电力机车电磁辐射的机理及对周边环境的影响

摘 要：建设完善高速铁路网已成为我国的国家战略，其对于我国的经济社会发展都有着重要的意义。但在高速铁路网快速发展的同时，也带来一些附加影响亟待解决。高速铁路行驶的都是电力机车，电力机车在运行的过程中，均会对外发射电磁辐射。本文从电网对电力机车的供电系统为切入点，描述了电力机车产生电磁辐射的机理，并就铁道沿线受电磁辐射影响主要设备进行了分析，并提出了相应的对策。

关键词：电力机车；电磁辐射；电磁环境；抗干扰

中图分类号：U26 文献标识码：A

一、电力机车电磁辐射的形成

轨道机车要急速行驶，应当装设功能强大的动力系统。当下，一般K字头火车的动力系统的功率普遍为2W到3MW之间。根据国务院制定的中长期铁路规划，我国将开行时速达300公里以上的高速列车。行驶速度如此大的列车，需要的动力系统系统功率将达到10MW左右。就目前技术条件，为如此高功率的列车提供动力，一般均采用电动力系统。所以，在我国高速列车均采取电力机车。电力机车从供电网中获取能量，电力机车本身不装设功率产生设备，也不携带其他一次能源，其能量来源均由电力网提供。电能是有发电厂产生，利用升压变电站升压传输到降压变电站，再引入到铁道专用变电站。从铁道专用变电站的出线端引出配线网络到铁道接触网上端，利用回流连接线与受电弓、车轮及铁轨，形成了电流流通路径，此时电力机车通电。具体可参见图1。

在传统的电力机车的动力供配电系统中，曾有多种不同的供配电形式出现，主流的有供电方式有单相工频交流方式、单相低频交流方式、直流方式等。经过多年铁路的工作者的实践，最终确定电力机车的供配电的系统采用单相工频交流方式。通过交流为电力机车的行驶提供动力有相比其他方式具有很多的优势。但工频交流电必然对外发射工频电磁波，同时由于与铁道附近的电磁环境相互影响，还必然发射高频谐波辐射。这些电磁辐射对于周边的电气设备、通信设施必然会产生一定的影响。

二、电力机车形成电磁辐射的原因

电力机车行驶时形成的电磁辐射主要原因是受电弓与导线的联系问题。受电弓与导线之间本来就存在着接触电阻的问题。行驶中的电机机车受电弓和电网络更加不可能严密的接触。这个接触面的等效电路模型，不能够单纯的是一个电阻模型，而是一个由电阻、电容和电感共同构成的模型。同时，由于电力机车在行驶时，受电弓与导线之间的接触面的紧密程度在不断地变化，它们之间的等效电路模型参数亦在不断变化。这致使流过机车的电流产生高频谐波分流，对外发射高频电磁谐波。电力机车电磁辐射，大概有一下几种形式。

（1）电力机车在启动和进站时，时速相维持在低位，行驶相对稳定。此时受电弓在供电网导线下方平滑移动，衔接相对严密，基本未有形成显然的缝隙，电磁辐射较弱。这时候机车通过电流波形产生畸变原因在于，导线和受电弓的表平面由于存在着损耗，相互的表面都不够平滑。这种畸变电流在机车重载运行时，变现的愈加明显。畸变电流对外依然要发射高频电磁波，产生电磁辐射。相对而言，此类电磁电磁辐射的能量层级比较弱，同时随着频率的增大，幅值衰减得也比较厉害。

（2）电力机车在驶离车站开始高速运行时，因为导线表层存在许多的硬点，机车机车在经过这些硬点时，将完全与导线脱离。此时，供电网对机车的供能，将有电弧的参与。电弧的流经路径和电流大小难以控制，时刻变化。电弧电流包含大量的的高次谐波分量，并且能量层级很高，对外将发生较为强烈的电磁辐射。

除此之外、电力机车装设的其他设备，比如整流设备、变压器等等都会形成一定的电磁辐射。整流设备是由非线性的电力电子器件构成，其工作形式是在电力电子器件不停在截止区和饱和区转换，从而达到交直流转换盒变频的目的。在此过程中，必将产生高频电磁辐射。变压器采用了很多铁磁材料构成，由于其铁磁材料工作超过其线性区，使得不同相位的电流非等比例变化，从而造成高频电磁谐波。此类电磁辐射，能量层级相对于受电弓与导线之间产生的电磁辐射而言较小，同时还受到机车的屏蔽，对周围环境影响比较弱。

总之，电力机车电磁辐射产生原因主要是由于列车行驶时其受电弓与接触网的衔接情况不断变化，导致其等效电气参数不断变化，从而产生了不平衡电流，形成了对外发射和严接接触网传导的电磁辐射。电力机车电磁辐射的形成及传导情况如图2所示。

三、电力机车电磁辐射对周边环境的影响及对策

电力机车在运行时，将产生一定的电磁辐射。而铁道沿路有可能布置着各种电气电信设备，例如超短波通信台、广播电视台、雷达信号台等等设施。电磁辐射不可避免会对此类设备构成干扰。为此，相关部委对不同的电气设备制定了不同的国家标准，对电力机车及其相应的铁道沿线的各类电气设备的间隔距离做了详细的规定，以避免互相干扰

铁道建设是一个长期过程，部分由于历史原因，严格按照国标建设有一定的困难。这需要充分比较平衡国防、人文、自然之间的相互影响。从铁道自身建设的角度来说，要减少电力机车在急速行驶的过程中形成的电磁辐射，则应道使得铁道路径尽量平直，采用高质量的受电弓，协调弓网的联络，从而达到降低受电弓的瞬间的离线率。而从受干扰方的角度说，应当增加设备的可靠性，提高仪器的有效辐射率，纠正信号采样功率因素，对部分采样设备进行改造。

以下就电力机车轨道附近容易受到干扰的设施及其抗干扰措施作概括描述：

1民航航站楼

民航航站楼里面的导航装置，是机场和航班进行通信的设施，向航班传递角度、航线和其他信息，以确保航班的平安运行。

电力机车在行驶过程中形成的电磁辐射，将干扰到航站楼读取航班的信息，并在传输的数据的过程中造成信息的丢失，威胁航班的正常运行。

目前针对航站楼的电磁辐射主要可以采取以下措施

（1）增加电力机车的轨道与民航航站楼的相对距离，使得电力机车的产生的电磁辐射对航站楼的影响，降低到可接受水平。同时，依据先行建设单位优先的原则进行协调。

（2）由于接组网的电力分相属于强辐射源，在航站楼附近，尽量不设置分相设备

（3）提高航站楼传输型号的能级强度，加强其抗干扰能力，增强其信噪比，以确保航班的安全稳定运行。

2信号雷达台

信号雷达台是国防对空作战的情报收集的基本单元，是对空防控的信息中枢。电力机车行驶过程期间附带形成的电磁干扰，容易使得雷达输出画面出现雪花，干扰情报人员对情报的准确判断。对电力机车的电磁干扰问题，一般采取以下对策

（1）对等级较低、符合迁移标准的雷达台，可对其实施迁移。

（2）对于核心中枢的重要雷达台，可以与高铁方面进行协商，从产生电磁辐射源头降低干扰信号的强度。

（3）对雷达台进行技术改造，提高屏蔽电气辐射的技术条件，加强雷达的抗干扰能力。

3短波侧向站

短波侧向站一种运用信息传输与处理技术，采样与收集短波信号，通过对信号的系统分析判断信号的来源。电力机车行驶过程中形成的电磁辐射，本身就是一种无线干扰信号，尤其是其中的高频辐射，会直接被侧向站所采集，干扰测向的判断。目前可以主要采取的对策如下：

（1）对于影响严重，干扰厉害的测向站，先考虑对测向站的信号采集系统进行迁移，但应当尽可能不对测向站整体进行迁移。从国防角度出发，信号测向是个系统工程，不应当进行远迁。

（2）电力机车的轨道应当尽可能平直，降低电磁辐射的产生。

（3）提侧向站高滤波、隔离及定位的能力，改进测向站的可靠性。

4收信站

收信站尤其是超短波授信站，负责国防、安全、海事等关键部门的信息传递任务。电力机车在行驶过程中将形成电磁辐射，高频辐射将与短波信号进行叠加，使得信号丢失信息。对收信站可以采用以下措施：

（1）改造轨道建设，从源头减少形成电磁辐射的因素

（2）提高收信站采集信号的能力、改变收信站分析信号的方法

（3）对收信站在一定地域内进行迁移

5广播电视中继站

广播电视中继站，是接收广播电视信号，并通过相应的方法对信号的幅频和相频特性进行调整，增大信号的能将，并将广播电死信号发送到地方发射台，以供用户接收。电力机车产生的电磁辐射会叠加到广播信号中，使得用户的电视画面出现雪花，广播声音出现杂音。严重影响收听收视效果。对电力机车的电磁干扰，可采取以下措施。

（1）提高滤波措施，滤除相应干扰

（2）增强信号信号传输的特征点，使得后继信号站能够更加容易得从噪声信号中提取有用信号。

（3）另行选址建设新的广播电视中继站

电力机车在行驶过程中，将不可避免的产生电磁辐射。减少电磁辐射的干扰，最直接的措施是采用屏蔽的措施。最佳的屏蔽方式是在让电力机车在完全封闭的、有铁磁材料构成的隧道中运行。这方法成不过高，不易施行。但在对电气环境要求较高的路段，进行半封闭的屏蔽建设，也能起到很好的屏蔽效果，同时还可以抑制噪音。此外、提高受电弓的质量、增加铁道输电功率的稳定性，都可以减少电力机车的电磁辐射。

（本文系重庆水利电力职业技术学院院级科研项目（K201212）“电力机车电磁辐射对周边环境影响的研究”的研究成果）

参考文献：

[1]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 [S].

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[3]刘干禄.轻轨机车运行中产生的电磁辐射的测试方法探讨与研究[J]. 中国无线电，2005（5）.52—54.

[4]孙宇新. 电磁辐射对环境的污染及防护措施[J].工业安全与环保，2001（1）.1—4.

[5]孙彦.解析电磁辐射环境管理现状及对策[J]. 科技信息，2013（15）. 483.

[6]陈德育.110kV输变电工程电磁辐射对环境的影响分析[J]. 中国新技术新产品，2013（6）. 217-218.

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