馮厲鵬，李 晶，何麗娟，雷 欣，曾凡軍，羅曉娟

(1.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000；2.中鐵十九局集團華東工程有限公司，浙江 寧波 315400)

0 引言

根據(jù)2020年12月國新辦發(fā)布的《中國交通的可持續(xù)發(fā)展》白皮書表明[1]，到2020年末，全國鐵路營運里程將達到14.6萬km，其中高速鐵路3.8萬km，同時有40個城市開通運營城市軌道交通線路，里程總計達到6 172.2 km。在軌道交通中，小到一個車載設備或乘客攜帶的電子設備，大到一個復雜的子系統(tǒng)(如車輛、供電和信號系統(tǒng))，都存在EMC(電磁兼容)問題。為了保證軌道交通的安全，處理好EMC問題，符合國際相關標準以保證車上的各類電氣設備的安全工作和相關人員的健康顯得尤為重要。

1 電磁兼容問題要素

針對電磁兼容問題，工程人員常從干擾源、耦合路徑和敏感設備三要素來解決。其中針對干擾源，軌道交通常見的理想干擾源主要有梯形波脈沖和梯形波序列，解決EMC問題，必須修改開關頻率、改變調制算法、改變邊沿時間或改變直流電壓，因此通過改變干擾源來解決EMC問題難度極大。針對耦合路徑，主要分為傳導和輻射，典型的傳導回路主要包括共模傳導和差模傳導，共模傳導主要有機側回路和網(wǎng)側回路，差模傳導為車網(wǎng)回路；輻射分為近場輻射和遠場輻射，部分場景下的近場輻射可用集總參數(shù)電路(例如互感、 互容)表示。目前，通用的輻射仿真難度較大，精度較差，不具有工程應用價值；個別場景下的輻射仿真已滿足工程設計需求(例如電抗器漏磁仿真)。敏感設備包括各類傳感器、控制電路和通信設備等，在電磁干擾的作用下通常呈現(xiàn)出難以預測的效應，是電磁兼容問題中最難研究的部分。因此，如何針對不同EMC問題，提出科學合理的解決辦法，是擺在工程人員面前亟待解決的問題。

2 低頻磁場國內外標準和研究分析

通過研究國內外相關標準看出，我國軌道交通線路雖然經過了多年發(fā)展，但相關標準的制定依然落后國外，其中就有軌道交通低頻磁場測試方法和限值。目前國內普遍采用國外的心臟起搏器的標準1～4和測試標準5～6，這對車載軌道交通磁性部件——空心濾波電抗器漏磁提出了較高的要求。

2.1 軌道交通車輛內部靜磁場限值

我國對地鐵車輛低頻磁場尚無相關的國家或行業(yè)標準，從筆者的研究中，各主機廠普遍采取的測試標準為EN50500。其規(guī)定的測試方法為：車輛以最大加速度運行至最高速度，惰行10 s后，再以最大電制動到車輛完成停止，記錄整個過程中的最大值。

DC至1Hz磁場采用三軸同向探頭；三軸正交面獲得的磁場強度計算公式如下：

(1)

H：測試點磁場強度，A/m；Hx：x軸方向上的磁場強度，A/m；Hy：y軸方向上的磁場強度，A/m；Hz：z軸方向上的磁場強度，A/m。因此，測試地鐵車輛靜磁場應采用具有三軸全向磁場測試的設備，取整個過程中的最大值。

對于限值要求，按照EN50500標準規(guī)定，指向心臟起搏器對靜磁場的標準EN45502-2-1。其中，提到的0.3 m高度主要對應的是帶有心臟起搏器的人員可能摔倒等異常狀況。而對于國內外心臟起搏器，其標準主要有：①EN45505-2-1 《心臟起搏器 第2-1部分 植有心臟起搏器的特殊要求》。②GB16174.2-2015/ISO 14708-2：2005《手術植入物 有源植入式醫(yī)療器械 第2部分 心臟起搏器標準》。③VDE 0750-9/EN50061-1992《可植入的心臟起搏器的安全性標準》。

各標準中關于抗靜磁場干擾的規(guī)定限值和試驗方法基本相同，只是文本描述稍有差異，對靜磁場的限值規(guī)定如下。

1)當置于磁通量密度為1 mT±0.1 mT的強靜磁場中，心臟起搏器不應被影響。

2)當心臟起搏器暴露在磁通量密度為10 mT±1 mT的強靜磁場中，不能有持續(xù)的功能影響；如果在去除磁場后5 s內，心臟起搏器應能再不需要進行調整就恢復到正常狀態(tài)。

因此，考慮對公眾在異常狀態(tài)下的影響，對軌道交通這種時變磁場，其0.3 m處的靜磁場限值應按最嚴格、安全的小于或等于1 mT限值進行設計，此限值能保證各年齡階段及不同健康狀態(tài)，且不會意識和有效地采取防護措施的人在極端情況下的安全。

2.2 空心濾波電抗器線圈內部靜磁場密度的計算

電抗器線圈中心點P處的磁場強度為其線餅上每個dr小區(qū)域所產生磁場強度的積分，如圖1所示。

因：

α1=π-α2，故cosα1-cosα2=2cosα1

(2)

(3)

(4)

J即每個dr小區(qū)域的安匝密度，N：線圈匝數(shù)，I：通過線圈的電流A

(5)

(6)

對P點磁場積分得到：

(7)

而對于空心濾波電抗器上部的磁場強度，工程簡化計算可用長直圓導線磁場計算方法，設線圈外距中心點距離為x，則

(8)

由分析可知，空心濾波電抗器四周的漏磁場強度與電抗器的安匝、外徑成正比，與線圈的距離平方成反比。

圖1 空心電抗器內部靜磁場示意圖

2.3 屏蔽結構對空心濾波電抗器線圈靜磁場屏蔽效能影響的計算

空心濾波電抗器通常布置在機車底部，磁場介質主要是空氣或其他非磁性介質；屏蔽板設置在電抗器上方，主要控制點是車輛地板高300 mm處的磁通密度，其中典型單路空心電抗器結構如圖2如示。

圖2 單路空心電抗器內部靜磁場示意圖

圖2中，r為電抗器線圈內半徑；R為電抗器線圈外半徑；d1為線圈到屏蔽板的距離；h為屏蔽板厚度；d2為屏蔽板到車輛地板300 mm高處的距離。根據(jù)上述結構示意圖，此時空氣磁路與屏蔽板的磁路為并聯(lián)磁路，簡化原理圖如圖3所示。

圖3 漏磁通并聯(lián)示意圖

圖3中及公式：R下空氣為屏蔽板下方空氣的磁阻，簡稱為R1；R屏蔽為屏蔽板中的磁阻，簡稱為R2；R上空氣為屏蔽板上方空氣的磁阻，簡稱為R3；Φ為電抗器的總磁通量；Φ0為屏蔽板下方空氣中的磁通量；Φ1為屏蔽板中的磁通量；Φ2為屏蔽板上方空氣的磁通量；μ0為空氣磁導率；μ1為屏蔽板的磁導率；H為空心濾波電抗器的總磁場強度；H0為屏蔽板下方的磁場強度；H1為屏蔽板中的磁場強度；S為電抗器產生磁通的截面積；Lx為電抗器的磁路長度。

根據(jù)磁路的基爾霍夫第一定律，穿過任意閉合磁通的代數(shù)和為0，即進入閉門面的磁通量與流出的磁通量相等[8]：

Φ=Φ0+Φ1+Φ2

(9)

計算電抗器軸線上部截面微小區(qū)域dr的磁通量，從公式(9)可得：

dΦ=dΦ0+dΦ1+dΦ2

(10)

公式10中各處磁通計算公式如下：

dΦ=μ0Hdr

(11)

dΦ0=μ0H0d(R-r+d1)

(12)

dΦ1=μ1H1dh

(13)

dΦ2=μ0H2dd2

(14)

結合公式(10)～(14)得：

μ0Hdr=μ0H0d(R-r+d1)+μ1H1dh+μ0H2dd2

(15)

根據(jù)上式，為了減小屏蔽上方的磁通量，須盡可能讓空心電抗器產生的磁通通過屏蔽板和屏蔽板下方的空間閉合，但車輛安裝空間有限，屏蔽板下方的空間往往不大，故屏蔽板一般采用相對磁導率高的材料。

一般流過屏蔽板的磁通量是流過空氣磁通量的300～500倍，也可以理解為屏蔽板的相對磁導率只利用了300～500。所以，工程中常采用增加屏蔽板厚度和材質來提升屏蔽效果。

3 空心濾波電抗器分析

3.1 無屏蔽結構下漏磁場分析

通過建立電抗器三維靜磁場仿真模型，結合漏磁試驗值，以及電抗器輸入電流參數(shù)、結構和材質，分析電抗器各方向的漏磁，各監(jiān)測點如圖4所示。

圖4 模型及測量位置

試驗儀器：全向霍爾磁場測量儀，刻度尺。

測量位置：對電抗器通以額定直流電流，在電抗器屏蔽板各方向設置14個監(jiān)測點(見圖4)，分別測量電抗器各個方向560 mm(距離地板面300 mm)位置處的漏值。圖5是沿電抗器各方向磁場強度隨垂直高度變化曲線。表2是各監(jiān)測點磁場強度計算及實驗測量數(shù)據(jù)。

(a) (b)

通過表2可以看出，各監(jiān)測點磁場強度實測值與計算值基本吻合，其中1～9點為電抗器上方車輛地板的位置，也是最關心的漏磁點，其值整體處于2.3 mT左右，高于心臟起搏器標準1 mT，因此須加裝屏蔽板；10～12點為電抗器側面位置；13～14點磁場較強，符合空心電抗器磁場的分布趨勢。因此在考慮電磁兼容設計時，需要充分考慮此處漏磁對其他器件的影響，如傳感器、控制電路和通信設備等。

由數(shù)據(jù)可以看出，計算值和實測值整體處于合理范圍，仿真數(shù)據(jù)可靠，分析二者偏差，其原因主要為：①可能實際測量周圍存在導磁介質，加速了漏磁通的衰減。②計算模型與實際模型存在差異，實際模型的螺桿等部件略微導磁，而仿真模型作了簡化。③存在測量誤差；但偏差合理。結合圖6，可以看出，當距離產品較近時，電抗器上方與軸向磁場強度差異性較大，軸向磁場強度較強；當距離電抗器較遠時，電抗器上方與軸向磁場強度差異較小；同時可以看出，沿各垂線方向，磁場強度迅速衰減，因此從磁場強度的角度，如果空間允許，應盡可能遠離產品以減小漏磁。

圖6 屏蔽板計算模型及測量位置

3.2 帶屏蔽結構下漏磁場分析

無屏蔽結構下，距離地板面上方300 mm位置(監(jiān)測點1～9)，漏磁整體位于2.3 mT左右，高于心臟起搏器標準1 mT，須加裝屏蔽板降低漏磁值(見圖6)。同時考慮屏蔽板的安裝和操作空間，將碳鋼屏蔽板設置在電抗器上方50 mm位置，屏蔽板的厚度選取3 mm、8 mm、12 mm分別進行計算，結果如表2所示。

表2 各點磁場強度數(shù)值表

通過計算可以看出，加裝屏蔽板后，可以有效地減低1～9點的磁場強度，且在碳鋼板厚度為12 mm時，滿足低于心臟起搏器1mT的標準，因此，主機廠或廠家在使用該空心電抗器時，須加裝12 mm屏蔽板使之滿足要求。而同類產品在應用時也必然面對該問題，為此類問題的解決提供一種解決思路，在問題發(fā)生前通過計算得到最佳的解決方案。

4 結語

本文通過對軌道交通電磁兼容問題的研究，將典型EMC問題進行梳理，為工程人員從干擾源、耦合路徑和敏感設備來解決此難題指明了方向。特別針對軌道交通車輛內低頻磁場，研究國內外相關標準，得到了明確的測試和限制要求。在此基礎上，對典型靜態(tài)磁場干擾源——濾波電抗器，理論和實驗相結合得到其磁場的分布特點，并在耦合路徑中通過加裝碳鋼屏蔽板，降低關心位置的漏磁數(shù)值，使其滿足相關標準，研究對后續(xù)工程人員解決該問題具有重要指導意義。