地鐵列車電纜布線的磁場研究

李保霞 郭振通

（中國南車南京浦鎮車輛有限公司，210031，南京∥工程師）

隨著城市軌道交通列車電氣設備的增多，在進行功能設計的同時，電氣設計已經開始更加注重電磁兼容及對人體安全方面的設計。歐洲標準EN 45502－2－1規定，可移植的心臟起博器能夠承受的磁通量密度安全性限值為1 mT（直流）、0.1 mT（交流）［1］。在地鐵列車的布線設計中應考慮該項要求，以保證佩戴心臟起搏器的乘客的人身安全。

1 地鐵列車電纜分類

電流會產生磁場，現對產生磁場的地鐵列車電纜進行分析。根據電纜不同的電壓和電流情況，可將地鐵列車車輛電纜分類如下：

1）DC 110V電纜：主要為列車電子設備電源線、輸入輸出信號線等。電流較大的母線位于車體底架下，一般從輔助變流器輸出，經車體底架線槽的二位端穿線孔進入二位端電器柜內部，再分別接入各用電設備。底架下的電纜距離地板面約20cm。

2）DC 1 500V電纜：主要為列車高壓供電母線等，位于車頂和底架，距離客室區域約50cm。

3）AC 380V、AC 220V電纜：主要為空調和空壓機供電的三相電及正常照明的供電等。其從車下的輔助變流器輸出，沿底架中部到每輛車的二位端，然后經過穿線孔進入空調柜和二位端電氣柜，距離客室區域約30cm；

4）低于110V的低壓小信號線：如傳感器線、網絡線、音頻視頻線等，主要位于客室電器柜內部。

在地鐵列車中，以上電纜的防護方式主要是鋁合金線槽。由于鋁合金線槽導磁率低，對磁場的屏蔽效果不佳，故本文在仿真過程中考慮了最惡劣的條件，未添加防護材料。本文重點分析前3類電纜，第4類電纜由于電流極小，不會對外部產生較大磁場，故不作為研究重點。

2 地鐵列車各類電纜的磁場分析

2.1 DC 110V供電電纜

單根DC 110V電源母線，按最大功率約為25 kW計算，其通過的最大電流為227.27A。以此作為輸入，對此電纜進行了仿真計算，結果如圖1所示。2根電流方向相反的DC 110V電纜的仿真結果如圖2所示。

對于單根電纜，磁感應強度呈現規則分布，按比奧沙法爾定理可得銅心內、外部磁感應強度

式中：

圖1 單根電纜周圍產生磁場的仿真結果

圖2 2根電流方向相反的DC 110V電纜周圍產生磁場的仿真結果

μ0——真空磁導率；

ρ——距離銅心中心的距離；

Iρ——ρ處的電流強度；

I——電纜的電流強度；

R——銅心的半徑。

銅心內部，磁感應強度隨ρ的增大呈線性遞增，在銅心表層達到最大值，符合通電導線的趨膚效應；銅心外部隨著距離ρ的增大，磁感應強度呈現雙曲線特性遞減。

從圖1、圖2仿真結果可以看出，單根電纜周圍磁通密度1mT的等勢線在距離電纜中心18cm處；而如果將供電和回流線并排布置，2根電流相反的電纜周圍產生磁通密度1mT的等勢線在距離電纜中心7cm處，即2根電流方向相反的電纜周圍產生的磁場遠遠小于單根電纜產生的磁場，原因是這2根供電電纜，電流大小相等，方向相反，產生磁場的合成磁感應強度相互抵消。

因此，在進行列車DC 110V母線布線時，正負電纜應捆扎在一起。由以上分析可知：布線時將DC 110V母線正負線布線時走同一個線槽并列布置，當線槽距離地板面超過7cm左右即可保證車內磁場達標；列車上其他的DC 110V信號線電流較小，產生的磁場也較小，這些電纜不會對車體內部磁場產生較大影響。因此，確保DC 110V母線同線槽并列布置是減少對磁場分布影響的關鍵。

2.2 AC 380V列車母線電纜

根據某地鐵項目的列車參數，AC 380V列車母線線束為3根截面積為50mm2的三相交流列車母線。其最惡劣的負載工作情況即為所有的輔助設備（空調、壓縮機、風機等）都同時正常工作。另外，在夏季情況下，AC 380V負載容量最大，全車負載總容量為196.25kVA，故最大負載情況下的電流最大值I為82.18A。由于是三相交流供電，各相電流相位相差為120°，所以只分析其中U相即可。現取U相電流為最小和最大值時進行仿真分析。圖3、圖4是AC 380V電纜的磁場仿真結果。

從圖3、圖4的仿真結果可以看出，三相交流380V供電母線滿足交變磁場要求的區域為距離線束中心35cm外的空間。

圖3 AC 380V列車母線周圍磁場的仿真結果（U相電流為零）

圖4 AC 380V列車母線周圍磁場的仿真結果（U相電流為最大值）

因此，只要三相電纜走線相互靠近，尤其是確保三角形布置，這些電纜就不會對車體內部磁場產生較大的影響。

2.3 DC 1500V電纜

列車整車通過受電弓從接觸網取電，接觸網和軌道分別為DC 1 500V的正線和DC 1 500V的回流線，由于電流較大，并且兩者無法捆扎在一起，故磁場無法抵消。因此，地鐵列車DC 1 500V電纜是磁場分析的重點。

以某項目高壓電纜設計參數為例，DC 1 500V列車母線線束在牽引工況下，最大通過總電流為1 706A，單根電纜最大通過電流為426.5A。其仿真結果如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6仿真結果可得出：在牽引工況下，受電弓到熔斷器箱的4根電纜能滿足要求的空間范圍為距電纜線束中心30cm以外的空間。

再生制動工況下，最大通過總電流為1 653.9 A，單根電纜最大通過電流為413.5A。其仿真結果如圖7所示。

從圖7仿真結果可得出：在制動工況下，受電弓到熔斷器箱的4根電纜能滿足要求的空間范圍為距電纜線束中心30cm以外的空間。

用同樣的方法，可以得出以下仿真結果：

1）熔斷器箱到車底DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心40cm以外的空間；

2）熔斷器箱到有受電弓的動車高壓箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心20 cm以外的空間；

圖5 DC 1 500V電纜模型及磁通密度1mT的磁場等勢面分布圖

圖6 車頂受電弓到熔斷器的DC 1 500V供電母線周圍磁場的仿真結果（牽引工況下）

圖7 車頂受電弓到熔斷器的DC 1 500V供電母線周圍磁場的仿真結果（制動工況下）

3）熔斷器箱到無受電弓的動車高壓箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心18cm以外的空間；

4）高壓箱到牽引變流器箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心15cm以外的空間；

5）高壓箱到輔助變流器箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心1.1cm以外的空間；

6）牽引變流器到制動電阻箱DC 1 500V電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心18cm以外的空間；

7）牽引變流器到電機電纜的磁場安全距離為離電纜線束中心6.5cm以外的空間。

3 地鐵列車電纜布線磁場控制設計要點

1）對于DC 110V電纜：在進行電纜布線時，供電電纜應捆扎在一起布置，不要分開。這樣，2根電纜產生的磁場方向相反，可以抵消對外部產生的磁場。

2）對于AC 380V、AC 220V電纜：在進行電纜布線時，應捆扎成一束布置，對于三相電纜捆扎的截面最好為等邊三角形，這樣可以最大限度地抵消對外部產生的磁場。

3）對于車上的DC 1 500V電纜：①由于進線從受電弓處取電，無法和負線布置在一起，可以根據計算結果，將電纜固定在合適的位置。低頻磁場主要由電氣設備中的導體電流在其周邊感應而成，其強度隨著與磁場源的距離增加而迅速衰減［2］。應合理布置，使電纜產生的磁通密度為1mT磁場的等勢面不能侵入車廂內部。②若因空間所限，無法保證磁通密度為1mT的磁場不侵入車廂內，可以采用屏蔽的辦法。具體可采用在電纜外部套上導磁率較高的屏蔽管，以確保強磁場無法侵入車廂。

4）對于車下的DC 1 500V電纜：由于DC 1 500V直接用電設備（如牽引變流器和輔助變流器）都在車下，使車下不僅有DC 1 500V進線，也有DC 1 500V的回流線。可以采用上述①、②條的辦法，將正負線捆扎在一起，布置在一束線槽中，以最大限度地抵消對外產生的磁場。

4 結語

對于DC 1 500V受電弓供電的地鐵車輛，其列車磁場相對較惡劣的區域為從受電弓到變流器之間的區域。

針對不同電纜，可用比奧沙法爾定理計算或采用仿真的辦法計算出電纜周圍安全區范圍，可參照計算結果，采用合適的布線工藝方法進行施工設計，使列車磁場滿足要求。

此外，還必須對列車磁場進行現場測試，以保證列車磁通密度滿足小于1mT（直流）或0.1mT（交流）的要求，確保乘客的人身安全。

［1］EN 45502－2－1—2004有源性可植入醫療設備 第2－1部分：針對用于治療心律遲緩的有源性可植入醫療設備（心臟起搏器）的詳細要求［S］.

［2］李邦協.電場、磁場和電磁場［J］.電動工具，2008（1）：11.