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隨著我國在鐵路機車領(lǐng)域的蓬勃發(fā)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(tǒng)的架空接觸網(wǎng)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，近年來無接觸網(wǎng)供電的城市軌道車輛的研究逐漸火熱。得益于擺脫接觸網(wǎng)對車輛的限制，無接觸網(wǎng)供電機車可以在更加復(fù)雜的環(huán)境中正常行駛，我國某機車廠研發(fā)了新型無線供電制式城軌列車，打破了發(fā)達國家對軌道交通車輛無線供電制式的技術(shù)壟斷。

無接觸供電系統(tǒng)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(fā)生磁耦合，實現(xiàn)電能的無線傳輸，因為沒有接觸產(chǎn)生的摩擦，所以不產(chǎn)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(huán)境下也可以正常行駛。

伴隨著無線傳能機車的投入使用，其無線傳能系統(tǒng)的電磁環(huán)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(guān)注。目前對無線傳能系統(tǒng)電磁仿真較多，對電磁環(huán)境仿真較少。

有研究表明，低頻電場暴露會引起人體反應(yīng)，其主觀感受從有感覺到痛苦，同時引起中樞神經(jīng)和周圍神經(jīng)組織刺激以及視網(wǎng)膜光幻視，產(chǎn)生一種暈眩的感覺；大量流行病學(xué)研究報告顯示，癌癥以及糖尿病并發(fā)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(guān)系。

目前大量研究關(guān)注人類暴露于高頻電磁環(huán)境的研究，例如手機天線，對kHz頻段關(guān)注相對較少；Yuan Qiaowei等使用簡化模型評估了附近人員對無線電力系統(tǒng)傳輸效率的影響，但沒有對人體電磁暴露進行評估，還有學(xué)者研究了電動汽車無線充電系統(tǒng)對人體器官、體內(nèi)植入器件的電磁環(huán)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(gòu)供電來說，磁場的泄露可能會對車上人員的健康產(chǎn)生影響。由于人體暴露于低頻磁場中時，體表會產(chǎn)生感應(yīng)電荷，通過電磁感應(yīng)作用，在人體內(nèi)也會產(chǎn)生感應(yīng)電場和感應(yīng)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(dǎo)則，對職業(yè)暴露和公眾暴露在1Hz~100MHz分別給出限值，來保護人體免受電磁場傷害。

為了有效評估乘客及司機在無線傳能機車內(nèi)的電磁安全問題，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員楊威、徐英雷、王晨曲、林飛宏、董亮，在2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，完成了無線傳能車內(nèi)部電磁環(huán)境評估，對于我國電磁相關(guān)標準的制定有一定的參考價值。

圖1 無線傳能機車仿真模型

圖2 系統(tǒng)工作原理

研究人員在工作頻率為50kHz頻率的仿真系統(tǒng)中，利用三維電磁仿真軟件構(gòu)建無線傳能系統(tǒng)輻射下車內(nèi)人員電磁環(huán)境模型，來模擬司機和乘客處于車內(nèi)各位置下人體內(nèi)部各器官吸收電磁能量的情況，研究處于車廂內(nèi)不同位置的司機和三名乘客（乘客A、乘客B、小孩）暴露的磁場強度、電場強度和電流密度的分布情況，并將仿真結(jié)果與ICNIRP導(dǎo)則中相應(yīng)的限值對比，評估人在車內(nèi)的安全性。

圖3 人體位于車內(nèi)位置

圖4 車內(nèi)人體磁場強度圖

圖5 車內(nèi)人體感應(yīng)電場圖

他們的研究結(jié)果表明：位于司機室的司機感應(yīng)電場強度最小，乘客A感應(yīng)電場強度為最大；乘客B所處的車廂連接風(fēng)擋處磁場強度最大；感應(yīng)電流密度最大值出現(xiàn)在乘客B的腹部位置。所有計算結(jié)果均低于國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）導(dǎo)則的電磁場限值，說明位于車內(nèi)的司機和乘客都是安全的。

圖6 車內(nèi)人體感應(yīng)電流密度圖

圖7 車內(nèi)磁場測試

圖8 仿真與測試數(shù)據(jù)對比

研究人員進一步通過現(xiàn)場測試，測得車內(nèi)電磁環(huán)境真實情況，并與仿真結(jié)果相近，驗證了仿真結(jié)果的正確性。他們表示，該分析和測試結(jié)果可以消除公眾和乘務(wù)人員對于無線傳能車內(nèi)電磁環(huán)境的擔(dān)憂，也對鐵路領(lǐng)域相關(guān)標準的制定有一定的借鑒意義。

本文編自2022年第11期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標題為“無線傳能機車人體電磁環(huán)境安全研究”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。