cè)距儀臺(tái)所在頻段的電磁輻射測(cè)試值，與超短波定向臺(tái)和測(cè)距儀臺(tái)的電磁環(huán)境要求門(mén)限值進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)式(8)的電磁安全防護(hù)距離計(jì)算方法，可得到中低速磁浮交通與以上兩類設(shè)施的電磁安全防護(hù)距離要求.

圖5中的容許最大干擾值即電磁環(huán)境要求門(mén)限值.由圖5可知，當(dāng)中低速磁浮系統(tǒng)與超短波定向臺(tái)距離小于89 m時(shí)，磁浮系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射干擾值大于超短波定向臺(tái)的容許最大干擾值，超短波定向臺(tái)被干擾，可能無(wú)法正常工作.因此，建議全向信標(biāo)臺(tái)與磁浮系統(tǒng)的安全防護(hù)距離大于89 m.同理，根據(jù)圖6可推算出測(cè)距儀臺(tái)與中低速磁浮交通的電磁安全防護(hù)距離為2 m.

對(duì)比測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果，數(shù)值基本接近，測(cè)試結(jié)果小于理論計(jì)算結(jié)果基本合理，這是由于理論計(jì)算是基于火花電弧最大激勵(lì)電流計(jì)算得到.

5 結(jié)論

1)中低速磁浮交通在車(chē)體周?chē)嬖趹腋‰姶盆F的直流穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)、直線電機(jī)產(chǎn)生的低頻交流磁場(chǎng)和火花電弧產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)的符合電磁場(chǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)則主要是火花電弧產(chǎn)生的電磁輻射.并通過(guò)計(jì)算得到機(jī)場(chǎng)各類無(wú)線設(shè)施的電磁安全防護(hù)距離.針對(duì)計(jì)算結(jié)果可知，中低速磁浮對(duì)無(wú)方向信標(biāo)臺(tái)、超短波定向臺(tái)、航向信標(biāo)臺(tái)、全向信標(biāo)臺(tái)、VHF通信系統(tǒng)等設(shè)施影響較大，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，磁浮與機(jī)場(chǎng)的安全防護(hù)距離在百米以上.

2)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得到中低速磁浮列車(chē)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的實(shí)際電磁輻射值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，由于火花電弧的電磁輻射，磁浮列車(chē)在加速和減速時(shí)對(duì)外電磁輻射值要高于懸浮狀態(tài)下的輻射值.并根據(jù)測(cè)試值，得到了超短波定向臺(tái)和測(cè)距儀臺(tái)的電磁安全防護(hù)距離分別為89和2 m.略小于理論計(jì)算結(jié)果，這是由于理論結(jié)果是基于電弧電壓極大值條件下得到.

本文提出的電磁安全防護(hù)距離可為中低速磁浮交通的工程建設(shè)提供支撐，特別是線路選線.當(dāng)磁浮線路連接或經(jīng)過(guò)機(jī)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)滿足磁浮對(duì)機(jī)場(chǎng)各類無(wú)線設(shè)施的電磁安全防護(hù)距離要求.