城市軌道交通車輛低頻磁場測試技術研究

付彩欣 趙塔

（中車長春軌道客車股份有限公司 吉林省長春市 130062）

1 引言

隨著我國城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，無論是貨物的運輸還是人們的出行都已經(jīng)離不開城市軌道交通車輛。在迅捷的軌道列車服務與人們的同時，特定的電磁環(huán)境無疑會對乘客人員的適應性產(chǎn)生影響，因此軌道交通車輛運行的安全性能越來越受到行業(yè)的重視[1-2]。軌道列車的各系統(tǒng)涉及到的電氣設備眾多，在諸如供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的電磁干擾影響下，電磁環(huán)境會變得惡劣，不僅會使列車產(chǎn)生錯誤的動作指示，甚至會引發(fā)通信網(wǎng)絡的故障。此外，惡劣的電磁環(huán)境也會使佩戴的醫(yī)療電子設備的乘客出現(xiàn)危險。目前國內(nèi)各大城市在進行城市軌道交通車輛招標時，均明確要求賣方應確保由列車產(chǎn)生的任何靜態(tài)的或交變的低頻磁場，不得干擾助聽器、心臟起搏器等乘客物品或磁性介質的正常使用。因此，為了保障乘車人員及物品的安全，滿足用戶需求，避免車輛產(chǎn)生的低頻磁場帶來的危害，對車輛進行低頻磁場測試意義重大[3]。本文基于上述動機對城市軌道交通車輛低頻磁場測試技術進行研究，保障車輛安全輻射，根據(jù)實際數(shù)據(jù)的測量結果與行業(yè)內(nèi)的相關標準進行比對得出結論并對設備制造商與運營商提出合理建議。

2 研究現(xiàn)狀

早在20 世紀60年代初期，一些發(fā)達國家就已經(jīng)開始了電磁環(huán)境標準的制定工作，并初步形成了體系。隨著監(jiān)測技術的發(fā)展與測量儀器的復雜化，部分國家已經(jīng)成功研制出自動化的電磁測量系統(tǒng)或自動監(jiān)測網(wǎng)絡。目前，國內(nèi)對電氣化交通車輛電磁兼容性的研究主要涉及西南交通大學、北京交通大學、中國鐵道科學研究所等高校及科研院所。其中北京交通大學相關團隊對鐵路應答器系統(tǒng)電磁特性[4]、車站機房電磁環(huán)境[5]、橫向磁場直線開關磁阻電機[6]等實用模型與環(huán)境構建了相應的模型。西南交通大學針對實際機車總線的電磁兼容性[7]、車輛磁流變制動技術[8]、編碼器電磁兼容[9]等問題開展了研究?？梢钥闯鲨F路列車系統(tǒng)的電磁兼容性問題是影響列車行業(yè)快速發(fā)展的關鍵問題。特別是對于電氣設備眾多，電磁干擾源復雜的地鐵環(huán)境，惡劣的電磁環(huán)境不但會干擾網(wǎng)絡系統(tǒng)，使列車出現(xiàn)運行故障，還會對乘車產(chǎn)生不良的影響。例如，上世紀70年代國外學者對兒童血癌與輸電線路附近電磁場的相關性展開了研究，而近幾十年來，部分學者分析了兒童腦瘤與低頻磁場的相關性。國內(nèi)部分學者曾分別對極低頻與射頻電磁場對人體的效應開展研究并對人體的健康奉獻做了詳細的調查與評價。因此，對國內(nèi)實際車輛的磁場測試技術不可或缺且對保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重要意義。

表1：職業(yè)暴露于時變電場和磁場的參考水平（無擾動的均方根值）

表2：一般公眾暴露于時變電場和磁場的參考水平（無擾動的均方根值）

表3：低頻交流磁場限值

3 軌道交通車輛電磁環(huán)境分析與測量

3.1 交通車輛電磁環(huán)境

城市軌道交通車輛牽引功率大、牽引設備多、配電結構復雜。大量的無線通訊設備使得交通車輛的車廂內(nèi)部的電磁環(huán)境難以分析處理。此外，列車的快速運行、無線設備的高頻輻射、列車外部環(huán)境的自然干擾都會對車輛的電磁環(huán)境產(chǎn)生影響。電磁干擾的本質問題就是設備吸收電磁能量的問題，電磁耦合通過傳導耦合和輻射耦合實現(xiàn)，傳導耦合一般出現(xiàn)在軌道上，輻射耦合則通過媒介干擾其他設備。低頻磁場對人體產(chǎn)生影響的主要方式是通過外部磁場在人體內(nèi)產(chǎn)生感應電場，其大小與外部磁場進入人體的方向有關，不同的人體組織因其電導率不同所以相應的感應電場也不同。

3.2 低頻磁場限值要求

標準EN 50500:2008+A1:2015《鐵路環(huán)境中涉及人體暴露的電子電氣裝設備磁場等級測量程序》[10]明確了城市軌道交通車輛低頻磁場的測量方法，規(guī)定了具體的測試頻率范圍、測試條件、測試設備、求值方法、測試步驟等。標準EN 50500 規(guī)定靜態(tài)磁場的測試頻率范圍為直流到1Hz，低頻交流磁場的測試頻率范圍為5Hz 到20KHz。因此，城市軌道交通車輛低頻磁場強度測量分為靜態(tài)磁場部分和低頻交流磁場部分。標準EN 50500 明確了車輛低頻磁場的測試方法可以提供試驗結果，具體判定標準還需要根據(jù)車輛要求進行確定。根據(jù)設計經(jīng)驗，一般城市軌道交通車輛低頻磁場測試靜態(tài)磁場部分和低頻交流磁場部分判定標準及限值如下：

靜態(tài)（DC）磁場部分：標準EN 45502-2-1:2003《有效植入的醫(yī)療器件 第2-1 部分：用于治療過緩性心率失常的有效植入醫(yī)療器件的特殊要求（心臟起搏器）》[11]規(guī)定可植入式心臟起搏器不應受到磁通密度在1mT 以內(nèi)靜電磁場的影響。根據(jù)該標準確定低頻磁場測試中靜態(tài)磁場限值為1mT。

低頻交流（AC）磁場部分：ICNIRP（國際非電離輻射防護委員會）2010 導則《限制時變電場和磁場暴露的導則（1Hz~100KHz）》[12]規(guī)定磁場輻射限值分為一般公眾暴露和職業(yè)暴露兩類，分別暴露于時變電場和磁場的參考水平如表1 和表2 所示。

根據(jù)表1 和表2 參考水平要求，結合標準EN 50500 對低頻交流磁場的測試頻率范圍，以要求更為嚴格的一般公眾暴露限值為參考，確定低頻磁場測試中低頻交流磁場限值如表3 所示。

3.3 低頻磁場測試方法

城市軌道交通車輛低頻磁場測試的目的是為了確認出廠的車輛（即被試車輛）低頻磁場發(fā)射符合相關標準及業(yè)主方要求。整個測試過程分三步：

3.3.1 選擇測試點

在被試車輛不同車型車內(nèi)分別進行測試點標記，并做好記錄。

（1）車內(nèi)工作區(qū)域建議選擇變流器、電源線及司機座椅等附近區(qū)域，空間位置要求為與車廂壁的水平距離為0.3m（若最小距離也超過0.3m，選擇最小距離）、高度分別為距地板0.9m 和1.5m；

（2）車內(nèi)公共區(qū)域建議選擇牽引電機、輔助變流器、牽引變流器、電抗器、制動電阻等位置，空間位置要求為與車廂壁的水平距離為0.3m（若最小距離也超過0.3m，選擇最小距離）、高度分別是距地板0.3m、0.9m 和1.5m；

3.3.2 進行測試

低頻磁場的測試過程分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試兩種，力求得到客觀有效的城市軌道交通車輛測量結果。

（1）靜態(tài)測試：列車靜止，牽引電路上電但不工作，輔助變流器工作且開啟與其相關的所有設備，包括但不限于空調暖通系統(tǒng)、燈光（列車及車內(nèi)）、蓄電池等；對車輛中所有標記的測試點進行低磁場測試，每一個測試點分別在0.3m、0.9m、1.5m 三個高度進行靜態(tài)磁場測量和交流磁場測量（工作區(qū)域測試點只進行0.9m 和1.5m 測試）；靜態(tài)磁場測試使用直流磁場探頭進行，每一次測量均需將測試軟件顯示結果記錄在原始記錄單；交流磁場測試使用交流磁場探頭進行，每一次測量均需將測試軟件結果進行截圖并命名保存。

圖1：測量距離：0.3m

圖2：測量距離：0.9m

圖3：測量距離：1.5m

（2）動態(tài)測試：牽引電路上電工作，輔助變流器工作且開啟與其相關的所有設備，包括但不限于空調暖通系統(tǒng)、燈光（列車及車內(nèi)）、蓄電池等，列車從靜止開始以最大加速度加速至最高速度然后惰行并以最大電制動到停止，該過程為一次完成的動態(tài)過程；對車輛中所有標記的測試點進行低磁場測試，每一個測試點分別在0.3m、0.9m、1.5m 三個高度進行靜態(tài)磁場測量和交流磁場測量（工作區(qū)域測試點只進行0.9m 和1.5m 測試），每一個測試點的每一個高度的測量都要從車輛靜止開始經(jīng)過加速、惰行、制動到停止為止；具體靜態(tài)磁場和交流磁場測試方法與靜態(tài)測試相同。

3.3.3 數(shù)據(jù)處理

由于實車數(shù)據(jù)量較為龐大，需要選用具有代表性的數(shù)據(jù)。此外，還需要在相同工況、相同條件下進行測試以保證實驗結果的可信性。靜態(tài)磁場測試數(shù)據(jù)采用峰值，交流磁場測試數(shù)據(jù)采用有效值，根據(jù)標準EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 導則分別對測試結果進行判斷，確定測試結果是否合格符合標準要求。

4 結果分析

根據(jù)以往項目經(jīng)驗，城市軌道交通車輛低頻磁場測試試驗結果顯示交流低頻磁場結果一般不會出現(xiàn)超標和臨近限值的情況，性能穩(wěn)定，但是直流磁場探頭測試出來的靜態(tài)磁場數(shù)據(jù)車輛靜態(tài)和動態(tài)結果差異較大，靜態(tài)測試時會出現(xiàn)部分測試點超標或臨近限值的情況，值得進行分析和研究。以往多個車輛不同測試高度的測試結果如圖1、圖2、圖3 所示，其中不同圖形曲線代表不同車輛結果，同一圖形曲線實線代表動態(tài)結果，虛線代表靜態(tài)結果。文中共對A、B、C、D 四列車的10 個不同的測試點進行分析，其中包括：空壓機、輔助逆變器、蓄電池、貫通道、牽引電機、制動電阻、高壓箱、牽引變流器、受電弓大線、司機室。測試距離分別為0.3m、0.9m、1.5m。

通過對圖1、圖2 和圖3 中4 個車輛的測試結果進行分析，得出以下結論：

（1）車輛靜止時靜態(tài)磁場強度低于車輛行駛時靜態(tài)磁場強度，且靜態(tài)測試結果遠低于限值要求。

（2）同一測試點整體呈現(xiàn)距離車輛地板面越高靜態(tài)磁場強度越弱的趨勢。

（3）每個車輛都是受電弓大線所在電氣柜外靜態(tài)磁場強度最大，其中車輛A 在0.3m 處靜態(tài)強度逼近限值要求1mT 剛達標；車輛D 在0.3m、0.9m、1.5m 三處靜態(tài)磁場強度均高于限制要求1mT均不達標。

（4）針對部分車輛用戶要求：對于車下產(chǎn)生磁場較強的部位，距地板面0.9m 時要求客室內(nèi)磁通密度≤0.5mT，車輛A 測試點牽引變流器處超標；車輛C 測試點牽引變流器、高壓箱、蓄電池、輔助逆變器、空壓機處均超標；車輛D 測試點高壓箱處超標。但對于常規(guī)限值要求1mT，以上各測試點均達標。

5 結論

本文對城市軌道交通車輛低頻磁場測試技術進行研究，根據(jù)標準EN 50500 明確了城市軌道交通車輛低頻磁場的測試方法，根據(jù)標準EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 導則確定了車輛靜態(tài)磁場和低頻交流磁場的發(fā)射限值要求，并通過對多個車輛的數(shù)據(jù)進行分析得出如下結論：

（1）為了保障乘車人員及物品的安全，必須嚴格按照標準要求對車輛進行低頻磁場測試，并使測試結果符合標準要求。

（2）針對車輛受電弓大線處靜態(tài)磁場測試結果超出限制要求的情況，根據(jù)以往項目經(jīng)驗需要在車輛受電弓大線所在電氣柜內(nèi)對大線進行隔磁處理，進而降低對外輻射，使測試結果符合標準要求。

（3）針對部分高要求用戶，需將高于標準的要求提早下發(fā)給高低頻磁場輻射的設備制造商，如牽引變流器、高壓箱、蓄電池、輔助逆變器、空壓機，并要求針對這些設備進行模擬裝車試驗以確保部件測試結果符合高要求，否則需要在車輛相應位置進行隔磁處理，以保障測試結果符合高要求。

面對城市軌道交通行業(yè)的飛速發(fā)展，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，保障乘車人員及物品的安全，低頻磁場測試技術必不可少，將來我們更要結合仿真技術正向設計盡早將一切可能的危害消除掉，保障車輛的安全性和電磁兼容性。特別是對于未來發(fā)展的城市軌道懸浮車輛，其磁力對于列車運行周邊環(huán)境的影響是不能忽視的重要問題，無論是對于環(huán)境的影響還是對乘客自身的影響，對磁場全方位的有效測試意義重大，值得專家學者們進一步的分析研究。