磁浮列车电磁辐射仿真与验证评估技术研究

沈国庆 ，郑东 ，王彦碧

（武汉船舶通信研究所，武汉 430205）

引言

磁悬浮列车作为现代轨道交通工具之一，具有快速、便捷、低耗和环保等优点，其应用前景十分广阔。磁浮列车基于电磁浮原理，通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触地浮和导向，再利用直线电机产生的电磁力牵引列车运行。磁浮列车主要由浮系统，推进系统和导向系统等三大部分组成，主要电力电气设备包括大功率逆变器、高压异步直线电机以及大电流电力驱绕组，涵盖轨道交通通信信号处理、牵引制动和运行控制等关键技术。

德国、日本、中国、美国、韩国是世界上目前有磁浮列车试验或营运路线的国家，表1为典型磁浮列车系统一览表。

近年来，研究人员主要关注高铁等轨道交通的运行时速和安全可靠性以及牵引变电装置的电磁辐射特性。例如，国外学者Baranowski S等人对牵引变电所及其主变压器从时域等效电路模拟角度完成了电磁干扰、辐射反射等电磁兼容性分析[1,2]。目前，据查证，国内外学者研究更多的也是磁悬浮列车的运行时速、稳定性和安全性，对磁悬浮列车在正常行进过程中对外电磁辐射及其对人员和周边公共区域环境的影响研究则相对较少。

本文第1部分介绍了我国某型中低速磁浮列车的主要电磁辐射源，并采用多线传输线方法MIL完成了数学建模和电磁仿真分析，第2部分给出了磁浮列车电磁辐射测试依据及其对外辐射的电磁环境控制限值，第3部分以我国正在运营中的某典型磁悬浮列车为研究对象，开展了磁悬浮列车运行过程中的电磁辐射环境现场监测，并对测试结果分析和评估。第4部分得出相关结论。

表1 典型磁悬浮列车系统一览表

1 建模和仿真

我国某型中低速磁浮列车（供电电压25 kV，最高时速100 km）的主要电磁辐射源来自于单相交流电源系统和大功率AC-DC-AC逆变器、高压异步直线电机以及大电流电力驱绕组、大功率牵引及控制系统。例如，大功率逆变器产生的强瞬态脉冲干扰可以传导的形式注入到整个磁浮系统，将对后者功能性能产生较严重的安全性影响。上述在轨电力电气设备的瞬态电流变化量是主要的传导干扰源，将会形成对供电回路产生二次辐射，并以噪声电流的形式在整个回路存在。

本文采用多线传输线方法对整个磁浮列车进行电磁建模。具体来讲，磁浮列车可作为一个集总网络，其模型是通过沿线布置合适数量的集中电网来获得。 在频域中，每个截面可以方便地用链参数矩阵来描述，而连续两个截面之间的互连则用定义每个特定集总网络的电压/电流输入/输出关系来描述。其多线传输线集总网络数学模型如公式（1）所示[3]：

式中：

Vi,k、Ii,k—第k节输入电压和输入电流；

Vo,k、Io,k—第k节输出电压和输出电流矢量；

lk—距离；—链参数矩阵。

该矩阵的第k节集总参数的线性表达式如公式（2）所示：

式中：

Ai,k、Bi,k—输入电流和输入电压矩阵；

Ao,k、Bo,k—输出电流矩阵和输出电压矩阵；—源列矢量。

图1为采用MTL方法[4]仿真计算的50～110 kHz频段范围内，磁浮列车12 m处的辐射磁场仿真图。由图1可见，50～110 kHz频率范围内，作为辐射源的磁浮列车的辐射磁场在-10～70 dBuA/m范围内，且磁场分布呈现时域周期性结构变化，频率越高，磁场分布重复频率越高，持续时间越短（例如70 kHz,持续时间为20 s左右）。

图1 磁浮列车辐射磁场仿真分布图

2 电磁辐射测试依据及电磁环境控制限值

磁浮列车对外电磁辐射测试依据的标准主要是IEC 62236-2-2008Railway Applications—Electromagnetic Compatibility—Part 2: Emission of the Whole Railway System to the Outside World和GB/T 24338.2-2011 《轨道交通电磁兼容第2部分：整个轨道 系统对外界的发射 》以及GB/T 24338.3-2009 《轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆 列车和整车》[5-7]。

磁浮列车电磁环境控制限值主要参考IEEEStd-C95.1-2005、IEEE-Std-C95.6-2002、ICNIP-2010以 及GB8702-2014[8-12]。其 中，IEEE-Std-C95.1-2005和IEEE-Std-C95.6-2002IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields对公共区域电磁场最大允许暴露限值如表2所示。国际非电离防护委员会标准ICNIRP-2010Guidelines for limiting exposure to timevarying electric and magnetic fields，详细规定了1 Hz～100 kHz和100 kHz～300 GHz频段电场和磁场的暴露限值，如表3所示。GB 8702-2014《电磁环境控制限值》主要关注的是电磁辐射环境对公共区域人体和周边环境的积累效应，相关限值如表4所示。

表2 IEEE C95.1-2005和IEEE C95.6-2002公共区域电磁场最大允许暴露限值

表3 ICNIRP-2010公共区域暴露限值

表4 GB 8702-2014公共暴露限值

3 磁浮列车电磁辐射测试验证及评估

3.1 测试内容和监测方法

如图2所示，首先利用传感器法测试无磁浮列车经过时的电场和磁场，然后利用传感器法测试有磁浮列车经过时的电场和磁场。在传感器法测试的基础上，再利用天线法测试无磁浮列车经过时的背景电场，最后利用天线法测试有磁浮列车经过时的脉冲电场。传感器法主要是测试场强的大致量级和保护测试接收机不致输入过大而烧毁，天线法主要测试场强的准确数值。图中测试距离d选为距离磁浮列车车体5 m、10 m和20 m。

无车经过时测试的电磁环境定义为本底电磁环境电平，有车经过时测试的电磁环境定义为实测电磁环境电平。现场测试场景如图3所示。

图2 磁浮列车电磁辐射场测试方法示意图

图3 磁浮列车电磁辐射场现场测试场景

3.2 测试结果分析

3.2.1 低速行进状态

图4(a)所示为磁浮列车低速进出站监测的磁场均方根值随频率及距离变化曲线。由图可见，在1 Hz～100 kHz频段内，无磁浮列车经过时，5 m、10 m、20 m处的磁场电磁环境即本底磁场电磁环境均在0.011 2 A/m即11.2 mA/m以下。有车经过时，距离列车5m处的实测磁场均在0.088 A/m即88 mA/m以下；距离列车10 m米处的实测磁场均在0.046 A/m即46 mA/m以下；距离列车20 m处的实测磁场均在0.036 A/m即36 mA/m以下。另外，在10 kHz以内，磁场随着距离的增加而明显减小；在10 ～100 kHz之间时，10 m处的实测综合磁场已与本底环境电平趋于重合。

图4(b)所示为磁浮列车低速行进状态下监测的电场随频率及距离变化曲线。由图可见，9 kHz～18 GHz频段内，5 m、10 m、20 m处的本底环境电场在20～103.4 dBuV/m之间，30 MHz～1 GHz频段内，实测电场值随着频率的增加而振荡增加，说明该频段内，磁浮列车的用频设备较多，频谱特征明显，27.096 MHz为磁浮列车典型频谱特征频点，该频点处实测脉冲电场值比本底高34.2～46.6 dB，此外39 MHz、135 MHz、159 MHz、470.47 MHz均为典型频谱特征频点，各频点实测脉冲电场值比本底高19～57.1 dB。1～18 GHz频段内，5 m、10 m、20 m处的实测脉冲电场基本重合。

图4 磁浮列车低速行进状态下实测磁场及电场随频率及距离变化关系曲线

图5 磁浮高速行进状态下实测磁场及电场随频率及距离变化关系曲线

3.2.3 磁浮列车典型频谱（见图6）

3.2.2 高速行进状态

由图5(a)可见，在1 Hz～100 kHz频段内，无磁浮列车经过时，5 m、10 m、20 m处的综合磁场电磁环境均在0.021 6 A/m即21.6 mA/m以下。有车经过时，距离列车5 m处的实测综合磁场均在10.08 mA/m以下；距离列车10 m米处的实测综合磁场均在14.8 mA/m以下；距离列车20 m处的实测综合磁场均在30.56 mA/m以下。

图5(b)可见，9 kHz～18 GHz频段内，5 m、10 m、20 m处的本底脉冲电场在12.6～92.9 dBuV/m之间，27 MHz～1 GHz频段内，实测脉冲电场值随着频率的增加而振荡增加，说明该频段内，磁浮列车的用频设备较多，频谱特征较明显；27.096 MHz和81.53 MHz为磁浮列车典型频谱特征频点，该两频点处实测脉冲电场值分别比本底高39.9～55.7 dB以及22.5～33.3 dB；此外433.6 MHz、470.47 MHz均为典型频谱特征频点，各频点实测脉冲电场值比本底高22.5～52.8 dB。1～18 GHz频段内，5 m、10 m、20 m处的实测脉冲电场基本重合。

通过对磁浮列车在低速和高速状态下的实测结果及其典型频谱，可以获知：

1）在1 Hz～100 kHz频段内，磁浮列车综合磁场实测值在10 m距离处与无车经过时本底电磁环境基本接近或在同一数量级，且均小于90 mA/m。

2）在9 kHz～18 GHz频段内，中低速磁浮列车脉冲电场实测值在10 m距离处与无车经过时本底电磁环境基本接近趋于重合，且均小于110 dBuV/m。

图6 磁浮列车典型频谱特征

图7 磁浮列车对外电磁辐射场与相关标准限值对比曲线

3.3 综合评估

图7为磁浮列车在不同距离处对外辐射的电磁场量值与IEEE C95.1/C95.6，ICNIRP-2010以及GB 8702-2014对应频段限值的对比曲线。由图可见，磁浮列车对外电磁辐射量值远低于相关标准限值要求，具有约30 dB电磁安全裕量，对周边环境和人员的影响极小。

另一方面,参考表2至表4中的限值结合实测数据，磁悬浮列车电磁环境可按照如下数学模型即公式（3）至公式（5）进行评估。由数学模型计算可得，磁悬浮列车电磁环境满足相关标准限值要求。

4 结论

本文采用多线传输线MTL方法，对磁浮列车电磁辐射场进行了电磁建模与仿真分析，并基于IEC/IEEE和ICNIP标准，现场测试验证了其在不同运行状态下的电磁辐射场，开展电磁环境评估工作。研究表明：50～110 kHz,磁浮列车12 m处的辐射磁场呈周期性结构分布，仿真的最大值为69.4 dBuA/m；1 Hz～120 kHz频段内，磁浮列车的辐射磁场小于90 mA/m（10～120 kHz时，实际测试61～69 dBuA/m）；在9 kHz～18 GHz频段内，磁浮列车的辐射电场均小于110 dBuV/m（0.316 V/m），磁浮列车对外电磁辐射量值比相关国际标准限值至少低30 dB，对周边环境和居民区的电磁辐射安全基本无影响。