楊 威 徐英雷 王晨曲 林飛宏 董 亮

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

0 引言

隨著我國(guó)在鐵路機(jī)車(chē)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，機(jī)車(chē)的種類(lèi)也在不斷豐富。在城市軌道交通方面除了有傳統(tǒng)的架空接觸網(wǎng)供電有軌電車(chē)之外，為了解決有軌電車(chē)與城市景觀之間存在的沖突[1]，近年來(lái)無(wú)接觸網(wǎng)供電的城市軌道車(chē)輛的研究逐漸火熱。得益于擺脫接觸網(wǎng)對(duì)車(chē)輛的限制，無(wú)接觸網(wǎng)供電機(jī)車(chē)[2]可以在更加復(fù)雜的環(huán)境中正常行駛，我國(guó)某機(jī)車(chē)廠研發(fā)了新型無(wú)線供電制式城軌列車(chē)，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)軌道交通車(chē)輛無(wú)線供電制式的技術(shù)壟斷。無(wú)接觸供電系統(tǒng)采用的是一種非接觸供電的方式，利用兩個(gè)或多個(gè)沒(méi)有電氣連接的線圈發(fā)生磁耦合，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸[2-3]，因?yàn)闆](méi)有接觸產(chǎn)生的摩擦，所以不產(chǎn)生磨損；同時(shí)它可以不受任何天氣和地面條件的影響，即便是處于惡劣的環(huán)境下也可以正常行駛。

伴隨著無(wú)線傳能機(jī)車(chē)的投入使用，其無(wú)線傳能[4-8]系統(tǒng)的電磁環(huán)境對(duì)乘客和列車(chē)工作人員的健康影響逐漸引起了公眾的重點(diǎn)關(guān)注。目前對(duì)無(wú)線傳能系統(tǒng)電磁仿真[9]較多，對(duì)電磁環(huán)境仿真較少。有研究表明，低頻電場(chǎng)暴露會(huì)引起人體反應(yīng)，其主觀感受從有感覺(jué)到痛苦，同時(shí)引起中樞神經(jīng)和周?chē)窠?jīng)組織刺激以及視網(wǎng)膜光幻視，產(chǎn)生一種暈眩的感覺(jué)；大量流行病學(xué)研究報(bào)告顯示，癌癥以及糖尿病并發(fā)癥等可能與長(zhǎng)期暴露于低于ICNIRP 人體暴露限值的低頻磁場(chǎng)中有關(guān)系[10-11]。目前大量研究關(guān)注人類(lèi)暴露于高頻電磁環(huán)境的研究，例如手機(jī)天線[12-14]，對(duì)kHz 頻段關(guān)注相對(duì)較少；Yuan Qiaowei等[15]使用簡(jiǎn)化模型評(píng)估了附近人員對(duì)無(wú)線電力系統(tǒng)傳輸效率的影響，但沒(méi)有對(duì)人體電磁暴露進(jìn)行評(píng)估，文獻(xiàn)[16-17]研究了電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)人體器官、體內(nèi)植入器件的電磁環(huán)境安全，但沒(méi)有實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證仿真的正確性。

對(duì)于無(wú)線傳能機(jī)車(chē)使用的多個(gè)100kW 等級(jí)的電磁耦合機(jī)構(gòu)供電來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)的泄露[18]可能會(huì)對(duì)車(chē)上人員的健康產(chǎn)生影響[19]。由于人體暴露于低頻磁場(chǎng)中時(shí)，體表會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，通過(guò)電磁感應(yīng)作用，在人體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)，為了降低電磁場(chǎng)對(duì)人體傷害，歐盟各成員國(guó)采用國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）電磁暴露導(dǎo)則，對(duì)職業(yè)暴露和公眾暴露在1Hz～100MHz 分別給出限值[20]，來(lái)保護(hù)人體免受電磁場(chǎng)傷害。

本文完成了無(wú)線傳能車(chē)內(nèi)部電磁環(huán)境評(píng)估，對(duì) 于我國(guó)電磁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有一定的參考價(jià)值。在工作頻率為50kHz 頻率的仿真系統(tǒng)中，建立了無(wú)接觸網(wǎng)供電車(chē)輛的三維電磁場(chǎng)仿真模型，并建立了包含主要器官和組織的人體仿真模型，來(lái)模擬司機(jī)和乘客處于車(chē)內(nèi)各位置下人體內(nèi)部各器官吸收電磁能量的情況，并將仿真結(jié)果與ICNIRP 導(dǎo)則中相應(yīng)的限值對(duì)比，評(píng)估人在車(chē)內(nèi)的安全性，最后實(shí)際測(cè)量車(chē)內(nèi)真實(shí)情況并與仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。

1 原理分析

無(wú)線傳能機(jī)車(chē)電能傳輸系統(tǒng)的核心部分包括原邊設(shè)備、副邊設(shè)備、高頻大功率逆變電源以及負(fù)載。圖1 是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的場(chǎng)路結(jié)構(gòu)示意圖，Us為高頻逆變電源；RL為接收側(cè)負(fù)載電阻；Ω、Ω1和Ω2分別為空氣、線圈和屏蔽材料所在域；σ、σ1、和σ2分別為空氣、線圈和屏蔽材料電導(dǎo)率。系統(tǒng)通過(guò)諧振電容將發(fā)射線圈和接收線圈匹配到相同的諧振頻率，逆變電路產(chǎn)生高頻交流電，基于高頻電磁場(chǎng)近場(chǎng)耦合原理，接收線圈感應(yīng)出感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，并在兩線圈之間的空氣氣隙發(fā)生磁場(chǎng)耦合，接收線圈產(chǎn)生的電流通過(guò)整流濾波裝置給負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能的傳輸。

圖1 無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)場(chǎng)路結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of field circuit structure of wireless power transmission system

本文中屏蔽板為電屏蔽時(shí)選用良導(dǎo)體鋁，電導(dǎo)率不為0；屏蔽板為磁屏蔽時(shí)選用鐵氧體，因其電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于導(dǎo)體，可忽略電導(dǎo)率對(duì)磁場(chǎng)的影響。又因?yàn)榇笋詈暇€圈的工作區(qū)域滿(mǎn)足磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)條件，忽略位移電流密度項(xiàng)，根據(jù)麥克斯韋方程，系統(tǒng)在工作狀態(tài)下滿(mǎn)足的關(guān)系式為

式中，H、H1和H2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；E、E1和E2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；B、B1和B2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量；n、n1和n2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中矢量法向。

2 仿真模型

2.1 無(wú)線傳能機(jī)車(chē)供電系統(tǒng)模型

仿真模型由機(jī)車(chē)車(chē)身部分和無(wú)線傳能裝置兩部分組成。車(chē)體部分使用軟件繪制精確機(jī)車(chē)三維模型并導(dǎo)入有限元仿真軟件，車(chē)體部分由4 節(jié)車(chē)廂組成，長(zhǎng)約為37m、寬2.8m、高2.7m，附著在車(chē)體上有6組接收裝置，位置處于機(jī)車(chē)底部。其仿真模型如圖2 所示。

圖2 無(wú)線傳能機(jī)車(chē)仿真模型 Fig.2 Simulation model of wireless power transmission locomotive

整車(chē)仿真的參數(shù)設(shè)置為各能量傳輸裝置工作在額定工況下，其中無(wú)線傳能機(jī)構(gòu)由地面發(fā)射線圈和車(chē)載接收線圈組成，線圈外形為雙矩形（DD）。

傳能系統(tǒng)模型參數(shù)見(jiàn)表1。地面發(fā)射線圈通過(guò)地面供給的750V 直流電經(jīng)過(guò)高頻逆變電路將直流電變?yōu)?0kHz 的交流電向發(fā)射線圈提供能量，隨后通過(guò)補(bǔ)償電路使得發(fā)射端處于諧振狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)發(fā)射線圈和接收線圈耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞[21]，同時(shí)在 接收線圈上方有一塊鐵氧體磁心。其工作原理如圖3 所示。

2.2 人體模型的建立

根據(jù)仿真的需要，使用兩個(gè)人體模型，其中一個(gè)為身高176cm，體重69kg 的38 歲男性來(lái)充當(dāng)司機(jī)和乘客A、B。另外還使用了一個(gè)身高為115cm，體重21.7kg 的7 歲女孩作為小孩。由于導(dǎo)入的人體模型已經(jīng)足夠精細(xì)化，采用的是高分辨率掃描模型（0.85mm×0.85mm×0.8mm），人體組織介電參數(shù)的計(jì)算，國(guó)際上普遍采用4 階Cole-Cole 模型計(jì)算人體組織的介電參數(shù)為

式中，ε∞為光譜處相對(duì)介電常數(shù)；n為德拜色散次數(shù)；Δεn為相對(duì)介電常數(shù)增量；τn為中心弛豫時(shí)間（s）；an為弛豫分布時(shí)間，取值為0≤α≤1；ε0為真空介電常數(shù)（F/m）；ω為角頻率（rad/s）；σi為離子電導(dǎo)率（S/m）。

故在原有基礎(chǔ)上只需要選擇大腦、心臟、腎臟、胃部等器官作為重點(diǎn)觀察對(duì)象，主要器官在50kHz工作頻率時(shí)的電磁參數(shù)見(jiàn)表2[22-23]。

表2 人體主要組織電磁參數(shù)（50kHz）Tab.2 Electromagnetic parameters of the main tissues of the human body(50kHz)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 整車(chē)電磁場(chǎng)仿真分析

在沒(méi)有加入人體模型時(shí)對(duì)整車(chē)模型進(jìn)行仿真，圖4 為車(chē)廂內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。

圖4 車(chē)廂內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布 Fig.4 Distribution map of electric field intensity inside the carriage

為了使得整車(chē)仿真有明確的目的性，并方便對(duì)機(jī)車(chē)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試與仿真結(jié)果的對(duì)比，根據(jù)GB/T 32577—2016 中說(shuō)明的機(jī)車(chē)車(chē)輛內(nèi)公眾區(qū)域測(cè)量的方法，在車(chē)廂中間設(shè)立三條分別高30cm、90cm、150cm 的電磁場(chǎng)路徑線，圖5 顯示了通過(guò)軟件后處理得到的三條磁場(chǎng)路徑線電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布特征，監(jiān)測(cè)線1～3 對(duì)應(yīng)高度分別為30cm、90cm、150cm。

根據(jù)整車(chē)的仿真結(jié)果，由圖5 可以看出車(chē)廂內(nèi)部電場(chǎng)和磁場(chǎng)的分布規(guī)律具有一定的相關(guān)性，其分布與變化規(guī)律相似，均在靠近車(chē)廂連接處電磁場(chǎng)強(qiáng) 度增大，在遠(yuǎn)離車(chē)廂連接處減小并在單節(jié)車(chē)廂中部達(dá)到最小值。從仿真結(jié)果可以推測(cè)：從車(chē)廂連接處漏出的磁場(chǎng)相較于車(chē)廂中部更多。

圖5 監(jiān)測(cè)線處磁場(chǎng)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖 Fig.5 Distribution diagram of magnetic field intensity and electric field intensity at the monitoring line

3.2 車(chē)內(nèi)人體電磁場(chǎng)暴露仿真

對(duì)于人體置于車(chē)內(nèi)的仿真，將人分為司機(jī)、乘客A、乘客B、小孩四類(lèi)，其中司機(jī)位于司機(jī)室處于坐姿狀態(tài)、乘客A 坐在車(chē)廂中部、乘客B 模擬車(chē)輛滿(mǎn)載無(wú)座情況而站立于車(chē)廂連接處、小孩模擬在車(chē)廂空間相對(duì)較大的車(chē)廂連接處站立，人體位于車(chē)內(nèi)位置如圖6 所示。

圖6 人體位于車(chē)內(nèi)位置 Fig.6 The position of the human body inside the carriage

通過(guò)仿真計(jì)算了位于車(chē)內(nèi)人體的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、感應(yīng)電流密度的分布情況。由于傳能耦合機(jī)構(gòu)在車(chē)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生低頻的磁場(chǎng)，人體組織的磁導(dǎo)率與空氣相當(dāng)，故不會(huì)對(duì)磁場(chǎng)的傳播產(chǎn)生過(guò)多影響。但由電磁感應(yīng)定律可知，車(chē)內(nèi)交變磁場(chǎng)在人體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)電流。為了使仿真更加接近真實(shí)情況，將人體的底部放置于與車(chē)內(nèi)地板相距3cm的高度下進(jìn)行計(jì)算，得到了在50kHz 頻率下人體的磁場(chǎng)強(qiáng)度、感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度、感應(yīng)電流密度的分布分別如圖7～圖9 所示。

圖7 車(chē)內(nèi)人體磁場(chǎng)強(qiáng)度圖 Fig.7 Magnetic field intensity map of the human body inside the carriage

圖8 車(chē)內(nèi)人體感應(yīng)電場(chǎng)圖 Fig.8 The induced electric field diagram of the human body inside the carriage

圖9 車(chē)內(nèi)人體感應(yīng)電流密度圖 Fig.9 The induced current density map of the human body inside the carriage

從圖7 車(chē)內(nèi)人體磁場(chǎng)強(qiáng)度圖可以看出乘客B 磁場(chǎng)強(qiáng)度最大，司機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最??；從仿真計(jì)算的結(jié)果得到乘客B 出現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度較大的身體部位為腿腳處，其磁場(chǎng)強(qiáng)度最大達(dá)到2.78A/m，最大區(qū)域出現(xiàn)在腳部和小腿外側(cè)，這與距離車(chē)廂連接過(guò)道的距離有直接關(guān)系；司機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度最小部位為軀干，其磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.183A/m；乘客和司機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度都較大程度低于ICNIRP 分別規(guī)定的公眾限值（21A/m）和職業(yè)限值（80A/m）。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論，變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在人體組織中又會(huì)感生出感應(yīng)電場(chǎng)，從圖 8 車(chē)內(nèi)人體感應(yīng)電場(chǎng)圖可以看出乘客處于車(chē)廂中，身體各部分組織會(huì)有不同大小的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度值；其中司機(jī)的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較小，這與其所在司機(jī)室環(huán)境結(jié)構(gòu)對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽有關(guān)；位于車(chē)廂中的乘客們產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)較大，這與乘客距離車(chē)底傳能機(jī)構(gòu)的距離有直接的關(guān)系；其中乘客A 頭部感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度較大，最大部位出現(xiàn)在頭皮處，其感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度值為0.55V/m，這一數(shù)值遠(yuǎn)低于ICNIRP 規(guī)定的公眾暴露感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度83V/m 的基本限值。

交變電流所激發(fā)出的交變磁場(chǎng)在人體中將感應(yīng)出電流，當(dāng)感應(yīng)電流密度大于一定限值后，人體組織由于吸收電磁場(chǎng)能量而發(fā)熱對(duì)細(xì)胞組織可能會(huì)造成刺激或損傷，影響人體健康。從圖9 車(chē)內(nèi)人體感應(yīng)電流密度圖可以看出，乘客以及司機(jī)在身體各組織都產(chǎn)生了不同大小的感應(yīng)電流，三位乘客的感應(yīng)電流密度較大的位置基本都在腳部以及小腿的組織。同時(shí)兒童頭部組織也產(chǎn)生了較大的感應(yīng)電流密度值，這與其距離傳能機(jī)構(gòu)的距離以及頭部組織的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度大小有關(guān)。由于乘客B 的腳部更加靠近車(chē)廂連接處的傳能裝置，其感應(yīng)電流密度達(dá)到了13.7μA/m2，數(shù)值為司機(jī)和乘客中的最大，但遠(yuǎn)低于ICNIRP 所規(guī)定的公眾暴露中樞神經(jīng)系統(tǒng)基本限值0.25A/m2。

位于車(chē)內(nèi)不同位置，人體的電磁場(chǎng)分布也會(huì)變得不同，位于車(chē)廂連接處人體磁感應(yīng)強(qiáng)度相較于其他位置較大，這可能是由于車(chē)廂連接處沒(méi)有像車(chē)廂中部有一塊完整的鋁板作為屏蔽，導(dǎo)致產(chǎn)生了一些漏磁。將仿真結(jié)果與國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）中職業(yè)暴露與公眾暴露限值作比較，見(jiàn)表3。

表3 車(chē)內(nèi)不同人員計(jì)算值與ICNIRP 限值對(duì)比 Tab.3 Comparison of the calculated value of different persons inside the carriage and the ICNIRP limit

從表3 可以看出，參照國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)導(dǎo)則（50kHz）下的電磁場(chǎng)限值，職業(yè)與公眾磁場(chǎng)強(qiáng)度最大分別為80A/m、21A/m，電場(chǎng)強(qiáng)度分別為170V/m、83V/m。根據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果均小于標(biāo)準(zhǔn)給出的輻射限值，不會(huì)對(duì)司機(jī)和乘客造成傷害。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果，參考最新發(fā)布的GB/T 37130—2018 車(chē)輛電磁場(chǎng)相對(duì)于人體暴露的測(cè)量方法以及國(guó)家鐵路局發(fā)布的動(dòng)車(chē)組內(nèi)低頻磁場(chǎng)的測(cè)量方法。

采用Narda 的ELT—400 型號(hào)的設(shè)備，測(cè)量的頻率范圍滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中要求的10Hz～400kHz。其交流探頭能同時(shí)進(jìn)行三個(gè)正交方向的測(cè)量，后經(jīng)快速傅 里葉變換（Fast Fourier Transformation,FFT）分析可得到磁場(chǎng)的頻譜分布。圖10 為車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖10 車(chē)內(nèi)磁場(chǎng)測(cè)試 Fig.10 Magnetic field measurement inside the carriage

對(duì)車(chē)內(nèi)第2 節(jié)車(chē)廂中部至第3 節(jié)車(chē)廂中部均勻取9 個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，高度為30cm，圖11 為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的波形，圖12 為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)圖5a 中監(jiān)測(cè)線1 的對(duì)比，可以看到車(chē)廂內(nèi)部真實(shí)磁場(chǎng)的分布情況與仿真得出的結(jié)果趨勢(shì)大致相同，磁場(chǎng)的頻率集中在50kHz 頻率上，車(chē)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度在車(chē)廂連接處向車(chē)廂中部處逐漸減弱，這可能是由于車(chē)輛側(cè)邊外殼和底部金屬板的防護(hù)作用，磁場(chǎng)相對(duì)較弱，而在靠近車(chē)廂連接處磁場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，這可能是由于 在連接擋板處存在一定的磁場(chǎng)泄漏引起的磁場(chǎng)強(qiáng)度升高。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形 Fig.11 Waveforms measured on site

圖12 仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比 Fig.12 Comparison of simulation and measurement data

5 結(jié)論

本文研究了人體處于無(wú)線傳能機(jī)車(chē)內(nèi)的電磁暴露情況，通過(guò)建立車(chē)輛模型、司機(jī)室內(nèi)坐姿人體模型、車(chē)廂以及車(chē)廂連接處站立成年人和兒童模型，對(duì)車(chē)內(nèi)人體磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果與ICNIRP 導(dǎo)則給出的人體暴露的限值對(duì)比，得到整車(chē)工作在額定工作狀態(tài)時(shí)人體處于車(chē)內(nèi)的環(huán)境是安全的結(jié)論。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)得車(chē)內(nèi)電磁環(huán)境真實(shí)情況，并與仿真結(jié)果相近，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。通過(guò)分析和測(cè)試可以消除公眾和乘務(wù)人員對(duì)于無(wú)線傳能車(chē)內(nèi)電磁環(huán)境的擔(dān)憂，也對(duì)鐵路領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有一定的借鑒意義。