無線傳能機車人體電磁環境安全研究

楊 威 徐英雷 王晨曲 林飛宏 董 亮

（西南交通大學電氣工程學院 成都 610031）

0 引言

隨著我國在鐵路機車領域的蓬勃發展，機車的種類也在不斷豐富。在城市軌道交通方面除了有傳統的架空接觸網供電有軌電車之外，為了解決有軌電車與城市景觀之間存在的沖突[1]，近年來無接觸網供電的城市軌道車輛的研究逐漸火熱。得益于擺脫接觸網對車輛的限制，無接觸網供電機車[2]可以在更加復雜的環境中正常行駛，我國某機車廠研發了新型無線供電制式城軌列車，打破了發達國家對軌道交通車輛無線供電制式的技術壟斷。無接觸供電系統采用的是一種非接觸供電的方式，利用兩個或多個沒有電氣連接的線圈發生磁耦合，實現電能的無線傳輸[2-3]，因為沒有接觸產生的摩擦，所以不產生磨損；同時它可以不受任何天氣和地面條件的影響，即便是處于惡劣的環境下也可以正常行駛。

伴隨著無線傳能機車的投入使用，其無線傳能[4-8]系統的電磁環境對乘客和列車工作人員的健康影響逐漸引起了公眾的重點關注。目前對無線傳能系統電磁仿真[9]較多，對電磁環境仿真較少。有研究表明，低頻電場暴露會引起人體反應，其主觀感受從有感覺到痛苦，同時引起中樞神經和周圍神經組織刺激以及視網膜光幻視，產生一種暈眩的感覺；大量流行病學研究報告顯示，癌癥以及糖尿病并發癥等可能與長期暴露于低于ICNIRP 人體暴露限值的低頻磁場中有關系[10-11]。目前大量研究關注人類暴露于高頻電磁環境的研究，例如手機天線[12-14]，對kHz 頻段關注相對較少；Yuan Qiaowei等[15]使用簡化模型評估了附近人員對無線電力系統傳輸效率的影響，但沒有對人體電磁暴露進行評估，文獻[16-17]研究了電動汽車無線充電系統對人體器官、體內植入器件的電磁環境安全，但沒有實際測試來驗證仿真的正確性。

對于無線傳能機車使用的多個100kW 等級的電磁耦合機構供電來說，磁場的泄露[18]可能會對車上人員的健康產生影響[19]。由于人體暴露于低頻磁場中時，體表會產生感應電荷，通過電磁感應作用，在人體內也會產生感應電場和感應磁場，為了降低電磁場對人體傷害，歐盟各成員國采用國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）電磁暴露導則，對職業暴露和公眾暴露在1Hz～100MHz 分別給出限值[20]，來保護人體免受電磁場傷害。

本文完成了無線傳能車內部電磁環境評估，對 于我國電磁相關標準的制定有一定的參考價值。在工作頻率為50kHz 頻率的仿真系統中，建立了無接觸網供電車輛的三維電磁場仿真模型，并建立了包含主要器官和組織的人體仿真模型，來模擬司機和乘客處于車內各位置下人體內部各器官吸收電磁能量的情況，并將仿真結果與ICNIRP 導則中相應的限值對比，評估人在車內的安全性，最后實際測量車內真實情況并與仿真結果對比，驗證了仿真結果的正確性。

1 原理分析

無線傳能機車電能傳輸系統的核心部分包括原邊設備、副邊設備、高頻大功率逆變電源以及負載。圖1 是無線電能傳輸系統的場路結構示意圖，Us為高頻逆變電源；RL為接收側負載電阻；Ω、Ω1和Ω2分別為空氣、線圈和屏蔽材料所在域；σ、σ1、和σ2分別為空氣、線圈和屏蔽材料電導率。系統通過諧振電容將發射線圈和接收線圈匹配到相同的諧振頻率，逆變電路產生高頻交流電，基于高頻電磁場近場耦合原理，接收線圈感應出感應電壓和感應電流，并在兩線圈之間的空氣氣隙發生磁場耦合，接收線圈產生的電流通過整流濾波裝置給負載供電，實現無線電能的傳輸。

圖1 無線電能傳輸系統場路結構示意圖 Fig.1 Schematic diagram of field circuit structure of wireless power transmission system

本文中屏蔽板為電屏蔽時選用良導體鋁，電導率不為0；屏蔽板為磁屏蔽時選用鐵氧體，因其電導率遠低于導體，可忽略電導率對磁場的影響。又因為此耦合線圈的工作區域滿足磁準靜態場條件，忽略位移電流密度項，根據麥克斯韋方程，系統在工作狀態下滿足的關系式為

式中，H、H1和H2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中磁場強度矢量；E、E1和E2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中電場強度矢量；B、B1和B2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中磁感應強度矢量；n、n1和n2分別為空氣中、線圈中和屏蔽材料中矢量法向。

2 仿真模型

2.1 無線傳能機車供電系統模型

仿真模型由機車車身部分和無線傳能裝置兩部分組成。車體部分使用軟件繪制精確機車三維模型并導入有限元仿真軟件，車體部分由4 節車廂組成，長約為37m、寬2.8m、高2.7m，附著在車體上有6組接收裝置，位置處于機車底部。其仿真模型如圖2 所示。

圖2 無線傳能機車仿真模型 Fig.2 Simulation model of wireless power transmission locomotive

整車仿真的參數設置為各能量傳輸裝置工作在額定工況下，其中無線傳能機構由地面發射線圈和車載接收線圈組成，線圈外形為雙矩形（DD）。

傳能系統模型參數見表1。地面發射線圈通過地面供給的750V 直流電經過高頻逆變電路將直流電變為50kHz 的交流電向發射線圈提供能量，隨后通過補償電路使得發射端處于諧振狀態，再經過發射線圈和接收線圈耦合實現能量的傳遞[21]，同時在 接收線圈上方有一塊鐵氧體磁心。其工作原理如圖3 所示。

2.2 人體模型的建立

根據仿真的需要，使用兩個人體模型，其中一個為身高176cm，體重69kg 的38 歲男性來充當司機和乘客A、B。另外還使用了一個身高為115cm，體重21.7kg 的7 歲女孩作為小孩。由于導入的人體模型已經足夠精細化，采用的是高分辨率掃描模型（0.85mm×0.85mm×0.8mm），人體組織介電參數的計算，國際上普遍采用4 階Cole-Cole 模型計算人體組織的介電參數為

式中，ε∞為光譜處相對介電常數；n為德拜色散次數；Δεn為相對介電常數增量；τn為中心弛豫時間（s）；an為弛豫分布時間，取值為0≤α≤1；ε0為真空介電常數（F/m）；ω為角頻率（rad/s）；σi為離子電導率（S/m）。

故在原有基礎上只需要選擇大腦、心臟、腎臟、胃部等器官作為重點觀察對象，主要器官在50kHz工作頻率時的電磁參數見表2[22-23]。

表2 人體主要組織電磁參數（50kHz）Tab.2 Electromagnetic parameters of the main tissues of the human body(50kHz)

3 仿真結果分析

3.1 整車電磁場仿真分析

在沒有加入人體模型時對整車模型進行仿真，圖4 為車廂內部磁場強度和電場強度分布圖。

圖4 車廂內部電場強度分布 Fig.4 Distribution map of electric field intensity inside the carriage

為了使得整車仿真有明確的目的性，并方便對機車進行實際測試與仿真結果的對比，根據GB/T 32577—2016 中說明的機車車輛內公眾區域測量的方法，在車廂中間設立三條分別高30cm、90cm、150cm 的電磁場路徑線，圖5 顯示了通過軟件后處理得到的三條磁場路徑線電磁場強度分布特征，監測線1～3 對應高度分別為30cm、90cm、150cm。

根據整車的仿真結果，由圖5 可以看出車廂內部電場和磁場的分布規律具有一定的相關性，其分布與變化規律相似，均在靠近車廂連接處電磁場強 度增大，在遠離車廂連接處減小并在單節車廂中部達到最小值。從仿真結果可以推測：從車廂連接處漏出的磁場相較于車廂中部更多。

圖5 監測線處磁場強度和電場強度分布圖 Fig.5 Distribution diagram of magnetic field intensity and electric field intensity at the monitoring line

3.2 車內人體電磁場暴露仿真

對于人體置于車內的仿真，將人分為司機、乘客A、乘客B、小孩四類，其中司機位于司機室處于坐姿狀態、乘客A 坐在車廂中部、乘客B 模擬車輛滿載無座情況而站立于車廂連接處、小孩模擬在車廂空間相對較大的車廂連接處站立，人體位于車內位置如圖6 所示。

圖6 人體位于車內位置 Fig.6 The position of the human body inside the carriage

通過仿真計算了位于車內人體的感應電場強度、磁場強度、感應電流密度的分布情況。由于傳能耦合機構在車內會產生低頻的磁場，人體組織的磁導率與空氣相當，故不會對磁場的傳播產生過多影響。但由電磁感應定律可知，車內交變磁場在人體內會產生感應電場和感應電流。為了使仿真更加接近真實情況，將人體的底部放置于與車內地板相距3cm的高度下進行計算，得到了在50kHz 頻率下人體的磁場強度、感應電場強度、感應電流密度的分布分別如圖7～圖9 所示。

圖7 車內人體磁場強度圖 Fig.7 Magnetic field intensity map of the human body inside the carriage

圖8 車內人體感應電場圖 Fig.8 The induced electric field diagram of the human body inside the carriage

圖9 車內人體感應電流密度圖 Fig.9 The induced current density map of the human body inside the carriage

從圖7 車內人體磁場強度圖可以看出乘客B 磁場強度最大，司機的磁場強度最小；從仿真計算的結果得到乘客B 出現磁場強度較大的身體部位為腿腳處，其磁場強度最大達到2.78A/m，最大區域出現在腳部和小腿外側，這與距離車廂連接過道的距離有直接關系；司機的磁場強度最小部位為軀干，其磁場強度為0.183A/m；乘客和司機的磁場強度都較大程度低于ICNIRP 分別規定的公眾限值（21A/m）和職業限值（80A/m）。

根據電磁場理論，變化的電流產生變化的磁場，變化的磁場在人體組織中又會感生出感應電場，從圖 8 車內人體感應電場圖可以看出乘客處于車廂中，身體各部分組織會有不同大小的感應電場強度值；其中司機的感應電場強度相對較小，這與其所在司機室環境結構對電磁場的屏蔽有關；位于車廂中的乘客們產生的感應電場強度相對較大，這與乘客距離車底傳能機構的距離有直接的關系；其中乘客A 頭部感應電場強度較大，最大部位出現在頭皮處，其感應電場強度值為0.55V/m，這一數值遠低于ICNIRP 規定的公眾暴露感應電場強度83V/m 的基本限值。

交變電流所激發出的交變磁場在人體中將感應出電流，當感應電流密度大于一定限值后，人體組織由于吸收電磁場能量而發熱對細胞組織可能會造成刺激或損傷，影響人體健康。從圖9 車內人體感應電流密度圖可以看出，乘客以及司機在身體各組織都產生了不同大小的感應電流，三位乘客的感應電流密度較大的位置基本都在腳部以及小腿的組織。同時兒童頭部組織也產生了較大的感應電流密度值，這與其距離傳能機構的距離以及頭部組織的感應電場強度大小有關。由于乘客B 的腳部更加靠近車廂連接處的傳能裝置，其感應電流密度達到了13.7μA/m2，數值為司機和乘客中的最大，但遠低于ICNIRP 所規定的公眾暴露中樞神經系統基本限值0.25A/m2。

位于車內不同位置，人體的電磁場分布也會變得不同，位于車廂連接處人體磁感應強度相較于其他位置較大，這可能是由于車廂連接處沒有像車廂中部有一塊完整的鋁板作為屏蔽，導致產生了一些漏磁。將仿真結果與國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）中職業暴露與公眾暴露限值作比較，見表3。

表3 車內不同人員計算值與ICNIRP 限值對比 Tab.3 Comparison of the calculated value of different persons inside the carriage and the ICNIRP limit

從表3 可以看出，參照國際非電離輻射防護委員會導則（50kHz）下的電磁場限值，職業與公眾磁場強度最大分別為80A/m、21A/m，電場強度分別為170V/m、83V/m。根據計算得出的結果均小于標準給出的輻射限值，不會對司機和乘客造成傷害。

4 現場測試

為了進一步驗證仿真結果，參考最新發布的GB/T 37130—2018 車輛電磁場相對于人體暴露的測量方法以及國家鐵路局發布的動車組內低頻磁場的測量方法。

采用Narda 的ELT—400 型號的設備，測量的頻率范圍滿足標準中要求的10Hz～400kHz。其交流探頭能同時進行三個正交方向的測量，后經快速傅 里葉變換（Fast Fourier Transformation,FFT）分析可得到磁場的頻譜分布。圖10 為車廂內電磁環境測試現場。

圖10 車內磁場測試 Fig.10 Magnetic field measurement inside the carriage

對車內第2 節車廂中部至第3 節車廂中部均勻取9 個位置進行測量，高度為30cm，圖11 為現場測試的波形，圖12 為現場測試數據與仿真數據圖5a 中監測線1 的對比，可以看到車廂內部真實磁場的分布情況與仿真得出的結果趨勢大致相同，磁場的頻率集中在50kHz 頻率上，車內磁場強度在車廂連接處向車廂中部處逐漸減弱，這可能是由于車輛側邊外殼和底部金屬板的防護作用，磁場相對較弱，而在靠近車廂連接處磁場逐漸增強，這可能是由于 在連接擋板處存在一定的磁場泄漏引起的磁場強度升高。

圖11 現場測試波形 Fig.11 Waveforms measured on site

圖12 仿真與測試數據對比 Fig.12 Comparison of simulation and measurement data

5 結論

本文研究了人體處于無線傳能機車內的電磁暴露情況，通過建立車輛模型、司機室內坐姿人體模型、車廂以及車廂連接處站立成年人和兒童模型，對車內人體磁場強度、電場強度、電流密度進行了仿真分析。仿真結果與ICNIRP 導則給出的人體暴露的限值對比，得到整車工作在額定工作狀態時人體處于車內的環境是安全的結論。最后通過現場測試，測得車內電磁環境真實情況，并與仿真結果相近，驗證了仿真結果的正確性。通過分析和測試可以消除公眾和乘務人員對于無線傳能車內電磁環境的擔憂，也對鐵路領域相關標準的制定有一定的借鑒意義。