轨道车辆低频磁场环境研究

 轨道车辆低频磁场环境研究

郝明远1,2

（1. 中车唐山机车车辆有限公司 产品研发中心 唐山市丰润区 厂前路3号  邮编：063035)

摘要：本文研究轨道车辆电磁辐射现象、标准限值及其对人体健康的影响，通过仿真分析和现场测试，揭示在轨道车辆车厢空间的主要辐射为低频磁场辐射，分析其辐射强度分布特征以及车体对低频磁场的屏蔽效果。文章首先介绍了辐射的分类包括电离辐射与非电离辐射以及对人体健康的影响，说明铁路的车辆的辐射为危害小的非电离辐射；其次研究了有车辆辐射相关的国内外标准及限值，并通过仿真计算的方法研究车辆内部电磁场的分布及车体的屏蔽效果；最后通过现场车辆电磁发射的实测数据与仿真计算的结果比较，进一步印证了对车厢内电磁场分布及屏蔽效果的结论。研究结果表明车厢内的电磁场辐射以低频磁场为主，主要的磁场发射来源为接触网电流或第三轨供电电流；铝合金车体可以对50Hz的工频磁场产生有效的防护作用，但是对直流静态磁场没有作用，只能依靠距离衰减达到磁场削弱的目的。

关键词：健康；低频磁场；心脏起搏器；车体；涡流；屏蔽

中图分类号：V221.3文献标识码：A

1引言

近年来，随着国内高速铁路和城市轨道交通的大规模建设，有关轨道车辆电磁辐射与公众健康的话题也屡屡见诸媒体，备受关注。针对非电离辐射与公众健康的相关性，国外做了很多基础性研究，制定了较为完整的标准体系。国内开始研究制定符合中国实际的相关标准。本文主要论述关于车辆低频磁场作用于人体的机理、辐射限值标准的规定；研究轨道车辆低频磁场的分布规律、车体对低频磁场的屏蔽效果等方面内容。

2非电离辐射与人体健康

2.1辐射分类

电离辐射：如X射线、γ射线、中子、α射线、β射线等高能粒子流能够剥离原子外围电子，破坏物质分子结构，可以直接破坏生物体及分子结构引起生物变异和疾病甚至死亡。

非电离辐射：电离作用弱，很难直接破坏物质的分子结构，影响主要体现在引起电流效应和热效应方面。与电离辐射不同，非电离辐射并不能直接破坏生物分子结构。

轨道车辆环境中的低频磁场辐射主要由大功率设备工作电流产生，属于非电离辐射。

2.2低频电磁场辐射对人体的影响

根据《ICNIRP导则》，100kHz以下低频电磁场会对人体产生电流效应，影响有：

神经反应：低频电场曝露下，可以导致志愿者产生生物反应，其程度从轻微感觉到感到烦扰。当频率为50～60Hz时，最敏感的10%志愿者的直接感觉阈值为2kV/m至5kV/m，5%的志愿者在15kV/m至20kV/m时感觉到烦扰。但是，志愿者试验表明低频电磁场对脑活动、识别能力、睡眠和情绪等神经反应的影响的并不显著。

心血管紊乱：短期和长期曝露的实验研究均表明，除了电击是一种明显的健康危害外，在通常可遇的环境或职业曝露水平下，不会发生与低频场有关的有害心血管的影响。

生殖和发育：流行病学研究没有表明人类不良妊娠与母亲或父亲的低频场曝露存在确定性关联。已对多种哺乳动物（包括大群体以及连续几代的曝露）进行了高达150kV/m的低频电场曝露评估；结果一致显示不存在有害的发育影响。哺乳动物曝露于高达20mT 低频磁场条件下，不会导致体表、内脏或者骨骼发育异常。总之，低频电磁场曝露与发育和生殖影响之间关联的证据是不显著的。

癌症：50～60Hz 工频磁场与不同癌症之间的相关性没有得到试验确认。有统计研究表明长期曝露于超过0.3～0.4μT 的工频磁场时，儿童罹患白血病的风险存在增加可能。但是，动物与细胞实验室研究的结果不支持50～60Hz 工频磁场曝露与儿童白血病存在直接的因果关系。在相关性研究中，低频磁场与不同癌症之间的相关性并不显著。

总之，目前的研究和数据并不能确定非电离辐射会给人体健康造成持久和不可逆的伤害。

3低频磁场限值标准

3.1公众暴露限值标准

低频磁场公众暴露限值标准的建立主要依据实验室及流行病学的研究结果，主要目是为防止所有已确定的有害健康的影响提供防护。标准的限值均基于已确定的有关急性效应的证据。

常用的公众暴露限值标准有《ICNIRP导则》和《1999\519\EC欧盟理事会建议》等。见图1：

图1《1999\519\EC》公众暴露低频磁场限值曲线

Fig. 1 《1999\519\EC》The low frequency magnetic field limit for the public

公众暴露限值标准并不涵盖对医疗器械产生的干扰或造成的影响，医疗器械包括金属假肢、心脏起搏器、去纤颤器以及耳蜗植入体。心脏起搏器等医疗器械的防护需参照更为严格的专门标准。

3.2心脏起搏器相关暴露限值标准

根据《EN45502-2-1心脏起博器第2-1部分植有心脏起博器的特殊要求》标准中规定：心脏起博器静态磁场限值为1mT。DIN VDE 0848-4-A3标准规定了的交变磁场限值，如图2曲线所示：

图2 心脏起搏器相关低频磁场限值曲线

Fig. 2 The low frequency magnetic field limit for pacemaker

4车辆工作接地方案的计算分析

进入车厢内的磁场，直流电气化铁道主要是直流磁场，交流电气化铁路主要是工频交变磁场。

磁屏蔽的方法大致可分为使用高电导率材料屏蔽和使用高磁导率材料屏蔽两种方法。在直流驱动的车辆上，为了屏蔽电抗器产生的直流磁场，直接在上面安装磁屏蔽板，例如高磁导率硅钢板（相对磁导率9000左右）。屏蔽交变磁场一般依靠高电导率的车体材料的涡流抵消效应，车体材料的电导率越高，磁屏蔽效果越好。其原理图见图3。

图3优良导体及高磁性体屏蔽原理示意

Fig. 3 The mechanism for the shield of magnetic field

对于国内高速动车组来说，25kV 50Hz的接触线是其主要的磁场源。动车组车体一般为铝合金材料，从屏蔽交变磁场的效果考虑，铝合金的电导率最大，为，比铁的电导率和不锈钢的电导率大一个数量级。在这种情况下，铝合金车体的涡流效应对50Hz的工频磁场磁屏蔽作用最大，很好的保护了车厢内的乘客免受高强度的工磁场辐射影响。而使用DC 1500V或DC 750V制式的城市轨道车辆，从磁屏蔽的角度来说，最好使用高磁导率的金属材质进行车体磁屏蔽

5车体磁屏蔽效果仿真分析

以25kV 50Hz供电制式的动车组为例，通过仿真分析研究低频磁场在车厢内的分布传播规律。

5.1模型建立

将动车组车体进行简化，车体采用铝合金材料，型材厚度2.5mm，车窗采用玻璃材料。

计算使用CST STUDIO电磁仿真软件，采用六面体网格，利用低频时域求解器进行计算。对从交流电气化铁道架空接触网系统进入车体内的交变磁场进行仿真，评估磁屏蔽效果。

模型上电流源的建立主要根据现有的AT馈电方式进行的设置，模型上计算是设定450A 50Hz电流经过接触网，再通过两根钢轨全部返回变电所，接触网距车顶1.3m。依据DIN VDE 0848-4-A3标准,50Hz工频磁场限值为75μT。

图4车辆模型

Fig. 4 Model for car-body

5.2仿真分析

仿真计算显示了磁场在整个车辆内部的分布趋势。

图5车体中部切面低频磁场分布

Fig. 5 The intensity of low magnetic field of middle section in the vehicle

上图5中可以看到车窗、司机室、风挡等位置的磁场强度大于客室内部磁场强度，产生此现象主要是因为车体采用高电导率的铝合金车体，由于涡流效应产生反向磁场，抵消掉部分磁场，产生磁屏蔽作用。而车窗与司机室均为玻璃材质，风挡开逢处为橡胶材质，这些材质对低频磁场无屏蔽效果。

无铝合金车体防护的部位低频磁场的强度明显高于存在铝合金车体防护的部位。客室中部0.9m高度低频磁场强度大约0.16μT左右，风挡中部0.9m高度低频磁场强度大约20μT左右，客室内紧邻车窗处低频磁场强度大约1.3μT左右，司机室司机头部位置低频磁场强度大约9.7μT左右。

图6 车窗中心位置沿车长方向磁场数据

Fig. 6 The intensity of low magnetic field along the middle line of all the windows

图6是车厢内部纵贯车辆、距离车窗1厘米处的磁场强度，从图中可以看出具备铝合金车体防护的部位与车窗、风挡、司机室等开逢位置磁场强度分布的差异。

通过计算分析，风挡处、司机室、车窗处低频磁场强度均明显高于客室内部，但均小于DIN VDE 0848-4-A3标准中规定的工频磁场75μT的限值，并在后续的试验检测中得到了验证。

5.3不同车体材料对交变磁场屏蔽作比较

利用上述的车体模型和同样的25kV 50Hz接触线交变磁场源，变换车体材质分别为不锈钢（绿）、铝合金（红）、铁质（蓝），进行仿真对比。

铝合金的电导率最大为1×10e7～3×10e7S/m，比铁的电导率5×10e6S/m和不锈钢的电导率1×10e6S/m大一个数量级。

图7 车体不同材质屏蔽效果对比

Fig. 7 The comparison for the effect of magnetic shielding of different materials

图7是车厢内部纵贯车辆、距离车窗1厘米处的磁场强度。铝合金车体电导率最大，对交变磁场的屏蔽作用也最大，其次是铁材质。涡抵消流作用对交变磁场屏蔽的效果显著。

5.4车体材料对直流磁场的屏蔽

目前，很多地铁车辆的车体材料也逐渐使用铝合金型材，以满足轻量化的需求。由于金属铝的相对磁导率等于1，铝合金车体对直流供电引起的静态磁场不具备任何屏蔽作用。下图仿真计算中，反应了直流供电接触网流下，铝合金车体几乎毫无屏蔽作用的情况。其中，接触网电流设置为DC 1500V/3000A，接触网距离车体1.3m高。

图8 铝合金车体与直流静态磁场

Fig. 8 The effect of static magnetic shielding for aluminium

图8截面中，距离车厢地板0.9m高度，静态磁场强度约为0.2mT，满足EN45502-2-1中1mT与DIN VDE 0848-4-A3中0.5mT的限值要求。铝合金车体情况下，直流磁场主要依靠距离衰减。

与金属铝不同，金属铁属于高磁导率材料（相对磁导率设置为400），一定厚度的金属铁能有效的屏蔽直流静态磁场，仿真计算中车体厚度取2.5mm。

图9铁磁质车体与直流静态磁场

Fig. 9 The effect of static magnetic shielding for ferrum(iron)

图9截面中，距离车厢地板0.9m高度，静态磁场强度约为0.04mT，远小于EN45502-2-1中1mT与DIN VDE 0848-4-A3中0.5mT的限值要求。

总之，无论采用铝合金车体还是高磁导率材料车体，在现有供电功率等级下，只要设计合理、周密计算，均可以有效的控制车厢内直流静态磁场的影响。

6车厢内低频磁场辐射测试试验

如前所述，在车厢内，主要辐射频率范围为0～20kHz，在此频率范围，低频磁场起主导地位。

6.1测试仪器

表1 低频电磁场分析仪

Tab.1 Analyser for low frequency magnetic field test

6.2测试方法

依据标准EN 50500，测量条件为车辆静止和运动状态。在旅客最有可能接近的发射源，如变压器、主变流器、电抗器和辅助变流器等位置上方进行测量，测量高度为距地板0.3 m、0.9 m和1.5 m，距墙体水平距离为0.3m或旅客可能到达的最小距离。

图10 测试高度示意

Fig. 10 The height for inner magnetic field test

6.3某25kV 50Hz供电动车组低频磁场测试数据

受电停靠与牵引运行工况下，车厢内部典型位置的典型测试数据（平均值）：

表2 主变压器上方测试结果

Tab.2 Test result inner the vehicle (on the top of transformer)

表3 司机室座位处测试结果

Tab.3 Test result inner the vehicle (cab seat)

表4 靠车窗乘客座位处测试结果

Tab.4Test result inner the vehicle (passenger window)

表5 车厢连接处（风挡）测试结果

Tab.5 Test result inner the vehicle (upper the coupler)

测试结果满足DIN VDE 0848-4-A3标准，50Hz工频磁场限值为75μT的心脏起搏器及公众暴露标准限值要求。车厢内低频磁场辐射主要以50Hz工频磁场为主，在风挡车间连接处低速运行状态偶尔有时出现300Hz的谐波频率。列车启动加速电流增长过程阶段对数值的影响很大。风挡、车窗、司机室等位置低频磁场辐射强度较其他位置偏大，但也都满足标准限值。测试结果与前述仿真计算的结果在工频磁场分布与强度衰减规律特征方面是一致的。

6.4某DC1500V直流供电地铁低频磁场测试数据

铝合金车体，受电停靠与牵引运行工况下，车厢内部典型位置的典型测试数据（平均值）：

表6 VVVF逆变器上方测试结果

Tab. 6Test result inner the vehicle (upper the converter)

表7 司机室座位处测试结果

Tab.7 Test result inner the vehicle (cab seat)

表8制动电阻上方测试结果 

Tab. 8 Test result inner the vehicle (upper the brake resistor)

表9 车厢连接处（风挡）测试结果

Tab.9 Test result inner the vehicle (upper the coupler)

车厢内低频磁场辐射主要直流磁场为主，测试满足心脏起搏器及公众暴露的静态磁场限值标准0.5mT的限值。测试结果与前述仿真计算的结果在静态磁场分布与强度衰减规律特征方面基本一致。

6.5测试结果比较分析

电动车组供电制式为25kV 50Hz，测试中磁场在车厢内分布较为均匀，从而印证车厢内磁场辐射源为接触网电流工频磁场的判断。风挡、车窗、司机室前窗等位置低频磁场辐射强度较其他位置偏大，但小于心脏起搏器及公众暴露标准限值。

地铁供电制式DC 1500V，磁场在车厢内均匀分布，主要的磁场辐射源为接触网线或第三轨电流，车厢内低频磁场辐射主要为直流静态磁场辐射，辐射强度小于心脏起搏器及公众暴露标准限值。

试验测试的结果印证了先前仿真计算的结论。

7总结

测试结果显示了低频磁场辐射在车厢内的分布规律，仿真分析揭示了低频磁场在车厢内的传播规律和分布特征。仿真计算显示高电导率的铝合金车体的涡流效应，对50Hz工频磁场具备良好的屏蔽效果，而高磁导率的铁质的车体，对直流磁场辐射具备一定的屏蔽作用，测试数印证了仿真计算的结论。对于直流供电的地铁车辆而言，即使采用的虽然铝合金车体，也不是一定会引起辐射超限，因为磁场的依距离自然衰减很快。

风挡处、司机室、车窗等开逢位置的工频磁场较大，需要引起注意。

需要指出的是，非电离辐射与公众健康的相关性影响并不明确。因此，在重视公众健康，加强理论研究的同时，对轨道车辆电磁辐射应该具有更加理性的认识。

参考文献:

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[5]1999\519\EC欧盟理事会建议 有关公众曝露于电磁场的限值[s]．

[6]欧洲标准.铁路环境中电子和电气设备产生的与人体暴露有关的磁场水平的测量程序：EN 50500-2008 [s]．