新型高速試驗(yàn)列車高壓室電磁屏蔽研究

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

新型高速試驗(yàn)列車高壓室電磁屏蔽研究

肖 石

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，266111，青島∥第一作者，工程師）

新型高速試驗(yàn)列車高壓室置于車廂內(nèi)部后，其高壓設(shè)備對(duì)乘客身體健康及對(duì)周圍其它設(shè)備的正常工作產(chǎn)生影響。介紹了高壓室的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，分析了車內(nèi)設(shè)備所產(chǎn)生輻射電磁場(chǎng)的限定參數(shù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)高壓室在不同頻率下產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行了理論估算?；诖耍捎肍eko軟件對(duì)高壓室電磁屏蔽進(jìn)行建模和仿真，評(píng)估了相應(yīng)的屏蔽效能。仿真結(jié)果表明，所提出的電磁屏蔽方案取得了預(yù)期的效果，列車艙室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度被控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限值之下。

高速試驗(yàn)列車；高壓室；電磁場(chǎng)估算；電磁屏蔽

Author's address Technology Center，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

目前，運(yùn)營(yíng)動(dòng)車組的高壓設(shè)備箱安裝在車底，采用密閉鋁合金結(jié)構(gòu)，具有良好的高頻電磁屏蔽性能。同時(shí)，其與乘客距離較遠(yuǎn)，在車廂內(nèi)的低頻磁場(chǎng)相對(duì)較弱，對(duì)人體產(chǎn)生的干擾也較小。新型高速試驗(yàn)列車擬將車底的高壓系統(tǒng)移至車廂內(nèi)部，并專門設(shè)置用于放置該系統(tǒng)的高壓室。為避免設(shè)置于車廂內(nèi)的高壓設(shè)備對(duì)乘客佩戴的諸如心臟起搏器等個(gè)人醫(yī)療電子裝置的電磁影響，也為了全面評(píng)估高壓設(shè)備對(duì)周圍其它設(shè)備產(chǎn)生的干擾，在試驗(yàn)列車項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對(duì)置于車廂內(nèi)部的高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行全面研究和分析［1］。本文主要對(duì)試驗(yàn)列車高壓室可能產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行研究，期望通過(guò)對(duì)列車客室內(nèi)不同頻率電磁場(chǎng)的理論估算和仿真建模，獲得相應(yīng)的仿真結(jié)果，以便對(duì)試驗(yàn)列車高壓室屏蔽措施與工程化方案提出相應(yīng)的建議。

1 試驗(yàn)列車高壓室系統(tǒng)組成

如圖1所示，高壓室內(nèi)系統(tǒng)由高壓互感器、避雷器、真空斷路器和特高壓電纜等組成。其中，避雷器額定電壓為42 k V，持續(xù)運(yùn)行電壓34 k V，8/20μs殘壓峰值為105 k V；電流互感器額定絕緣水平為0.72 k V/3 k V，額定頻率為50 Hz，額定一次電流為400 A，額定二次電流為5 A，額定電流比為400/5，準(zhǔn)確級(jí)及額定負(fù)荷（cosφ=0.8滯后）為3.0級(jí)/25 VA；高壓電壓互感器額定電壓為25 k V，熱極限輸出為600 VA；真空斷路器標(biāo)稱電壓為25 k V，額定電壓為30 k V，最大工作電壓為31 k V；額定工作電流為1 000 A，額定開(kāi)斷能力為20 k A，短時(shí)耐受電流（熱穩(wěn)定電流）為12 k A（1 s），峰值耐受電流（動(dòng)穩(wěn)定電流）為30 k A；開(kāi)斷時(shí)間＜40 ms。

2 列車艙室內(nèi)電磁場(chǎng)估算

2.1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

圖1 高壓室系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)示意圖

就車內(nèi)設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)而言，需同時(shí)考慮其對(duì)人體健康及對(duì)其它設(shè)備正常工作的影響［2］。相關(guān)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)主要有：

（1）EN 45502-2-1-2003，有源植入式醫(yī)療器械-第2-1部分：用于治療緩慢性心律失常的有源植入式醫(yī)療器械（心臟起搏器）的特殊要求；

（2）EN 62233-2008，關(guān)于人體暴露于家用電氣和類似裝置電磁場(chǎng)的測(cè)量方法；

（3）EN 50121-3-2-2000，鐵路應(yīng)用-電磁兼容性第3-2部分：機(jī)車車輛-電氣設(shè)備。

EN 45502-2-1和EN62233的內(nèi)容規(guī)定了設(shè)備或系統(tǒng)電磁場(chǎng)對(duì)人體影響的參數(shù)指標(biāo)。在EN 45502-2-1標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了心臟起搏器應(yīng)滿足在磁感應(yīng)強(qiáng)度為1 m T靜磁場(chǎng)的作用下能夠正常工作以及在10 mT靜磁場(chǎng)作用至少1 min的情況下也能夠正常工作；同時(shí)規(guī)定了在1～140 k Hz頻率范圍內(nèi)心臟起搏器應(yīng)至少承受的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 心臟起搏器至少應(yīng)承受的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度

EN 62233不僅規(guī)定了電磁場(chǎng)的各種測(cè)試方法，而且直接采用了歐盟理事會(huì)第1999/519/EC指令中關(guān)于電磁場(chǎng)的限值規(guī)定（見(jiàn)表2）。其參數(shù)主要是針對(duì)家用電器及類似裝置而提出的，但其電磁場(chǎng)的限值是基于長(zhǎng)期暴露在電磁場(chǎng)輻射下的人體健康而設(shè)定的，因此這些限值對(duì)評(píng)估列車車廂內(nèi)電氣設(shè)備電磁場(chǎng)的大小具有直接指導(dǎo)意義。

表2 家用電器或類似裝置電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及電磁場(chǎng)的限值規(guī)定

EN 50121-3-2標(biāo)準(zhǔn)則考慮了設(shè)備或系統(tǒng)電磁輻射對(duì)其它設(shè)備或系統(tǒng)的影響，規(guī)定了在30～230 MHz和230～1 000 MHz頻率范圍內(nèi)，輻射電磁場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度準(zhǔn)峰值分別限制為10-4V/m和10-3.65V/m。

2.2 電磁場(chǎng)數(shù)值估算

根據(jù)列車高壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，估算其在不同頻率下所產(chǎn)生的磁場(chǎng)或電場(chǎng)的大?。?］。

2.2.1 靜磁場(chǎng)

目前，列車高壓系統(tǒng)的組成中沒(méi)有永磁型物質(zhì)，且系統(tǒng)工作時(shí)通過(guò)的電流為50 Hz交流電。在交流電的作用下，硅鋼片等軟磁物質(zhì)的剩磁很小，故高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)也很小，即使不加屏蔽措施，其周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度也遠(yuǎn)小于1 mT，不會(huì)對(duì)人體心臟起搏器造成影響。

2.2.2 交流電及其諧波產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)

一般地，交流電及其諧波產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率范圍約為50～100 k Hz。由于高壓系統(tǒng)通過(guò)的交流電流頻率為50 Hz，因此它將產(chǎn)生50 Hz的交變磁場(chǎng)。假設(shè)高壓系統(tǒng)可等效為一根通有電流的導(dǎo)線，則其周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度H根據(jù)安培環(huán)路定律估算：

式中：

I---電流高度；

l---任意閉合積分環(huán)路變量。

考慮到高壓系統(tǒng)中還包括電壓互感器、電流互感器等感性設(shè)備，只是由于無(wú)法得知該類設(shè)備的等效電感，不能對(duì)其產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小進(jìn)行估算，因此整個(gè)高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H應(yīng)大于式（1）得出的估計(jì)值。如果不考慮電壓、電流互感器所產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，假設(shè)交流電流的大小為300 A，則距高壓系統(tǒng)0.5 m處的磁場(chǎng)強(qiáng)度H為：

對(duì)照表2中相關(guān)數(shù)據(jù)可知，根據(jù)式（2）計(jì)算而得的結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的50 Hz磁場(chǎng)強(qiáng)度的限值0.08 A/m。因此，為了滿足表2的限值規(guī)定，需對(duì)高壓系統(tǒng)進(jìn)行低頻磁場(chǎng)屏蔽。

另外，交流供電系統(tǒng)中存在諧波信號(hào)，且諧波信號(hào)的頻率可達(dá)基頻的幾十倍。在供電質(zhì)量不好的情況下，諧波信號(hào)的幅度可達(dá)到基波幅度的5%左右。以50 Hz交流電20次諧波（1 k Hz）為例，如果交流電流的大小為300 A，其20次諧波電流的幅度可達(dá)15 A，則距高壓系統(tǒng)0.5 m處該諧波電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為：

表2中規(guī)定0.8～150 k Hz的磁場(chǎng)強(qiáng)度限值為5 A/m。如果考慮電壓、電流互感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)，則高壓系統(tǒng)1 k Hz的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小可能會(huì)超過(guò)規(guī)定的限值，且類似的情況在100 k Hz頻率內(nèi)都可能出現(xiàn)。因此，需要對(duì)高壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的50 Hz～100 k Hz的低頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽。

對(duì)于低頻磁場(chǎng)，采用具有良好電導(dǎo)率的鐵、鋼等金屬屏蔽材料可取得較好的電磁屏蔽效果［4］。屏蔽材料對(duì)低頻磁場(chǎng)（f＜100 k Hz）的屏蔽效能SE為：

式中：

t---屏蔽材料的厚度，mm；

f---頻率，Hz；

μr---屏蔽材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；

σr---屏蔽材料的相對(duì)電導(dǎo)率。

2.2.3 電火花產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)

在列車高壓系統(tǒng)中，真空斷路器中的電火花是一種瞬態(tài)電磁騷擾。該電磁騷擾的頻率范圍及強(qiáng)度與受電弓離線時(shí)火花放電產(chǎn)生的電磁騷擾非常類似［5］。圖2為受電弓放電產(chǎn)生的電磁騷擾的頻譜特性?？梢钥闯?，由放電而產(chǎn)生的輻射電磁場(chǎng)的頻譜范圍從幾MHz至2GHz；電磁騷擾的強(qiáng)度也很高，尤其在10～100 MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)得車廂內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值可達(dá)到0.316 V/m以上，可能會(huì)對(duì)周圍的電氣或電子設(shè)備造成干擾，其準(zhǔn)峰值也可能會(huì)超過(guò)EN 50121-3-2規(guī)定的限值要求。

圖2 受電弓離線電火花產(chǎn)生的電磁騷擾的頻譜特性

假設(shè)真空斷路器中的電火花與受電弓放電產(chǎn)生的電磁脈沖的波形及幅度類似，則對(duì)真空斷路器或整個(gè)列車高壓系統(tǒng)進(jìn)行高頻電磁場(chǎng)屏蔽將顯得必不可少。

對(duì)于高頻電磁場(chǎng)，具有良好電導(dǎo)率的金屬材料如鐵、鋁、鋼等即使厚度比較薄，也能起到很好的屏蔽效果；整個(gè)屏蔽腔體上孔縫的尺寸越小，其屏蔽效果越好。帶有單個(gè)孔縫結(jié)構(gòu)的屏蔽腔體的屏蔽效能可根據(jù)式（5）進(jìn)行估算：

式中：

λ---電磁波波長(zhǎng)，m；

l---孔的最大直徑或縫的最大長(zhǎng)度，m。

3 列車高壓室電磁屏蔽仿真分析

對(duì)電磁場(chǎng)的數(shù)值估算和分析可知，列車高壓系統(tǒng)所產(chǎn)生的輻射磁場(chǎng)主要包括交流電及其諧波所產(chǎn)生的低頻交變磁場(chǎng)和電火花產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)。其中，低頻磁場(chǎng)的大小及對(duì)其進(jìn)行屏蔽的效能可根據(jù)上述公式分別進(jìn)行估算，高頻磁場(chǎng)的大小無(wú)法得到較為確定的估算結(jié)果。本文利用Feko軟件對(duì)30 MHz及100 MHz下屏蔽高壓室內(nèi)外的高頻電場(chǎng)強(qiáng)度（場(chǎng)強(qiáng)）分布及其屏蔽效能進(jìn)行仿真建模和分析，以獲得高頻電磁屏蔽前后的對(duì)比結(jié)果［6-7］。

假設(shè)在對(duì)高壓室高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽的仿真模型中，屏蔽高壓室為2.35 m×2 m×1.56 m的封閉六面體結(jié)構(gòu)，無(wú)任何孔縫；屏蔽材料采用厚度為0.5 mm的不銹鋼板；電磁干擾源的位置在高壓室的幾何中心，源處場(chǎng)強(qiáng)的大小為1 v/m。仿真模型如圖3所示。假設(shè)該仿真模型中灰色平面距車廂地面（即高壓室底面）的高度為1 m，在此高度上仿真高壓室的場(chǎng)強(qiáng)分布。同時(shí)，將灰色平面中距離屏蔽室A面0.5 m處的P點(diǎn)作為典型位置，計(jì)算該點(diǎn)的屏蔽效能SE。

圖3 電磁屏蔽的仿真模型

圖4所示為30 MHz高頻電磁場(chǎng)在距車廂地面1 m高度平面上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢?jiàn)，屏蔽室外的場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)低于內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)，P點(diǎn)處仿真得到的屏蔽效能為40 dB。

圖5所示為100 MHz高頻電磁場(chǎng)在距車廂地面1 m高度平面上的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。其屏蔽室內(nèi)外的場(chǎng)強(qiáng)變化情況與圖4所示結(jié)果相似，P點(diǎn)處仿真得到的屏蔽效能為48 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

由數(shù)值估算和仿真建模分析可知，高壓系統(tǒng)產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于1 m T，因此不需要對(duì)高壓系統(tǒng)采用靜磁場(chǎng)屏蔽措施。但這一結(jié)論只是理論估計(jì)，為安全起見(jiàn)，仍需對(duì)高壓系統(tǒng)周圍的靜磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

圖4 30 MHz電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖5 100 MHz電場(chǎng)強(qiáng)度分布

高壓系統(tǒng)內(nèi)的交流電信號(hào)及其諧波信號(hào)會(huì)在50 Hz～100 k Hz頻率范圍產(chǎn)生較強(qiáng)的低頻磁場(chǎng)，無(wú)論是否考慮電壓互感器或電流互感器產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其產(chǎn)生的低頻磁場(chǎng)都接近或超過(guò)EN 62233標(biāo)準(zhǔn)的限值規(guī)定。因此，需對(duì)高壓系統(tǒng)的低頻磁場(chǎng)采取適當(dāng)?shù)钠帘未胧?/p>

高壓系統(tǒng)內(nèi)的電火花會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的高頻輻射電磁場(chǎng)，其頻率范圍在10 MHz～2 GHz。這些電磁騷擾可能會(huì)對(duì)周圍的設(shè)備產(chǎn)生干擾。因此，有必要對(duì)高壓系統(tǒng)的高頻電磁場(chǎng)進(jìn)行有效屏蔽。

為同時(shí)滿足低頻磁場(chǎng)及高頻電磁場(chǎng)屏蔽，建議采用鐵、鋼或不銹鋼作為屏蔽材料。對(duì)于低頻磁場(chǎng)，鐵或鋼的屏蔽效能要好于不銹鋼，建議優(yōu)先選用鐵或鋼作為屏蔽材料。屏蔽腔體應(yīng)為包圍高壓系統(tǒng)的焊接六面體，屏蔽腔體上所有孔的直徑以及縫的長(zhǎng)度應(yīng)小于1.5 cm。如果屏蔽腔體有門，則需在門與門框的接觸處安裝具有良好導(dǎo)磁及導(dǎo)電性能的襯墊。理論上屏蔽腔體的厚度越厚越好。考慮到工程上對(duì)屏蔽殼體自重的限制，建議采用最小厚度為0.5 mm的鋼板或鐵板。

［1］ 王守三.設(shè)備和系統(tǒng)安裝的電磁兼容技術(shù)、技巧和工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

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On Electromagnetic Interference Shielding for High-voltage Chamber of the Test Train

Xiao Shi

When the high-voltage chamber is arranged in the test train carriages，the high voltage equipments installed in the chamber would affect the passengers'health and the normal working of other peripheral equipments inside the train.In this paper，the structure and characteristics of the high-voltage chamber are introduced，the limitation and related standards of the electromagnetic field caused by the vehicle equipments are analyzed.Then，the value of the electromagnetic field generated by the high-voltage chamber at different frequencies is estimated theoretically.On thisbasis，the electromagnetic interference shielding of the high-voltage chamber is modeled and simulated by using Feko software，the effectiveness of corresponding shielding is then evaluated.The simulation results show that the proposed electromagnetic interference shielding scheme has achieved the expected effect：the magnetic field strength in the train cabins is controlled under the relevant standard limitation.

high speed test train；high-voltage chamber；electromagnetic field calculation；electromagnetic interference shielding

U 266.91+8：TM 153+.5

2013-05-01）