吴书伟，李显欣

0 引言

按照国务院批准的《中长期铁路网规划》的目标，中国将在2020 年建成“四纵四横”的快速客运网络体系，中国铁路正步入高速时代，高速电力机车的应用必将越来越多。高速铁路在机车、线路和接触网等领域的技术与过去有本质的不同，随着列车速度的提高，其电磁干扰强度和测试方法也必然发生变化。

1 电力机车高速运行时产生的电磁干扰

电力机车高速运行时产生的电磁干扰主要发生在受电弓滑板与接触线的接触点，电磁干扰能量的一部分在接触点直接向周围空间辐射；一部分沿接触线纵向传导，并在传导过程中辐射并衰耗在接触线上；另一部分能量沿受电弓传导，在受电弓框架产生辐射，并衰耗在机车受流回路中。电磁干扰能量的传播情况如图1 所示，其中直接向周围空间辐射的幅度变化范围较大，频谱很宽，能量也比较大，它是在现场测量到的电磁干扰的主要部分。

2 相关测试标准

国际上，日本、美国和欧洲均对电气化铁路（包括高速）电磁辐射进行过大量实际测量和研究。尤其是CENELEC（欧洲电工技术标准化委员会）经过多年的试验与研究于2000 年发布了铁路电磁兼容系列标准（EN50121），该标准已经转为IEC62236标准，对铁路系统的各专业电磁辐射强度的测量方法和限值作出了规定。该标准给出的限值是以欧洲不同国家，不同线路，尤其是高速线路的实测数据为基础提出的，该数据测自法国TGV、德国ICE、英国和意大利不同类型的高速电气化铁路，反映了近年来国外采用最先进电力牵引技术的机车和线路的电磁干扰实际情况。

图1 电力机车高速运行时产生的电磁干扰传播示意图

以往国内普速电气化铁路电力机车电磁干扰测试主要采用国标GB/T15708-1995《交流电气化铁路电力机车运行产生的无线电辐射干扰的测量方法》进行测试。

2.1 2 个标准中测量方法的主要区别

国内1995 年发布了GB/T 15708-1995《电气化铁道机车运行产生的无线电干扰测量方法》标准，该标准规定的测量方法与IEC62236-2《Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 2：Emission of the whole railway system to the outside world》中规定的测量方法有较大区别。主要表现在检波方式、天线极化方式、采样时间和处理方式等3 个方面。

2.2 2 个标准中测量方法的比较

通过对2 个标准中测量方法的比较，可以看出IEC62236-2 规定的方法更适用于高速电力机车的电磁干扰强度的测量，理由主要有以下2 个方面：

（1）高速情况下，准峰值检波充放电时间相对于列车通过时间显得太长；目前主要影响国内铁路沿线的不是声音广播而是电磁辐射。随着技术进步，大量铁路内部电子设备和沿线民用电视及一些重要无线电设施的数字化程度越来越高，对瞬态尖峰辐射骚扰更为敏感，故采用峰值检波比准峰值检波更为合适。

（2）国内标准规定的采样时间和处理方法不适用于高速情况。其随速度变化范围大，取样区间长短变化也较大，而80%的概率值又与取样区间长短直接相关，使电磁干扰的大小因取样区间的长度不同而失去可比性，整个取样段全部数据参与统计导致测量结果受测试天线方向的影响较大。

虽然IEC62236-2 规定的方法更适用于对高速电力机车的电磁干扰强度的测量，但其给出的限值与国内已制定的一系列有关铁路干扰防护标准不具备可比性，无法相互兼容，为了保持对以往标准的平滑过渡，必须通过大量的测量和研究得出原有国家标准与最新国际标准之间的转换关系。

3 实际测试案例

为了对高速电力机车运行时产生的电磁干扰频率特性作一深入研究，笔者在某高速铁路沿线进行了大量的现场测试，测试方法参考了IEC62236-2的部分规定。

3.1 测试方案

该次测试采用2 套测试设备同时进行测试，1套设备对电磁辐射的垂直分量进行测试，另1 套设备对辐射的水平分量进行测试。将测试接收机设置于示波器状态，每次过车2 套设备对同一频点进行测量，每次测试同时进行峰值、准峰值、均值3 种检波方式的测量。当列车行驶至离测试点约450 m处时，2 套设备同时进行测量，10 s 后结束测量，每个频点至少测10 组数据。

3.2 测试数据的处理

按照上述测试方案，每次测试分别得到2 种极化方式下的峰值检波、准峰值检波、均值检波3 种检波方式的数据，测试结束后对每种检波方式的测试数据再按不超过50%、80%、90%、95%、最大值5 种概率进行取值，将测得的每个频点在不同极化方式下的多次测试数据在各种概率下的值进行算术平均得到多次测量的平均值，再采用最小二乘法准则用MATLAB 编程进行曲线的拟合，使该曲线上各相应点的值与测量值之差的平方和在所有拟合曲线中最小，得到该高速铁路电气化区段电力机车运行时产生的电磁干扰强度统计结果。

3.3 测试结果的分析

在对实际测试数据进行上述统计处理后发现，30～1 000 MHz 频段数据的变化趋势与理论分析不符，将现场其他辅助测试项目记录的数据进行综合比较分析，发现电力机车运行时产生的电磁辐射在30～1 000 MHz 频段内比较小，经常淹没在测试地点的背景噪声中，多数情况下无法进行测量。由于测试地点30～1 000 MHz 频段的背景噪声为30～55 dBμV/m，导致测试时多次出现干扰淹没在MAX（测试设备的本底噪声，测试时的背景噪声）中的现象，无法测出电磁干扰的具体大小，在现场直接就将该数据剔除了，但也有时电磁辐射会比较大，测试仪才进行记录和保存，这就必然导致测得的数据偏大。由于只有在电磁辐射强度超出MAX时才被记录和保存，故由此得到的测试数据变化趋势也与 MAX 类似，这就是上述测试 30 ～1 000 MHz 频段内测试数据的变化趋势与理论分析不符的原因。

3.4 测试过程中应重点注意的事项

根据实际测试的工程实践，结合相关测试标准的规定，笔者对测试过程中应重点注意的事项进行了总结，并对部分测试方法给出了自己的建议，主要有以下几个方面。

3.4.1 测试地点

选取的测试地点应符合以下要求：

（1）测试地点应为可能产生最大电磁辐射的区段。

（2）被测列车经过测试地点时其速度应高于最高运营速度的90%，同时机车功率应达到该速度下的最大值。

（3）被测列车经过测试地点时应使其机车在达到最大额定功率的选定速度上运行，测量低频分量时该项尤其重要。

（4）测试地点应避开接触网非连续区段，并且四周比较空旷，没有高大建筑物。

3.4.2 测试天线

由于测试天线感应到的是电压信号的强度，故在进行测试前应注意将天线系数输入测试仪器，用于把天线接收端（终端）电压信号换算成场强。

3.4.3 测试参数

（1）检波方式的设置。IEC 62236-2 规定为峰值检波，由于目前较多仪器具备同时进行3 种检波方式测试的能力，建议在测试时至少设置为峰值、准峰值2 种检波方式，准峰值检波的数据可以参考以往国内标准的规定进行分析，以便得出2 种检波方式下所得测试数据的差异。

（2）中频带宽的设置。测试接收机一般都有3 种中频带宽（注意该处的中频带宽指-6 dB 带宽），分别为200 Hz、9 kHz、120 kHz，根据测量频段的不同，测试时采用的中频带宽也不一样，具体情况如表1 所示。

表1 测试接收机的中频带宽设置表

（3）仪器设备的校正。接上天线后对同一正弦波场的强度进行测量，与CISPR16-1 试验设备相比较，验证测量值的误差在±4 dB 之内。

（4）测试时间的选取。电力机车经过测试点时，电磁辐射不一定最大，相反，最大值可能出现在机车车辆远离测试点的某个位置。所以，测试时间必须足够长，以保证可以捕捉电力机车经过前后产生的最大电磁辐射值。这里的测试时间包含2 个概念，即从列车进入测试区段到完全离开的时间和仪器测试时停留在某个频点的采样时间。

因此在测试前应进行计算，经调研，列车经过该测试所选测试点区段时速度约为330 km/h，根据测试经验，电磁辐射的最大值一般出现在测试点前后约400 m 的区段内，故测试时设置测试时长为10 s 即可满足要求（仪器在列车进入测试区段时开始测试，列车完全离开测试区段时结束测试），此时可对列车经过测试点前后各450 m 的区段内产生的干扰进行测量。

IEC 62236-2 标准推荐采用频率扫描方式进行测量，在某个频点的采样时间为50 ms，这对仪器的要求比较高，因为仪器在进行频率切换时存在切换时间，尤其是跨频段切换时切换时间更长，在测试时应注意对测试仪器的参数进行详细了解。即使仪器的性能可以满足分频段扫描方式测量，但也仅限在电磁环境很好的暗室或开阔场进行测量，不适合在电磁环境复杂的铁路沿线使用，因为无法由测试数据中判断干扰是否因电力机车通过引起。

笔者建议可以采用示波器的方式进行单频点测试，为达到采样时间不大于50 ms，只要其在10 s 的一个测试时段内取200 个样本即可满足要求，为了更容易捕捉到交流牵引电流换向时产生的电磁辐射发射，该测试设置在10 s内取500个样本。该方法的缺陷是一次只能进行一个频点的测试，需要选取有代表性的频点分别进行大量的测试，将所得结果进行统计分析，才能得出比较科学的结果。

（5）测试天线的位置。测试天线应距离电力机车运行轨道中心线10 m 远。如果使用对数周期天线，就是天线阵的机械中心距离轨道中心线10 m远。该测试中测试区段为复线，故测试天线应距离最近轨道中心线10 m 远。电力机车运行时对外辐射主要来源于滑行接触，所以即使机车两侧安装有不同的设备，也没必要在两侧都进行测试。

（6）测试天线的架设。环形天线的中心应处于距轨平面1.0～2.0 m 的高度，偶极子天线与对数周期天线的中心应处于距轨平面2.5～3.5 m 的高度。经过大量的实际测试，发现采用峰值检波方式测试时，在低频段（0.009～30 MHz）环形天线平行于轨道放置时测试结果大于垂直轨道放置时的测试结果，在高频段（30～1 000 MHz）天线垂直极化测试结果大于天线水平极化的测试结果，所以在用峰值检波进行最大干扰测试时，环形天线环面一般平行于测试线路架设，偶极子天线和对数周期天线平面一般垂直于测试线路架设。

3.4.4 测试时频率的选择

（1）测试频率的选择取决于测试现场的环境。在进行测试频率选择时应考虑附近是否有强信号存在，比如说公共广播站和移动基站之类。建议避开强信号进行频率的选择，以免影响测试数据的准确性和正确性。

（2）测试频率应满足每10 倍频程至少有3 个频率测试点。

3.4.5 辅助项目的测试

（1）仪器本底噪声的测量。测试前，在电磁环境相对较好的地方，对计划测试频点在测试方案要求的参数设置下进行设备本底噪声的测量，作为现场测试时的综合分析。

（2）背景噪声的测量。在进行正式测试前应对计划测试频点在测试方案要求的参数设置下进行背景噪声的测量，背景噪声的测量应在没有列车经过的情况下进行，这样就可以测出已通电线路产生的噪声，在进行该项测试时可能需要用到上节所述的仪器本底噪声进行分析。该项数据用于在测试电力机车运行产生的电磁辐射时进行比较分析，判断测得的数据是否为真正的电力机车产生的辐射，防止误将背景噪声当成电力机车运行时产生的电磁干扰。

（3）环境温湿度的测量。为使天气对测试结果影响最小，测试宜在干燥的天气里进行（24 h 内的降雨量少于0.1 mm），温度不低于5 ℃，应在测试过程中对测试点的环境温湿度进行同步测量，可用于对干扰测试结果进行相关分析。

4 结束语

经过对电力机车高速运行时产生电磁干扰测试方法的研究，结合相关测试标准，通过现场测试实践得到的一些经验，总结出高速电力机车电磁干扰测试过程中应重点注意的事项，并对部分测试方法给出了建议，供业内同仁参考。

[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] 铁道部电气化工程局通信信号勘测设计院.GB/T 15708-1995 交流电气化铁道电力机车运行产生的无线电辐射干扰的测量方法[M].北京：中国标准出版社，1996.

[3] 全国牵引电气设备与系统标准化技术委员会.轨道交通电磁兼容第2 部分：整个轨道系统对外界的发射（报批稿）.湖南，2009.

[4] 张晨.IEC 62236 铁路应用-电磁兼容 第2 部分:《铁路系统对外部电磁辐射》标准的等效采用工作项目.北京：中国铁道科学研究院通信信号研究所，2009.

[5] 铁道部电气化工程局通信信号勘测设计院防护勘测研究设计所.交流电气化铁道的电磁影响及防护.天津：天津教育出版社，1993.

[6] 刘国林，殷贯西，等.电子测量[M].北京：机械工业出版社，2003.