付彩欣 趙塔

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 吉林省長(zhǎng)春市 130062）

1 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通行業(yè)的發(fā)展，無(wú)論是貨物的運(yùn)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(wù)與人們的同時(shí)，特定的電磁環(huán)境無(wú)疑會(huì)對(duì)乘客人員的適應(yīng)性產(chǎn)生影響，因此軌道交通車輛運(yùn)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(shè)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(huì)變得惡劣，不僅會(huì)使列車產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作指示，甚至?xí)l(fā)通信網(wǎng)絡(luò)的故障。此外，惡劣的電磁環(huán)境也會(huì)使佩戴的醫(yī)療電子設(shè)備的乘客出現(xiàn)危險(xiǎn)。目前國(guó)內(nèi)各大城市在進(jìn)行城市軌道交通車輛招標(biāo)時(shí)，均明確要求賣方應(yīng)確保由列車產(chǎn)生的任何靜態(tài)的或交變的低頻磁場(chǎng)，不得干擾助聽器、心臟起搏器等乘客物品或磁性介質(zhì)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(chǎng)帶來的危害，對(duì)車輛進(jìn)行低頻磁場(chǎng)測(cè)試意義重大[3]。本文基于上述動(dòng)機(jī)對(duì)城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，保障車輛安全輻射，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的測(cè)量結(jié)果與行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)得出結(jié)論并對(duì)設(shè)備制造商與運(yùn)營(yíng)商提出合理建議。

2 研究現(xiàn)狀

早在20 世紀(jì)60年代初期，一些發(fā)達(dá)國(guó)家就已經(jīng)開始了電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，并初步形成了體系。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展與測(cè)量?jī)x器的復(fù)雜化，部分國(guó)家已經(jīng)成功研制出自動(dòng)化的電磁測(cè)量系統(tǒng)或自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)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(xué)、北京交通大學(xué)、中國(guó)鐵道科學(xué)研究所等高校及科研院所。其中北京交通大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)鐵路應(yīng)答器系統(tǒng)電磁特性[4]、車站機(jī)房電磁環(huán)境[5]、橫向磁場(chǎng)直線開關(guān)磁阻電機(jī)[6]等實(shí)用模型與環(huán)境構(gòu)建了相應(yīng)的模型。西南交通大學(xué)針對(duì)實(shí)際機(jī)車總線的電磁兼容性[7]、車輛磁流變制動(dòng)技術(shù)[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(guān)鍵問題。特別是對(duì)于電氣設(shè)備眾多，電磁干擾源復(fù)雜的地鐵環(huán)境，惡劣的電磁環(huán)境不但會(huì)干擾網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使列車出現(xiàn)運(yùn)行故障，還會(huì)對(duì)乘車產(chǎn)生不良的影響。例如，上世紀(jì)70年代國(guó)外學(xué)者對(duì)兒童血癌與輸電線路附近電磁場(chǎng)的相關(guān)性展開了研究，而近幾十年來，部分學(xué)者分析了兒童腦瘤與低頻磁場(chǎng)的相關(guān)性。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者曾分別對(duì)極低頻與射頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的效應(yīng)開展研究并對(duì)人體的健康奉獻(xiàn)做了詳細(xì)的調(diào)查與評(píng)價(jià)。因此，對(duì)國(guó)內(nèi)實(shí)際車輛的磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)不可或缺且對(duì)保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

表1：職業(yè)暴露于時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的參考水平（無(wú)擾動(dòng)的均方根值）

表2：一般公眾暴露于時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的參考水平（無(wú)擾動(dòng)的均方根值）

表3：低頻交流磁場(chǎng)限值

3 軌道交通車輛電磁環(huán)境分析與測(cè)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(shè)備多、配電結(jié)構(gòu)復(fù)雜。大量的無(wú)線通訊設(shè)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(yùn)行、無(wú)線設(shè)備的高頻輻射、列車外部環(huán)境的自然干擾都會(huì)對(duì)車輛的電磁環(huán)境產(chǎn)生影響。電磁干擾的本質(zhì)問題就是設(shè)備吸收電磁能量的問題，電磁耦合通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合實(shí)現(xiàn)，傳導(dǎo)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(shè)備。低頻磁場(chǎng)對(duì)人體產(chǎn)生影響的主要方式是通過外部磁場(chǎng)在人體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)，其大小與外部磁場(chǎng)進(jìn)入人體的方向有關(guān)，不同的人體組織因其電導(dǎo)率不同所以相應(yīng)的感應(yīng)電場(chǎng)也不同。

3.2 低頻磁場(chǎng)限值要求

標(biāo)準(zhǔn)EN 50500:2008+A1:2015《鐵路環(huán)境中涉及人體暴露的電子電氣裝設(shè)備磁場(chǎng)等級(jí)測(cè)量程序》[10]明確了城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)的測(cè)量方法，規(guī)定了具體的測(cè)試頻率范圍、測(cè)試條件、測(cè)試設(shè)備、求值方法、測(cè)試步驟等。標(biāo)準(zhǔn)EN 50500 規(guī)定靜態(tài)磁場(chǎng)的測(cè)試頻率范圍為直流到1Hz，低頻交流磁場(chǎng)的測(cè)試頻率范圍為5Hz 到20KHz。因此，城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量分為靜態(tài)磁場(chǎng)部分和低頻交流磁場(chǎng)部分。標(biāo)準(zhǔn)EN 50500 明確了車輛低頻磁場(chǎng)的測(cè)試方法可以提供試驗(yàn)結(jié)果，具體判定標(biāo)準(zhǔn)還需要根據(jù)車輛要求進(jìn)行確定。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，一般城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)測(cè)試靜態(tài)磁場(chǎng)部分和低頻交流磁場(chǎng)部分判定標(biāo)準(zhǔn)及限值如下：

靜態(tài)（DC）磁場(chǎng)部分：標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)受到磁通密度在1mT 以內(nèi)靜電磁場(chǎng)的影響。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)確定低頻磁場(chǎng)測(cè)試中靜態(tài)磁場(chǎng)限值為1mT。

低頻交流（AC）磁場(chǎng)部分：ICNIRP（國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)）2010 導(dǎo)則《限制時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)暴露的導(dǎo)則（1Hz~100KHz）》[12]規(guī)定磁場(chǎng)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(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(jié)合標(biāo)準(zhǔn)EN 50500 對(duì)低頻交流磁場(chǎng)的測(cè)試頻率范圍，以要求更為嚴(yán)格的一般公眾暴露限值為參考，確定低頻磁場(chǎng)測(cè)試中低頻交流磁場(chǎng)限值如表3 所示。

3.3 低頻磁場(chǎng)測(cè)試方法

城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)測(cè)試的目的是為了確認(rèn)出廠的車輛（即被試車輛）低頻磁場(chǎng)發(fā)射符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)主方要求。整個(gè)測(cè)試過程分三步：

3.3.1 選擇測(cè)試點(diǎn)

在被試車輛不同車型車內(nèi)分別進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)標(biāo)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(jī)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(jī)、輔助變流器、牽引變流器、電抗器、制動(dòng)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(jìn)行測(cè)試

低頻磁場(chǎng)的測(cè)試過程分為靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試兩種，力求得到客觀有效的城市軌道交通車輛測(cè)量結(jié)果。

（1）靜態(tài)測(cè)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(guān)的所有設(shè)備，包括但不限于空調(diào)暖通系統(tǒng)、燈光（列車及車內(nèi)）、蓄電池等；對(duì)車輛中所有標(biāo)記的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行低磁場(chǎng)測(cè)試，每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別在0.3m、0.9m、1.5m 三個(gè)高度進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量和交流磁場(chǎng)測(cè)量（工作區(qū)域測(cè)試點(diǎn)只進(jìn)行0.9m 和1.5m 測(cè)試）；靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)試使用直流磁場(chǎng)探頭進(jìn)行，每一次測(cè)量均需將測(cè)試軟件顯示結(jié)果記錄在原始記錄單；交流磁場(chǎng)測(cè)試使用交流磁場(chǎng)探頭進(jìn)行，每一次測(cè)量均需將測(cè)試軟件結(jié)果進(jìn)行截圖并命名保存。

圖1：測(cè)量距離：0.3m

圖2：測(cè)量距離：0.9m

圖3：測(cè)量距離：1.5m

（2）動(dòng)態(tài)測(cè)試：牽引電路上電工作，輔助變流器工作且開啟與其相關(guān)的所有設(shè)備，包括但不限于空調(diào)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(dòng)到停止，該過程為一次完成的動(dòng)態(tài)過程；對(duì)車輛中所有標(biāo)記的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行低磁場(chǎng)測(cè)試，每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別在0.3m、0.9m、1.5m 三個(gè)高度進(jìn)行靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量和交流磁場(chǎng)測(cè)量（工作區(qū)域測(cè)試點(diǎn)只進(jìn)行0.9m 和1.5m 測(cè)試），每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的每一個(gè)高度的測(cè)量都要從車輛靜止開始經(jīng)過加速、惰行、制動(dòng)到停止為止；具體靜態(tài)磁場(chǎng)和交流磁場(chǎng)測(cè)試方法與靜態(tài)測(cè)試相同。

3.3.3 數(shù)據(jù)處理

由于實(shí)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(jìn)行測(cè)試以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信性。靜態(tài)磁場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用峰值，交流磁場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用有效值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 導(dǎo)則分別對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判斷，確定測(cè)試結(jié)果是否合格符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)果分析

根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果顯示交流低頻磁場(chǎng)結(jié)果一般不會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)和臨近限值的情況，性能穩(wěn)定，但是直流磁場(chǎng)探頭測(cè)試出來的靜態(tài)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)車輛靜態(tài)和動(dòng)態(tài)結(jié)果差異較大，靜態(tài)測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)部分測(cè)試點(diǎn)超標(biāo)或臨近限值的情況，值得進(jìn)行分析和研究。以往多個(gè)車輛不同測(cè)試高度的測(cè)試結(jié)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(jié)果，同一圖形曲線實(shí)線代表動(dòng)態(tài)結(jié)果，虛線代表靜態(tài)結(jié)果。文中共對(duì)A、B、C、D 四列車的10 個(gè)不同的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行分析，其中包括：空壓機(jī)、輔助逆變器、蓄電池、貫通道、牽引電機(jī)、制動(dòng)電阻、高壓箱、牽引變流器、受電弓大線、司機(jī)室。測(cè)試距離分別為0.3m、0.9m、1.5m。

通過對(duì)圖1、圖2 和圖3 中4 個(gè)車輛的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）車輛靜止時(shí)靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度低于車輛行駛時(shí)靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度，且靜態(tài)測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)低于限值要求。

（2）同一測(cè)試點(diǎn)整體呈現(xiàn)距離車輛地板面越高靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度越弱的趨勢(shì)。

（3）每個(gè)車輛都是受電弓大線所在電氣柜外靜態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，其中車輛A 在0.3m 處?kù)o態(tài)強(qiáng)度逼近限值要求1mT 剛達(dá)標(biāo)；車輛D 在0.3m、0.9m、1.5m 三處?kù)o態(tài)磁場(chǎng)強(qiáng)度均高于限制要求1mT均不達(dá)標(biāo)。

（4）針對(duì)部分車輛用戶要求：對(duì)于車下產(chǎn)生磁場(chǎng)較強(qiáng)的部位，距地板面0.9m 時(shí)要求客室內(nèi)磁通密度≤0.5mT，車輛A 測(cè)試點(diǎn)牽引變流器處超標(biāo)；車輛C 測(cè)試點(diǎn)牽引變流器、高壓箱、蓄電池、輔助逆變器、空壓機(jī)處均超標(biāo)；車輛D 測(cè)試點(diǎn)高壓箱處超標(biāo)。但對(duì)于常規(guī)限值要求1mT，以上各測(cè)試點(diǎn)均達(dá)標(biāo)。

5 結(jié)論

本文對(duì)城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 50500 明確了城市軌道交通車輛低頻磁場(chǎng)的測(cè)試方法，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 導(dǎo)則確定了車輛靜態(tài)磁場(chǎng)和低頻交流磁場(chǎng)的發(fā)射限值要求，并通過對(duì)多個(gè)車輛的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出如下結(jié)論：

（1）為了保障乘車人員及物品的安全，必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)車輛進(jìn)行低頻磁場(chǎng)測(cè)試，并使測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）針對(duì)車輛受電弓大線處?kù)o態(tài)磁場(chǎng)測(cè)試結(jié)果超出限制要求的情況，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)需要在車輛受電弓大線所在電氣柜內(nèi)對(duì)大線進(jìn)行隔磁處理，進(jìn)而降低對(duì)外輻射，使測(cè)試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）針對(duì)部分高要求用戶，需將高于標(biāo)準(zhǔn)的要求提早下發(fā)給高低頻磁場(chǎng)輻射的設(shè)備制造商，如牽引變流器、高壓箱、蓄電池、輔助逆變器、空壓機(jī)，并要求針對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行模擬裝車試驗(yàn)以確保部件測(cè)試結(jié)果符合高要求，否則需要在車輛相應(yīng)位置進(jìn)行隔磁處理，以保障測(cè)試結(jié)果符合高要求。

面對(duì)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(zhǎng)的需求，保障乘車人員及物品的安全，低頻磁場(chǎng)測(cè)試技術(shù)必不可少，將來我們更要結(jié)合仿真技術(shù)正向設(shè)計(jì)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(duì)于未來發(fā)展的城市軌道懸浮車輛，其磁力對(duì)于列車運(yùn)行周邊環(huán)境的影響是不能忽視的重要問題，無(wú)論是對(duì)于環(huán)境的影響還是對(duì)乘客自身的影響，對(duì)磁場(chǎng)全方位的有效測(cè)試意義重大，值得專家學(xué)者們進(jìn)一步的分析研究。