轨道交通车辆低频磁场和典型静磁场的EMC问题研究

冯厉鹏，李 晶，何丽娟，雷 欣，曾凡军，罗晓娟

(1.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412000；2.中铁十九局集团华东工程有限公司，浙江 宁波 315400)

0 引言

根据2020年12月国新办发布的《中国交通的可持续发展》白皮书表明[1]，到2020年末，全国铁路营运里程将达到14.6万km，其中高速铁路3.8万km，同时有40个城市开通运营城市轨道交通线路，里程总计达到6 172.2 km。在轨道交通中，小到一个车载设备或乘客携带的电子设备，大到一个复杂的子系统(如车辆、供电和信号系统)，都存在EMC(电磁兼容)问题。为了保证轨道交通的安全，处理好EMC问题，符合国际相关标准以保证车上的各类电气设备的安全工作和相关人员的健康显得尤为重要。

1 电磁兼容问题要素

针对电磁兼容问题，工程人员常从干扰源、耦合路径和敏感设备三要素来解决。其中针对干扰源，轨道交通常见的理想干扰源主要有梯形波脉冲和梯形波序列，解决EMC问题，必须修改开关频率、改变调制算法、改变边沿时间或改变直流电压，因此通过改变干扰源来解决EMC问题难度极大。针对耦合路径，主要分为传导和辐射，典型的传导回路主要包括共模传导和差模传导，共模传导主要有机侧回路和网侧回路，差模传导为车网回路；辐射分为近场辐射和远场辐射，部分场景下的近场辐射可用集总参数电路(例如互感、 互容)表示。目前，通用的辐射仿真难度较大，精度较差，不具有工程应用价值；个别场景下的辐射仿真已满足工程设计需求(例如电抗器漏磁仿真)。敏感设备包括各类传感器、控制电路和通信设备等，在电磁干扰的作用下通常呈现出难以预测的效应，是电磁兼容问题中最难研究的部分。因此，如何针对不同EMC问题，提出科学合理的解决办法，是摆在工程人员面前亟待解决的问题。

2 低频磁场国内外标准和研究分析

通过研究国内外相关标准看出，我国轨道交通线路虽然经过了多年发展，但相关标准的制定依然落后国外，其中就有轨道交通低频磁场测试方法和限值。目前国内普遍采用国外的心脏起搏器的标准1～4和测试标准5～6，这对车载轨道交通磁性部件——空心滤波电抗器漏磁提出了较高的要求。

2.1 轨道交通车辆内部静磁场限值

我国对地铁车辆低频磁场尚无相关的国家或行业标准，从笔者的研究中，各主机厂普遍采取的测试标准为EN50500。其规定的测试方法为：车辆以最大加速度运行至最高速度，惰行10 s后，再以最大电制动到车辆完成停止，记录整个过程中的最大值。

DC至1Hz磁场采用三轴同向探头；三轴正交面获得的磁场强度计算公式如下：

(1)

H：测试点磁场强度，A/m；Hx：x轴方向上的磁场强度，A/m；Hy：y轴方向上的磁场强度，A/m；Hz：z轴方向上的磁场强度，A/m。因此，测试地铁车辆静磁场应采用具有三轴全向磁场测试的设备，取整个过程中的最大值。

对于限值要求，按照EN50500标准规定，指向心脏起搏器对静磁场的标准EN45502-2-1。其中，提到的0.3 m高度主要对应的是带有心脏起搏器的人员可能摔倒等异常状况。而对于国内外心脏起搏器，其标准主要有：①EN45505-2-1 《心脏起搏器 第2-1部分 植有心脏起搏器的特殊要求》。②GB16174.2-2015/ISO 14708-2：2005《手术植入物 有源植入式医疗器械 第2部分 心脏起搏器标准》。③VDE 0750-9/EN50061-1992《可植入的心脏起搏器的安全性标准》。

各标准中关于抗静磁场干扰的规定限值和试验方法基本相同，只是文本描述稍有差异，对静磁场的限值规定如下。

1)当置于磁通量密度为1 mT±0.1 mT的强静磁场中，心脏起搏器不应被影响。

2)当心脏起搏器暴露在磁通量密度为10 mT±1 mT的强静磁场中，不能有持续的功能影响；如果在去除磁场后5 s内，心脏起搏器应能再不需要进行调整就恢复到正常状态。

因此，考虑对公众在异常状态下的影响，对轨道交通这种时变磁场，其0.3 m处的静磁场限值应按最严格、安全的小于或等于1 mT限值进行设计，此限值能保证各年龄阶段及不同健康状态，且不会意识和有效地采取防护措施的人在极端情况下的安全。

2.2 空心滤波电抗器线圈内部静磁场密度的计算

电抗器线圈中心点P处的磁场强度为其线饼上每个dr小区域所产生磁场强度的积分，如图1所示。

因：

α1=π-α2，故cosα1-cosα2=2cosα1

(2)

(3)

(4)

J即每个dr小区域的安匝密度，N：线圈匝数，I：通过线圈的电流A

(5)

(6)

对P点磁场积分得到：

(7)

而对于空心滤波电抗器上部的磁场强度，工程简化计算可用长直圆导线磁场计算方法，设线圈外距中心点距离为x，则

(8)

由分析可知，空心滤波电抗器四周的漏磁场强度与电抗器的安匝、外径成正比，与线圈的距离平方成反比。

图1 空心电抗器内部静磁场示意图

2.3 屏蔽结构对空心滤波电抗器线圈静磁场屏蔽效能影响的计算

空心滤波电抗器通常布置在机车底部，磁场介质主要是空气或其他非磁性介质；屏蔽板设置在电抗器上方，主要控制点是车辆地板高300 mm处的磁通密度，其中典型单路空心电抗器结构如图2如示。

图2 单路空心电抗器内部静磁场示意图

图2中，r为电抗器线圈内半径；R为电抗器线圈外半径；d1为线圈到屏蔽板的距离；h为屏蔽板厚度；d2为屏蔽板到车辆地板300 mm高处的距离。根据上述结构示意图，此时空气磁路与屏蔽板的磁路为并联磁路，简化原理图如图3所示。

图3 漏磁通并联示意图

图3中及公式：R下空气为屏蔽板下方空气的磁阻，简称为R1；R屏蔽为屏蔽板中的磁阻，简称为R2；R上空气为屏蔽板上方空气的磁阻，简称为R3；Φ为电抗器的总磁通量；Φ0为屏蔽板下方空气中的磁通量；Φ1为屏蔽板中的磁通量；Φ2为屏蔽板上方空气的磁通量；μ0为空气磁导率；μ1为屏蔽板的磁导率；H为空心滤波电抗器的总磁场强度；H0为屏蔽板下方的磁场强度；H1为屏蔽板中的磁场强度；S为电抗器产生磁通的截面积；Lx为电抗器的磁路长度。

根据磁路的基尔霍夫第一定律，穿过任意闭合磁通的代数和为0，即进入闭门面的磁通量与流出的磁通量相等[8]：

Φ=Φ0+Φ1+Φ2

(9)

计算电抗器轴线上部截面微小区域dr的磁通量，从公式(9)可得：

dΦ=dΦ0+dΦ1+dΦ2

(10)

公式10中各处磁通计算公式如下：

dΦ=μ0Hdr

(11)

dΦ0=μ0H0d(R-r+d1)

(12)

dΦ1=μ1H1dh

(13)

dΦ2=μ0H2dd2

(14)

结合公式(10)～(14)得：

μ0Hdr=μ0H0d(R-r+d1)+μ1H1dh+μ0H2dd2

(15)

根据上式，为了减小屏蔽上方的磁通量，须尽可能让空心电抗器产生的磁通通过屏蔽板和屏蔽板下方的空间闭合，但车辆安装空间有限，屏蔽板下方的空间往往不大，故屏蔽板一般采用相对磁导率高的材料。

一般流过屏蔽板的磁通量是流过空气磁通量的300～500倍，也可以理解为屏蔽板的相对磁导率只利用了300～500。所以，工程中常采用增加屏蔽板厚度和材质来提升屏蔽效果。

3 空心滤波电抗器分析

3.1 无屏蔽结构下漏磁场分析

通过建立电抗器三维静磁场仿真模型，结合漏磁试验值，以及电抗器输入电流参数、结构和材质，分析电抗器各方向的漏磁，各监测点如图4所示。

图4 模型及测量位置

试验仪器：全向霍尔磁场测量仪，刻度尺。

测量位置：对电抗器通以额定直流电流，在电抗器屏蔽板各方向设置14个监测点(见图4)，分别测量电抗器各个方向560 mm(距离地板面300 mm)位置处的漏值。图5是沿电抗器各方向磁场强度随垂直高度变化曲线。表2是各监测点磁场强度计算及实验测量数据。

(a) (b)

通过表2可以看出，各监测点磁场强度实测值与计算值基本吻合，其中1～9点为电抗器上方车辆地板的位置，也是最关心的漏磁点，其值整体处于2.3 mT左右，高于心脏起搏器标准1 mT，因此须加装屏蔽板；10～12点为电抗器侧面位置；13～14点磁场较强，符合空心电抗器磁场的分布趋势。因此在考虑电磁兼容设计时，需要充分考虑此处漏磁对其他器件的影响，如传感器、控制电路和通信设备等。

由数据可以看出，计算值和实测值整体处于合理范围，仿真数据可靠，分析二者偏差，其原因主要为：①可能实际测量周围存在导磁介质，加速了漏磁通的衰减。②计算模型与实际模型存在差异，实际模型的螺杆等部件略微导磁，而仿真模型作了简化。③存在测量误差；但偏差合理。结合图6，可以看出，当距离产品较近时，电抗器上方与轴向磁场强度差异性较大，轴向磁场强度较强；当距离电抗器较远时，电抗器上方与轴向磁场强度差异较小；同时可以看出，沿各垂线方向，磁场强度迅速衰减，因此从磁场强度的角度，如果空间允许，应尽可能远离产品以减小漏磁。

图6 屏蔽板计算模型及测量位置

3.2 带屏蔽结构下漏磁场分析

无屏蔽结构下，距离地板面上方300 mm位置(监测点1～9)，漏磁整体位于2.3 mT左右，高于心脏起搏器标准1 mT，须加装屏蔽板降低漏磁值(见图6)。同时考虑屏蔽板的安装和操作空间，将碳钢屏蔽板设置在电抗器上方50 mm位置，屏蔽板的厚度选取3 mm、8 mm、12 mm分别进行计算，结果如表2所示。

表2 各点磁场强度数值表

通过计算可以看出，加装屏蔽板后，可以有效地减低1～9点的磁场强度，且在碳钢板厚度为12 mm时，满足低于心脏起搏器1mT的标准，因此，主机厂或厂家在使用该空心电抗器时，须加装12 mm屏蔽板使之满足要求。而同类产品在应用时也必然面对该问题，为此类问题的解决提供一种解决思路，在问题发生前通过计算得到最佳的解决方案。

4 结语

本文通过对轨道交通电磁兼容问题的研究，将典型EMC问题进行梳理，为工程人员从干扰源、耦合路径和敏感设备来解决此难题指明了方向。特别针对轨道交通车辆内低频磁场，研究国内外相关标准，得到了明确的测试和限制要求。在此基础上，对典型静态磁场干扰源——滤波电抗器，理论和实验相结合得到其磁场的分布特点，并在耦合路径中通过加装碳钢屏蔽板，降低关心位置的漏磁数值，使其满足相关标准，研究对后续工程人员解决该问题具有重要指导意义。