軌道交通車輛低頻磁場和典型靜磁場的EMC問題研究

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(shè)備或乘客攜帶的電子設(shè)備，大到一個復(fù)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)以保證車上的各類電氣設(shè)備的安全工作和相關(guān)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(shè)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(guān)頻率、改變調(diào)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(dǎo)和輻射，典型的傳導(dǎo)回路主要包括共模傳導(dǎo)和差模傳導(dǎo)，共模傳導(dǎo)主要有機側(cè)回路和網(wǎng)側(cè)回路，差模傳導(dǎo)為車網(wǎng)回路；輻射分為近場輻射和遠(yuǎn)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(yīng)用價值；個別場景下的輻射仿真已滿足工程設(shè)計需求(例如電抗器漏磁仿真)。敏感設(shè)備包括各類傳感器、控制電路和通信設(shè)備等，在電磁干擾的作用下通常呈現(xiàn)出難以預(yù)測的效應(yīng)，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(xué)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(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和研究分析

通過研究國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)看出，我國軌道交通線路雖然經(jīng)過了多年發(fā)展，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)普遍采用國外的心臟起搏器的標(biāo)準(zhǔn)1～4和測試標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)部靜磁場限值

我國對地鐵車輛低頻磁場尚無相關(guān)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，從筆者的研究中，各主機廠普遍采取的測試標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)采用具有三軸全向磁場測試的設(shè)備，取整個過程中的最大值。

對于限值要求，按照EN50500標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，指向心臟起搏器對靜磁場的標(biāo)準(zhǔn)EN45502-2-1。其中，提到的0.3 m高度主要對應(yīng)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(nèi)外心臟起搏器，其標(biāo)準(zhǔn)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(shù)植入物 有源植入式醫(yī)療器械 第2部分 心臟起搏器標(biāo)準(zhǔn)》。③VDE 0750-9/EN50061-1992《可植入的心臟起搏器的安全性標(biāo)準(zhǔn)》。

各標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)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(dāng)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(yīng)被影響。

2)當(dāng)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(nèi)，心臟起搏器應(yīng)能再不需要進行調(diào)整就恢復(fù)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(yīng)按最嚴(yán)格、安全的小于或等于1 mT限值進行設(shè)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(nèi)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(chǎn)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(dǎo)線磁場計算方法，設(shè)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(nèi)部靜磁場示意圖

2.3 屏蔽結(jié)構(gòu)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(zhì)主要是空氣或其他非磁性介質(zhì)；屏蔽板設(shè)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(jié)構(gòu)如圖2如示。

圖2 單路空心電抗器內(nèi)部靜磁場示意圖

圖2中，r為電抗器線圈內(nèi)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率；μ1為屏蔽板的磁導(dǎo)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)來提升屏蔽效果。

3 空心濾波電抗器分析

3.1 無屏蔽結(jié)構(gòu)下漏磁場分析

通過建立電抗器三維靜磁場仿真模型，結(jié)合漏磁試驗值，以及電抗器輸入電流參數(shù)、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)，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(shè)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(guān)心的漏磁點，其值整體處于2.3 mT左右，高于心臟起搏器標(biāo)準(zhǔn)1 mT，因此須加裝屏蔽板；10～12點為電抗器側(cè)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(shè)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(shè)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(dǎo)磁介質(zhì)，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(dǎo)磁，而仿真模型作了簡化。③存在測量誤差；但偏差合理。結(jié)合圖6，可以看出，當(dāng)距離產(chǎn)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(dāng)距離電抗器較遠(yuǎn)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(yīng)盡可能遠(yuǎn)離產(chǎn)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(jié)構(gòu)下漏磁場分析

無屏蔽結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)品在應(yīng)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(jié)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(shè)備來解決此難題指明了方向。特別針對軌道交通車輛內(nèi)低頻磁場，研究國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得到了明確的測試和限制要求。在此基礎(chǔ)上，對典型靜態(tài)磁場干擾源——濾波電抗器，理論和實驗相結(jié)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(guān)心位置的漏磁數(shù)值，使其滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究對后續(xù)工程人員解決該問題具有重要指導(dǎo)意義。