地鐵列車電纜布線的磁場研究

李保霞 郭振通

（中國南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210031，南京∥工程師）

隨著城市軌道交通列車電氣設(shè)備的增多，在進(jìn)行功能設(shè)計(jì)的同時(shí)，電氣設(shè)計(jì)已經(jīng)開始更加注重電磁兼容及對人體安全方面的設(shè)計(jì)。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 45502－2－1規(guī)定，可移植的心臟起博器能夠承受的磁通量密度安全性限值為1 mT（直流）、0.1 mT（交流）［1］。在地鐵列車的布線設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮該項(xiàng)要求，以保證佩戴心臟起搏器的乘客的人身安全。

1 地鐵列車電纜分類

電流會產(chǎn)生磁場，現(xiàn)對產(chǎn)生磁場的地鐵列車電纜進(jìn)行分析。根據(jù)電纜不同的電壓和電流情況，可將地鐵列車車輛電纜分類如下：

1）DC 110V電纜：主要為列車電子設(shè)備電源線、輸入輸出信號線等。電流較大的母線位于車體底架下，一般從輔助變流器輸出，經(jīng)車體底架線槽的二位端穿線孔進(jìn)入二位端電器柜內(nèi)部，再分別接入各用電設(shè)備。底架下的電纜距離地板面約20cm。

2）DC 1 500V電纜：主要為列車高壓供電母線等，位于車頂和底架，距離客室區(qū)域約50cm。

3）AC 380V、AC 220V電纜：主要為空調(diào)和空壓機(jī)供電的三相電及正常照明的供電等。其從車下的輔助變流器輸出，沿底架中部到每輛車的二位端，然后經(jīng)過穿線孔進(jìn)入空調(diào)柜和二位端電氣柜，距離客室區(qū)域約30cm；

4）低于110V的低壓小信號線：如傳感器線、網(wǎng)絡(luò)線、音頻視頻線等，主要位于客室電器柜內(nèi)部。

在地鐵列車中，以上電纜的防護(hù)方式主要是鋁合金線槽。由于鋁合金線槽導(dǎo)磁率低，對磁場的屏蔽效果不佳，故本文在仿真過程中考慮了最惡劣的條件，未添加防護(hù)材料。本文重點(diǎn)分析前3類電纜，第4類電纜由于電流極小，不會對外部產(chǎn)生較大磁場，故不作為研究重點(diǎn)。

2 地鐵列車各類電纜的磁場分析

2.1 DC 110V供電電纜

單根DC 110V電源母線，按最大功率約為25 kW計(jì)算，其通過的最大電流為227.27A。以此作為輸入，對此電纜進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如圖1所示。2根電流方向相反的DC 110V電纜的仿真結(jié)果如圖2所示。

對于單根電纜，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)規(guī)則分布，按比奧沙法爾定理可得銅心內(nèi)、外部磁感應(yīng)強(qiáng)度

式中：

圖1 單根電纜周圍產(chǎn)生磁場的仿真結(jié)果

圖2 2根電流方向相反的DC 110V電纜周圍產(chǎn)生磁場的仿真結(jié)果

μ0——真空磁導(dǎo)率；

ρ——距離銅心中心的距離；

Iρ——ρ處的電流強(qiáng)度；

I——電纜的電流強(qiáng)度；

R——銅心的半徑。

銅心內(nèi)部，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨ρ的增大呈線性遞增，在銅心表層達(dá)到最大值，符合通電導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)；銅心外部隨著距離ρ的增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈現(xiàn)雙曲線特性遞減。

從圖1、圖2仿真結(jié)果可以看出，單根電纜周圍磁通密度1mT的等勢線在距離電纜中心18cm處；而如果將供電和回流線并排布置，2根電流相反的電纜周圍產(chǎn)生磁通密度1mT的等勢線在距離電纜中心7cm處，即2根電流方向相反的電纜周圍產(chǎn)生的磁場遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單根電纜產(chǎn)生的磁場，原因是這2根供電電纜，電流大小相等，方向相反，產(chǎn)生磁場的合成磁感應(yīng)強(qiáng)度相互抵消。

因此，在進(jìn)行列車DC 110V母線布線時(shí)，正負(fù)電纜應(yīng)捆扎在一起。由以上分析可知：布線時(shí)將DC 110V母線正負(fù)線布線時(shí)走同一個(gè)線槽并列布置，當(dāng)線槽距離地板面超過7cm左右即可保證車內(nèi)磁場達(dá)標(biāo)；列車上其他的DC 110V信號線電流較小，產(chǎn)生的磁場也較小，這些電纜不會對車體內(nèi)部磁場產(chǎn)生較大影響。因此，確保DC 110V母線同線槽并列布置是減少對磁場分布影響的關(guān)鍵。

2.2 AC 380V列車母線電纜

根據(jù)某地鐵項(xiàng)目的列車參數(shù)，AC 380V列車母線線束為3根截面積為50mm2的三相交流列車母線。其最惡劣的負(fù)載工作情況即為所有的輔助設(shè)備（空調(diào)、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等）都同時(shí)正常工作。另外，在夏季情況下，AC 380V負(fù)載容量最大，全車負(fù)載總?cè)萘繛?96.25kVA，故最大負(fù)載情況下的電流最大值I為82.18A。由于是三相交流供電，各相電流相位相差為120°，所以只分析其中U相即可?，F(xiàn)取U相電流為最小和最大值時(shí)進(jìn)行仿真分析。圖3、圖4是AC 380V電纜的磁場仿真結(jié)果。

從圖3、圖4的仿真結(jié)果可以看出，三相交流380V供電母線滿足交變磁場要求的區(qū)域?yàn)榫嚯x線束中心35cm外的空間。

圖3 AC 380V列車母線周圍磁場的仿真結(jié)果（U相電流為零）

圖4 AC 380V列車母線周圍磁場的仿真結(jié)果（U相電流為最大值）

因此，只要三相電纜走線相互靠近，尤其是確保三角形布置，這些電纜就不會對車體內(nèi)部磁場產(chǎn)生較大的影響。

2.3 DC 1500V電纜

列車整車通過受電弓從接觸網(wǎng)取電，接觸網(wǎng)和軌道分別為DC 1 500V的正線和DC 1 500V的回流線，由于電流較大，并且兩者無法捆扎在一起，故磁場無法抵消。因此，地鐵列車DC 1 500V電纜是磁場分析的重點(diǎn)。

以某項(xiàng)目高壓電纜設(shè)計(jì)參數(shù)為例，DC 1 500V列車母線線束在牽引工況下，最大通過總電流為1 706A，單根電纜最大通過電流為426.5A。其仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6仿真結(jié)果可得出：在牽引工況下，受電弓到熔斷器箱的4根電纜能滿足要求的空間范圍為距電纜線束中心30cm以外的空間。

再生制動工況下，最大通過總電流為1 653.9 A，單根電纜最大通過電流為413.5A。其仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7仿真結(jié)果可得出：在制動工況下，受電弓到熔斷器箱的4根電纜能滿足要求的空間范圍為距電纜線束中心30cm以外的空間。

用同樣的方法，可以得出以下仿真結(jié)果：

1）熔斷器箱到車底DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心40cm以外的空間；

2）熔斷器箱到有受電弓的動車高壓箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心20 cm以外的空間；

圖5 DC 1 500V電纜模型及磁通密度1mT的磁場等勢面分布圖

圖6 車頂受電弓到熔斷器的DC 1 500V供電母線周圍磁場的仿真結(jié)果（牽引工況下）

圖7 車頂受電弓到熔斷器的DC 1 500V供電母線周圍磁場的仿真結(jié)果（制動工況下）

3）熔斷器箱到無受電弓的動車高壓箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心18cm以外的空間；

4）高壓箱到牽引變流器箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心15cm以外的空間；

5）高壓箱到輔助變流器箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心1.1cm以外的空間；

6）牽引變流器到制動電阻箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心18cm以外的空間；

7）牽引變流器到電機(jī)電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心6.5cm以外的空間。

3 地鐵列車電纜布線磁場控制設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）對于DC 110V電纜：在進(jìn)行電纜布線時(shí)，供電電纜應(yīng)捆扎在一起布置，不要分開。這樣，2根電纜產(chǎn)生的磁場方向相反，可以抵消對外部產(chǎn)生的磁場。

2）對于AC 380V、AC 220V電纜：在進(jìn)行電纜布線時(shí)，應(yīng)捆扎成一束布置，對于三相電纜捆扎的截面最好為等邊三角形，這樣可以最大限度地抵消對外部產(chǎn)生的磁場。

3）對于車上的DC 1 500V電纜：①由于進(jìn)線從受電弓處取電，無法和負(fù)線布置在一起，可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將電纜固定在合適的位置。低頻磁場主要由電氣設(shè)備中的導(dǎo)體電流在其周邊感應(yīng)而成，其強(qiáng)度隨著與磁場源的距離增加而迅速衰減［2］。應(yīng)合理布置，使電纜產(chǎn)生的磁通密度為1mT磁場的等勢面不能侵入車廂內(nèi)部。②若因空間所限，無法保證磁通密度為1mT的磁場不侵入車廂內(nèi)，可以采用屏蔽的辦法。具體可采用在電纜外部套上導(dǎo)磁率較高的屏蔽管，以確保強(qiáng)磁場無法侵入車廂。

4）對于車下的DC 1 500V電纜：由于DC 1 500V直接用電設(shè)備（如牽引變流器和輔助變流器）都在車下，使車下不僅有DC 1 500V進(jìn)線，也有DC 1 500V的回流線?？梢圆捎蒙鲜觫?、②條的辦法，將正負(fù)線捆扎在一起，布置在一束線槽中，以最大限度地抵消對外產(chǎn)生的磁場。

4 結(jié)語

對于DC 1 500V受電弓供電的地鐵車輛，其列車磁場相對較惡劣的區(qū)域?yàn)閺氖茈姽阶兞髌髦g的區(qū)域。

針對不同電纜，可用比奧沙法爾定理計(jì)算或采用仿真的辦法計(jì)算出電纜周圍安全區(qū)范圍，可參照計(jì)算結(jié)果，采用合適的布線工藝方法進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，使列車磁場滿足要求。

此外，還必須對列車磁場進(jìn)行現(xiàn)場測試，以保證列車磁通密度滿足小于1mT（直流）或0.1mT（交流）的要求，確保乘客的人身安全。

［1］EN 45502－2－1—2004有源性可植入醫(yī)療設(shè)備 第2－1部分：針對用于治療心律遲緩的有源性可植入醫(yī)療設(shè)備（心臟起搏器）的詳細(xì)要求［S］.

［2］李邦協(xié).電場、磁場和電磁場［J］.電動工具，2008（1）：11.