城市轨道交通车辆低频磁场测试技术研究

付彩欣 赵塔

（中车长春轨道客车股份有限公司 吉林省长春市 130062）

1 引言

随着我国城市轨道交通行业的发展，无论是货物的运输还是人们的出行都已经离不开城市轨道交通车辆。在迅捷的轨道列车服务与人们的同时，特定的电磁环境无疑会对乘客人员的适应性产生影响，因此轨道交通车辆运行的安全性能越来越受到行业的重视[1-2]。轨道列车的各系统涉及到的电气设备众多，在诸如供电系统、通信系统的电磁干扰影响下，电磁环境会变得恶劣，不仅会使列车产生错误的动作指示，甚至会引发通信网络的故障。此外，恶劣的电磁环境也会使佩戴的医疗电子设备的乘客出现危险。目前国内各大城市在进行城市轨道交通车辆招标时，均明确要求卖方应确保由列车产生的任何静态的或交变的低频磁场，不得干扰助听器、心脏起搏器等乘客物品或磁性介质的正常使用。因此，为了保障乘车人员及物品的安全，满足用户需求，避免车辆产生的低频磁场带来的危害，对车辆进行低频磁场测试意义重大[3]。本文基于上述动机对城市轨道交通车辆低频磁场测试技术进行研究，保障车辆安全辐射，根据实际数据的测量结果与行业内的相关标准进行比对得出结论并对设备制造商与运营商提出合理建议。

2 研究现状

早在20 世纪60年代初期，一些发达国家就已经开始了电磁环境标准的制定工作，并初步形成了体系。随着监测技术的发展与测量仪器的复杂化，部分国家已经成功研制出自动化的电磁测量系统或自动监测网络。目前，国内对电气化交通车辆电磁兼容性的研究主要涉及西南交通大学、北京交通大学、中国铁道科学研究所等高校及科研院所。其中北京交通大学相关团队对铁路应答器系统电磁特性[4]、车站机房电磁环境[5]、横向磁场直线开关磁阻电机[6]等实用模型与环境构建了相应的模型。西南交通大学针对实际机车总线的电磁兼容性[7]、车辆磁流变制动技术[8]、编码器电磁兼容[9]等问题开展了研究。可以看出铁路列车系统的电磁兼容性问题是影响列车行业快速发展的关键问题。特别是对于电气设备众多，电磁干扰源复杂的地铁环境，恶劣的电磁环境不但会干扰网络系统，使列车出现运行故障，还会对乘车产生不良的影响。例如，上世纪70年代国外学者对儿童血癌与输电线路附近电磁场的相关性展开了研究，而近几十年来，部分学者分析了儿童脑瘤与低频磁场的相关性。国内部分学者曾分别对极低频与射频电磁场对人体的效应开展研究并对人体的健康奉献做了详细的调查与评价。因此，对国内实际车辆的磁场测试技术不可或缺且对保障人民群众的生命财产安全具有重要意义。

表1：职业暴露于时变电场和磁场的参考水平（无扰动的均方根值）

表2：一般公众暴露于时变电场和磁场的参考水平（无扰动的均方根值）

表3：低频交流磁场限值

3 轨道交通车辆电磁环境分析与测量

3.1 交通车辆电磁环境

城市轨道交通车辆牵引功率大、牵引设备多、配电结构复杂。大量的无线通讯设备使得交通车辆的车厢内部的电磁环境难以分析处理。此外，列车的快速运行、无线设备的高频辐射、列车外部环境的自然干扰都会对车辆的电磁环境产生影响。电磁干扰的本质问题就是设备吸收电磁能量的问题，电磁耦合通过传导耦合和辐射耦合实现，传导耦合一般出现在轨道上，辐射耦合则通过媒介干扰其他设备。低频磁场对人体产生影响的主要方式是通过外部磁场在人体内产生感应电场，其大小与外部磁场进入人体的方向有关，不同的人体组织因其电导率不同所以相应的感应电场也不同。

3.2 低频磁场限值要求

标准EN 50500:2008+A1:2015《铁路环境中涉及人体暴露的电子电气装设备磁场等级测量程序》[10]明确了城市轨道交通车辆低频磁场的测量方法，规定了具体的测试频率范围、测试条件、测试设备、求值方法、测试步骤等。标准EN 50500 规定静态磁场的测试频率范围为直流到1Hz，低频交流磁场的测试频率范围为5Hz 到20KHz。因此，城市轨道交通车辆低频磁场强度测量分为静态磁场部分和低频交流磁场部分。标准EN 50500 明确了车辆低频磁场的测试方法可以提供试验结果，具体判定标准还需要根据车辆要求进行确定。根据设计经验，一般城市轨道交通车辆低频磁场测试静态磁场部分和低频交流磁场部分判定标准及限值如下：

静态（DC）磁场部分：标准EN 45502-2-1:2003《有效植入的医疗器件 第2-1 部分：用于治疗过缓性心率失常的有效植入医疗器件的特殊要求（心脏起搏器）》[11]规定可植入式心脏起搏器不应受到磁通密度在1mT 以内静电磁场的影响。根据该标准确定低频磁场测试中静态磁场限值为1mT。

低频交流（AC）磁场部分：ICNIRP（国际非电离辐射防护委员会）2010 导则《限制时变电场和磁场暴露的导则（1Hz~100KHz）》[12]规定磁场辐射限值分为一般公众暴露和职业暴露两类，分别暴露于时变电场和磁场的参考水平如表1 和表2 所示。

根据表1 和表2 参考水平要求，结合标准EN 50500 对低频交流磁场的测试频率范围，以要求更为严格的一般公众暴露限值为参考，确定低频磁场测试中低频交流磁场限值如表3 所示。

3.3 低频磁场测试方法

城市轨道交通车辆低频磁场测试的目的是为了确认出厂的车辆（即被试车辆）低频磁场发射符合相关标准及业主方要求。整个测试过程分三步：

3.3.1 选择测试点

在被试车辆不同车型车内分别进行测试点标记，并做好记录。

（1）车内工作区域建议选择变流器、电源线及司机座椅等附近区域，空间位置要求为与车厢壁的水平距离为0.3m（若最小距离也超过0.3m，选择最小距离）、高度分别为距地板0.9m 和1.5m；

（2）车内公共区域建议选择牵引电机、辅助变流器、牵引变流器、电抗器、制动电阻等位置，空间位置要求为与车厢壁的水平距离为0.3m（若最小距离也超过0.3m，选择最小距离）、高度分别是距地板0.3m、0.9m 和1.5m；

3.3.2 进行测试

低频磁场的测试过程分为静态测试和动态测试两种，力求得到客观有效的城市轨道交通车辆测量结果。

（1）静态测试：列车静止，牵引电路上电但不工作，辅助变流器工作且开启与其相关的所有设备，包括但不限于空调暖通系统、灯光（列车及车内）、蓄电池等；对车辆中所有标记的测试点进行低磁场测试，每一个测试点分别在0.3m、0.9m、1.5m 三个高度进行静态磁场测量和交流磁场测量（工作区域测试点只进行0.9m 和1.5m 测试）；静态磁场测试使用直流磁场探头进行，每一次测量均需将测试软件显示结果记录在原始记录单；交流磁场测试使用交流磁场探头进行，每一次测量均需将测试软件结果进行截图并命名保存。

图1：测量距离：0.3m

图2：测量距离：0.9m

图3：测量距离：1.5m

（2）动态测试：牵引电路上电工作，辅助变流器工作且开启与其相关的所有设备，包括但不限于空调暖通系统、灯光（列车及车内）、蓄电池等，列车从静止开始以最大加速度加速至最高速度然后惰行并以最大电制动到停止，该过程为一次完成的动态过程；对车辆中所有标记的测试点进行低磁场测试，每一个测试点分别在0.3m、0.9m、1.5m 三个高度进行静态磁场测量和交流磁场测量（工作区域测试点只进行0.9m 和1.5m 测试），每一个测试点的每一个高度的测量都要从车辆静止开始经过加速、惰行、制动到停止为止；具体静态磁场和交流磁场测试方法与静态测试相同。

3.3.3 数据处理

由于实车数据量较为庞大，需要选用具有代表性的数据。此外，还需要在相同工况、相同条件下进行测试以保证实验结果的可信性。静态磁场测试数据采用峰值，交流磁场测试数据采用有效值，根据标准EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 导则分别对测试结果进行判断，确定测试结果是否合格符合标准要求。

4 结果分析

根据以往项目经验，城市轨道交通车辆低频磁场测试试验结果显示交流低频磁场结果一般不会出现超标和临近限值的情况，性能稳定，但是直流磁场探头测试出来的静态磁场数据车辆静态和动态结果差异较大，静态测试时会出现部分测试点超标或临近限值的情况，值得进行分析和研究。以往多个车辆不同测试高度的测试结果如图1、图2、图3 所示，其中不同图形曲线代表不同车辆结果，同一图形曲线实线代表动态结果，虚线代表静态结果。文中共对A、B、C、D 四列车的10 个不同的测试点进行分析，其中包括：空压机、辅助逆变器、蓄电池、贯通道、牵引电机、制动电阻、高压箱、牵引变流器、受电弓大线、司机室。测试距离分别为0.3m、0.9m、1.5m。

通过对图1、图2 和图3 中4 个车辆的测试结果进行分析，得出以下结论：

（1）车辆静止时静态磁场强度低于车辆行驶时静态磁场强度，且静态测试结果远低于限值要求。

（2）同一测试点整体呈现距离车辆地板面越高静态磁场强度越弱的趋势。

（3）每个车辆都是受电弓大线所在电气柜外静态磁场强度最大，其中车辆A 在0.3m 处静态强度逼近限值要求1mT 刚达标；车辆D 在0.3m、0.9m、1.5m 三处静态磁场强度均高于限制要求1mT均不达标。

（4）针对部分车辆用户要求：对于车下产生磁场较强的部位，距地板面0.9m 时要求客室内磁通密度≤0.5mT，车辆A 测试点牵引变流器处超标；车辆C 测试点牵引变流器、高压箱、蓄电池、辅助逆变器、空压机处均超标；车辆D 测试点高压箱处超标。但对于常规限值要求1mT，以上各测试点均达标。

5 结论

本文对城市轨道交通车辆低频磁场测试技术进行研究，根据标准EN 50500 明确了城市轨道交通车辆低频磁场的测试方法，根据标准EN 45502-2-1 和ICNIRP 2010 导则确定了车辆静态磁场和低频交流磁场的发射限值要求，并通过对多个车辆的数据进行分析得出如下结论：

（1）为了保障乘车人员及物品的安全，必须严格按照标准要求对车辆进行低频磁场测试，并使测试结果符合标准要求。

（2）针对车辆受电弓大线处静态磁场测试结果超出限制要求的情况，根据以往项目经验需要在车辆受电弓大线所在电气柜内对大线进行隔磁处理，进而降低对外辐射，使测试结果符合标准要求。

（3）针对部分高要求用户，需将高于标准的要求提早下发给高低频磁场辐射的设备制造商，如牵引变流器、高压箱、蓄电池、辅助逆变器、空压机，并要求针对这些设备进行模拟装车试验以确保部件测试结果符合高要求，否则需要在车辆相应位置进行隔磁处理，以保障测试结果符合高要求。

面对城市轨道交通行业的飞速发展，为了满足人们日益增长的需求，保障乘车人员及物品的安全，低频磁场测试技术必不可少，将来我们更要结合仿真技术正向设计尽早将一切可能的危害消除掉，保障车辆的安全性和电磁兼容性。特别是对于未来发展的城市轨道悬浮车辆，其磁力对于列车运行周边环境的影响是不能忽视的重要问题，无论是对于环境的影响还是对乘客自身的影响，对磁场全方位的有效测试意义重大，值得专家学者们进一步的分析研究。