磁浮列車電磁輻射仿真與驗證評估技術研究

沈國慶 ，鄭東 ，王彥碧

（武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

引言

磁懸浮列車作為現代軌道交通工具之一，具有快速、便捷、低耗和環保等優點，其應用前景十分廣闊。磁浮列車基于電磁浮原理，通過電磁力實現列車與軌道之間的無接觸地浮和導向，再利用直線電機產生的電磁力牽引列車運行。磁浮列車主要由浮系統，推進系統和導向系統等三大部分組成，主要電力電氣設備包括大功率逆變器、高壓異步直線電機以及大電流電力驅繞組，涵蓋軌道交通通信信號處理、牽引制動和運行控制等關鍵技術。

德國、日本、中國、美國、韓國是世界上目前有磁浮列車試驗或營運路線的國家，表1為典型磁浮列車系統一覽表。

近年來，研究人員主要關注高鐵等軌道交通的運行時速和安全可靠性以及牽引變電裝置的電磁輻射特性。例如，國外學者Baranowski S等人對牽引變電所及其主變壓器從時域等效電路模擬角度完成了電磁干擾、輻射反射等電磁兼容性分析[1,2]。目前，據查證，國內外學者研究更多的也是磁懸浮列車的運行時速、穩定性和安全性，對磁懸浮列車在正常行進過程中對外電磁輻射及其對人員和周邊公共區域環境的影響研究則相對較少。

本文第1部分介紹了我國某型中低速磁浮列車的主要電磁輻射源，并采用多線傳輸線方法MIL完成了數學建模和電磁仿真分析，第2部分給出了磁浮列車電磁輻射測試依據及其對外輻射的電磁環境控制限值，第3部分以我國正在運營中的某典型磁懸浮列車為研究對象，開展了磁懸浮列車運行過程中的電磁輻射環境現場監測，并對測試結果分析和評估。第4部分得出相關結論。

表1 典型磁懸浮列車系統一覽表

1 建模和仿真

我國某型中低速磁浮列車（供電電壓25 kV，最高時速100 km）的主要電磁輻射源來自于單相交流電源系統和大功率AC-DC-AC逆變器、高壓異步直線電機以及大電流電力驅繞組、大功率牽引及控制系統。例如，大功率逆變器產生的強瞬態脈沖干擾可以傳導的形式注入到整個磁浮系統，將對后者功能性能產生較嚴重的安全性影響。上述在軌電力電氣設備的瞬態電流變化量是主要的傳導干擾源，將會形成對供電回路產生二次輻射，并以噪聲電流的形式在整個回路存在。

本文采用多線傳輸線方法對整個磁浮列車進行電磁建模。具體來講，磁浮列車可作為一個集總網絡，其模型是通過沿線布置合適數量的集中電網來獲得。 在頻域中，每個截面可以方便地用鏈參數矩陣來描述，而連續兩個截面之間的互連則用定義每個特定集總網絡的電壓/電流輸入/輸出關系來描述。其多線傳輸線集總網絡數學模型如公式（1）所示[3]：

式中：

Vi,k、Ii,k—第k節輸入電壓和輸入電流；

Vo,k、Io,k—第k節輸出電壓和輸出電流矢量；

lk—距離；—鏈參數矩陣。

該矩陣的第k節集總參數的線性表達式如公式（2）所示：

式中：

Ai,k、Bi,k—輸入電流和輸入電壓矩陣；

Ao,k、Bo,k—輸出電流矩陣和輸出電壓矩陣；—源列矢量。

圖1為采用MTL方法[4]仿真計算的50～110 kHz頻段范圍內，磁浮列車12 m處的輻射磁場仿真圖。由圖1可見，50～110 kHz頻率范圍內，作為輻射源的磁浮列車的輻射磁場在-10～70 dBuA/m范圍內，且磁場分布呈現時域周期性結構變化，頻率越高，磁場分布重復頻率越高，持續時間越短（例如70 kHz,持續時間為20 s左右）。

圖1 磁浮列車輻射磁場仿真分布圖

2 電磁輻射測試依據及電磁環境控制限值

磁浮列車對外電磁輻射測試依據的標準主要是IEC 62236-2-2008Railway Applications—Electromagnetic Compatibility—Part 2: Emission of the Whole Railway System to the Outside World和GB/T 24338.2-2011 《軌道交通電磁兼容第2部分：整個軌道 系統對外界的發射 》以及GB/T 24338.3-2009 《軌道交通電磁兼容第3-1部分：機車車輛 列車和整車》[5-7]。

磁浮列車電磁環境控制限值主要參考IEEEStd-C95.1-2005、IEEE-Std-C95.6-2002、ICNIP-2010以 及GB8702-2014[8-12]。其 中，IEEE-Std-C95.1-2005和IEEE-Std-C95.6-2002IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields對公共區域電磁場最大允許暴露限值如表2所示。國際非電離防護委員會標準ICNIRP-2010Guidelines for limiting exposure to timevarying electric and magnetic fields，詳細規定了1 Hz～100 kHz和100 kHz～300 GHz頻段電場和磁場的暴露限值，如表3所示。GB 8702-2014《電磁環境控制限值》主要關注的是電磁輻射環境對公共區域人體和周邊環境的積累效應，相關限值如表4所示。

表2 IEEE C95.1-2005和IEEE C95.6-2002公共區域電磁場最大允許暴露限值

表3 ICNIRP-2010公共區域暴露限值

表4 GB 8702-2014公共暴露限值

3 磁浮列車電磁輻射測試驗證及評估

3.1 測試內容和監測方法

如圖2所示，首先利用傳感器法測試無磁浮列車經過時的電場和磁場，然后利用傳感器法測試有磁浮列車經過時的電場和磁場。在傳感器法測試的基礎上，再利用天線法測試無磁浮列車經過時的背景電場，最后利用天線法測試有磁浮列車經過時的脈沖電場。傳感器法主要是測試場強的大致量級和保護測試接收機不致輸入過大而燒毀，天線法主要測試場強的準確數值。圖中測試距離d選為距離磁浮列車車體5 m、10 m和20 m。

無車經過時測試的電磁環境定義為本底電磁環境電平，有車經過時測試的電磁環境定義為實測電磁環境電平。現場測試場景如圖3所示。

圖2 磁浮列車電磁輻射場測試方法示意圖

圖3 磁浮列車電磁輻射場現場測試場景

3.2 測試結果分析

3.2.1 低速行進狀態

圖4(a)所示為磁浮列車低速進出站監測的磁場均方根值隨頻率及距離變化曲線。由圖可見，在1 Hz～100 kHz頻段內，無磁浮列車經過時，5 m、10 m、20 m處的磁場電磁環境即本底磁場電磁環境均在0.011 2 A/m即11.2 mA/m以下。有車經過時，距離列車5m處的實測磁場均在0.088 A/m即88 mA/m以下；距離列車10 m米處的實測磁場均在0.046 A/m即46 mA/m以下；距離列車20 m處的實測磁場均在0.036 A/m即36 mA/m以下。另外，在10 kHz以內，磁場隨著距離的增加而明顯減小；在10 ～100 kHz之間時，10 m處的實測綜合磁場已與本底環境電平趨于重合。

圖4(b)所示為磁浮列車低速行進狀態下監測的電場隨頻率及距離變化曲線。由圖可見，9 kHz～18 GHz頻段內，5 m、10 m、20 m處的本底環境電場在20～103.4 dBuV/m之間，30 MHz～1 GHz頻段內，實測電場值隨著頻率的增加而振蕩增加，說明該頻段內，磁浮列車的用頻設備較多，頻譜特征明顯，27.096 MHz為磁浮列車典型頻譜特征頻點，該頻點處實測脈沖電場值比本底高34.2～46.6 dB，此外39 MHz、135 MHz、159 MHz、470.47 MHz均為典型頻譜特征頻點，各頻點實測脈沖電場值比本底高19～57.1 dB。1～18 GHz頻段內，5 m、10 m、20 m處的實測脈沖電場基本重合。

圖4 磁浮列車低速行進狀態下實測磁場及電場隨頻率及距離變化關系曲線

圖5 磁浮高速行進狀態下實測磁場及電場隨頻率及距離變化關系曲線

3.2.3 磁浮列車典型頻譜（見圖6）

3.2.2 高速行進狀態

由圖5(a)可見，在1 Hz～100 kHz頻段內，無磁浮列車經過時，5 m、10 m、20 m處的綜合磁場電磁環境均在0.021 6 A/m即21.6 mA/m以下。有車經過時，距離列車5 m處的實測綜合磁場均在10.08 mA/m以下；距離列車10 m米處的實測綜合磁場均在14.8 mA/m以下；距離列車20 m處的實測綜合磁場均在30.56 mA/m以下。

圖5(b)可見，9 kHz～18 GHz頻段內，5 m、10 m、20 m處的本底脈沖電場在12.6～92.9 dBuV/m之間，27 MHz～1 GHz頻段內，實測脈沖電場值隨著頻率的增加而振蕩增加，說明該頻段內，磁浮列車的用頻設備較多，頻譜特征較明顯；27.096 MHz和81.53 MHz為磁浮列車典型頻譜特征頻點，該兩頻點處實測脈沖電場值分別比本底高39.9～55.7 dB以及22.5～33.3 dB；此外433.6 MHz、470.47 MHz均為典型頻譜特征頻點，各頻點實測脈沖電場值比本底高22.5～52.8 dB。1～18 GHz頻段內，5 m、10 m、20 m處的實測脈沖電場基本重合。

通過對磁浮列車在低速和高速狀態下的實測結果及其典型頻譜，可以獲知：

1）在1 Hz～100 kHz頻段內，磁浮列車綜合磁場實測值在10 m距離處與無車經過時本底電磁環境基本接近或在同一數量級，且均小于90 mA/m。

2）在9 kHz～18 GHz頻段內，中低速磁浮列車脈沖電場實測值在10 m距離處與無車經過時本底電磁環境基本接近趨于重合，且均小于110 dBuV/m。

圖6 磁浮列車典型頻譜特征

圖7 磁浮列車對外電磁輻射場與相關標準限值對比曲線

3.3 綜合評估

圖7為磁浮列車在不同距離處對外輻射的電磁場量值與IEEE C95.1/C95.6，ICNIRP-2010以及GB 8702-2014對應頻段限值的對比曲線。由圖可見，磁浮列車對外電磁輻射量值遠低于相關標準限值要求，具有約30 dB電磁安全裕量，對周邊環境和人員的影響極小。

另一方面,參考表2至表4中的限值結合實測數據，磁懸浮列車電磁環境可按照如下數學模型即公式（3）至公式（5）進行評估。由數學模型計算可得，磁懸浮列車電磁環境滿足相關標準限值要求。

4 結論

本文采用多線傳輸線MTL方法，對磁浮列車電磁輻射場進行了電磁建模與仿真分析，并基于IEC/IEEE和ICNIP標準，現場測試驗證了其在不同運行狀態下的電磁輻射場，開展電磁環境評估工作。研究表明：50～110 kHz,磁浮列車12 m處的輻射磁場呈周期性結構分布，仿真的最大值為69.4 dBuA/m；1 Hz～120 kHz頻段內，磁浮列車的輻射磁場小于90 mA/m（10～120 kHz時，實際測試61～69 dBuA/m）；在9 kHz～18 GHz頻段內，磁浮列車的輻射電場均小于110 dBuV/m（0.316 V/m），磁浮列車對外電磁輻射量值比相關國際標準限值至少低30 dB，對周邊環境和居民區的電磁輻射安全基本無影響。