電氣化列車車體內工頻磁場環境測試分析與建模

朱 峰， 劉光輝， 葉家全， 杜 輝

(1.西南交通大學電氣工程學院，四川成都 610031;2.中國民航局第二研究所，四川成都 610041)

國民經濟的發展推動電氣化列車向高速和重載方向發展，隨著列車通過受電弓從接觸網取流的電流越來越大，車體內輻射的工頻磁場也逐漸增大.車體內電磁環境的安全、可靠問題引起人們的高度重視.我國鐵路的電磁環境標準，以IEC[1]系列標準為基礎，于2009年正式頒布，命名為GB/T 24338—2009《軌道交通電磁兼容》.盡管標準第二部分規定了整個軌道系統的對外發射的限值，但其定義的頻率范圍為9～1×106kHz，測試地點距導軌中心線10 m處測量軌道系統的對外發射(十米法測試)，對車內工頻磁場幅值并沒給出具體限值，僅在第二部分附錄C中提及距鋼軌10 m遠，軌平面1 m高處的參考最大值(16.00 μT).由于車體的屏蔽效應，弓網離線電弧引發的工頻磁場大部分只能從窗口透入，文獻[2-4]雖然對透入的工頻磁場進行了一些測試分析，但其機理與特性仍有待進一步研究.本文以高速列車 CRH3(G522/G555)、動車CRH1(D5102/D5108)以及普通列車(K678/K722)為研究對象，通過現場實測獲取了車體內窗口透入方向工頻磁場數據，結合電氣化車體結構及供電特點，綜合考慮窗口材料尺寸，對窗口感應工頻磁場進行了分析，其計算結果與實測結果基本吻合.

1 測試實施

1.1 測試設備與線路

測試采用磁場測試儀型號為TES-1393，頻率范圍30 ～2 000 Hz，測試精度0.01 ～199.90 μT.測試具體時間、車型、車次如表1所示.

表1 測試線路及車況Tab.1 Test routes and train types

1.2 測試方法與測點選取

為適應高速動車組對供電能力的需求，中國高速鐵路多為全并聯自耦變壓器供電方式(autotransformer，AT)[5].高速鐵路動車組運行速度高，牽引功率大，G522的額定牽引功率為19 200 kW(16編組，車型為CRH380A)，G555的額定牽引功率為 9 600 kW(8編組，車型為CRH380A).D5102、D5108的額定牽引功率均為8 800 kW[6](8 編組，車型為 CHR3).根據文獻[7-10]可知，普通電氣化列車的供電方式是帶回流線的直接供電.普快K678、K722的額定牽引功率為4 800 kW(車型為SS9).結合電氣化列車供電方式，綜合考察車體內磁場的分布特性，對車窗附近工頻磁場采取單點連續測試和多點分布測試兩種方式進行測試，測試點選取如圖1所示，圖中:

圖1 測試點選取示意Fig.1 Selection of test points

單點連續測試為固定一個測試點，展開較長時間測試(1 h以上)，如圖1中點②所示，以便觀察窗口透入工頻磁場總體變化情況.

在車窗法線方向分布多個位置進行測試，每個測試點持續時間不超過10 min，如圖點①～⑤所示，以便觀察窗口透入的工頻磁場沿透入方向的變化.

2 測試結果分析

2.1 單點連續測試結果分析

表2為單點(點②)連續測試磁場幅度概率分布統計列表.

表2 幅度概率分布Tab.2 Amplitude probability distribution

由圖1及表2可以看出，車體內磁場具有以下特點:

(1)磁場波動幅度較大，無論是高速列車、動車還是普通列車運行時，車窗附近點②磁感應強度大多介于 0.20 ～2.00 μT，最大可達 37.00 μT.隨著列車速度等級的提高，小于0.20 μT的概率總體減小，而大于20.00 μT的概率顯著加大，說明列車牽引電流越大工頻磁場越大.

磁感應強度在 0.10 ～0.40 μT 范圍，一般在停車時出現，數值與普通辦公場所磁場環境相當.此時，盡管無動力電流，但車內照明、空調等輔助供電系統還在運行，故周圍仍然產生磁場;同時也可以認為列車沒有輸出動力，例如過分相前后或下坡時.

停車時，車內磁場有時磁感應強度也能達到1.00 ～8.00 μT，因為其鄰線接觸網可能有車通過.考慮理想情況，假設接觸線無限長，鄰近線路接觸網與本車測試點的水平及垂直距離均為5 m，正常運行牽引電流為260 A[11]，則此牽引電流的磁場貢獻為

式中:

μ0為真空磁導率;

I為牽引電流;

R為接觸線到測試點的距離.

正常運行時，接觸線上能夠產生的一般磁場為

考慮爬坡負載加大，特別是當附近接觸網上有電流時，該數值會更大，理想情況能夠超過20.00 μT.但由于磁場疊加存在相位差異，大于20.00 μT的情況很少發生.磁場由接觸線耦合進入車廂內，由于窗口的“阻礙”作用，透入的要小一些.

(2)磁場顯示變化較快，磁場測試儀采樣顯示時間小于0.5 s，從測試結果來看，磁場在較低水平內小幅變化，但也會突然增強，如從0.215 μT跳變到20.00 μT，一般情況下，磁場可能在10 s左右會有很大的變化，很少發現十多分鐘一直保持同一數量級的情況.對空間磁場這一現象，可以從以下方面解釋:

第一，根據小范圍波動的機理，由于接觸網與受電弓是滑觸受流的，這種機械接觸存在擾動且受流面積也在不斷變化，其中接觸擾動可能會引起接觸網部件松動或斷線脫落，甚至還存在離線拉弧等，都會使得接觸阻抗在一定范圍隨機變化[12-13]，導致空間瞬態電流在一定程度變化，弓網受流的這一特性可以解釋磁場測試儀讀數在一段時間內于均值10%范圍內波動的原因;

第二，地形的起伏使得負載輸出發生變化[14-15]，加之鄰線磁場的疊加，使磁場有劇烈變化，所以磁場測試儀讀數大幅的跳變.

2.2 多點分布測試結果分析

實測中，點①幅值最大，點②小于點①1～3倍，點③較點②、點①總體趨小，點④由于靠近對面窗較點③幅值大，說明測得的工頻磁場確實來自接觸網并由窗口透入.

車窗中心點⑤較窗口邊沿點①也約相差1～2倍，容易得出，車窗周邊存在感應電流.接觸網的磁場發射與車窗電流分布如圖2所示.

圖2 接觸網的磁場發射與車窗電流分布Fig.2 Catenary magnetic field emission and window induction current distribution

由于電氣化列車的整個車體是金屬合金材料(如鋁合金)鑄造，當有變化的磁鏈穿過窗口時，將在周圍導體上產生閉合電流環，感應電流只在窗口表面流動;鋁合金具有很高的電導率，僅次于黃銅，其集膚效應不能忽略.

綜合以上兩點，取鋁合金的電導率為2.32×107S/m，磁導率為 μ0.計算得到集膚深度約為1.5 cm.電氣化列車車體是雙層結構，單層厚度0.6 cm，窗口玻璃長80 cm，寬55 cm.

將車窗等效為連續作用的電流線，其等效電阻

式中:ρ為電阻率;

l為電阻長度;

d為車體厚度;

δ為集膚深度，因鋁合金型材為兩層，相當于并聯，故而式(3)中要乘以系數1/2.

窗口邊沿等效感應電流為

式中:S為窗口面積.

根據I'可得窗口中心點(點⑤)處的磁感應強度為

窗口邊沿(點①)位置距等效電流線的距離為5 cm，下框電流線在點①處所產生磁感應強度

其它三邊感應電流貢獻為0.135B2，背景場以0.20 μT 記，可得

由式(7)可見，車窗中心點⑤較窗口邊沿點①相差5.528 μT，與實際測試結果較好吻合.需要注意:感應電流產生的磁場阻礙磁通變化，疊加效果為增強或抵消，考慮最大干擾情況，應使疊加磁場幅值符號均取正.

2.3 實測比對試驗

實驗在西南交通大學國家軌道交通電氣化與自動化工程技術研究中心電磁兼容研究室進行.用變壓器+線圈模擬受電弓與接觸網產生的工頻磁場，用1∶10的縮比模擬實際列車車廂，通過放到縮比列車車廂內的磁場測試儀(TES-1393)測試磁感應強度.線圈中心距離點②水平距離為100 cm，垂直距離為58 cm.具體測試布置如圖3所示.

圖3 實測布置圖Fig.3 Layout of test

圖3中:①表示距離側車車窗下邊沿1 cm處的測試點;

②表示車窗中間的測試點.

當線圈中通過的電流為5 A時，磁場測試儀的測試數據見表3.

由表3可知，測試點①磁感應強度大于測試點②約5.56 ～5.61 μT，比文中提及的要稍大，這是由于實驗室內有其他工頻設備工作.測試點①和測試點②的測試數據與用文章中所創建的窗口感應模型計算的數據基本吻合，誤差在±5%.

表3 幅度概率分布Tab.3 Amplitude probability distribution

3 結束語

針對高速列車、動車、普通電氣化列車運行狀態下的工頻磁場分布，對石—武高速列車、成—渝動車及常速線路進行了測試，給出了車體內磁場分布特性并對其產生機理進行了分析.根據實際測試數據，隨著速度等級的提高，小于0.20 μT的概率總體減小，大于20.00 μT的概率顯著加大.說明由窗口透入工頻磁場與牽引電流正相關.弓網機械接觸發生波動時以及負載輸出變化時，車內的磁感應強度不會長時間(10 min及其以上)保持同一數量級.根據多點測試的結果分析，結合鐵路電氣化供電及車體構造特點，建立的列車窗口工頻磁場電磁感應模型，模型計算結果與實測數據基本吻合.

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