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隨著我國(guó)在鐵路機(jī)車領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，機(jī)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(lái)無(wú)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(duì)車輛的限制，無(wú)接觸網(wǎng)供電機(jī)車可以在更加復(fù)雜的環(huán)境中正常行駛，我國(guó)某機(jī)車廠研發(fā)了新型無(wú)線供電制式城軌列車，打破了發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)軌道交通車輛無(wú)線供電制式的技術(shù)壟斷。

無(wú)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(gè)或多個(gè)沒(méi)有電氣連接的線圈發(fā)生磁耦合，實(shí)現(xiàn)電能的無(wú)線傳輸，因?yàn)闆](méi)有接觸產(chǎn)生的摩擦，所以不產(chǎn)生磨損；同時(shí)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(wú)線傳能機(jī)車的投入使用，其無(wú)線傳能系統(tǒng)的電磁環(huán)境對(duì)乘客和列車工作人員的健康影響逐漸引起了公眾的重點(diǎn)關(guān)注。目前對(duì)無(wú)線傳能系統(tǒng)電磁仿真較多，對(duì)電磁環(huán)境仿真較少。

有研究表明，低頻電場(chǎng)暴露會(huì)引起人體反應(yīng)，其主觀感受從有感覺(jué)到痛苦，同時(shí)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(jué)；大量流行病學(xué)研究報(bào)告顯示，癌癥以及糖尿病并發(fā)癥等可能與長(zhǎng)期暴露于低于ICNIRP人體暴露限值的低頻磁場(chǎng)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(jī)天線，對(duì)kHz頻段關(guān)注相對(duì)較少；Yuan Qiaowei等使用簡(jiǎn)化模型評(píng)估了附近人員對(duì)無(wú)線電力系統(tǒng)傳輸效率的影響，但沒(méi)有對(duì)人體電磁暴露進(jìn)行評(píng)估，還有學(xué)者研究了電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)對(duì)人體器官、體內(nèi)植入器件的電磁環(huán)境安全，但沒(méi)有實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證仿真的正確性。

對(duì)于無(wú)線傳能機(jī)車使用的多個(gè)100kW等級(jí)的電磁耦合機(jī)構(gòu)供電來(lái)說(shuō)，磁場(chǎng)的泄露可能會(huì)對(duì)車上人員的健康產(chǎn)生影響。由于人體暴露于低頻磁場(chǎng)中時(shí)，體表會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，通過(guò)電磁感應(yīng)作用，在人體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)和感應(yīng)磁場(chǎng)，為了降低電磁場(chǎng)對(duì)人體傷害，歐盟各成員國(guó)采用國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）電磁暴露導(dǎo)則，對(duì)職業(yè)暴露和公眾暴露在1Hz~100MHz分別給出限值，來(lái)保護(hù)人體免受電磁場(chǎng)傷害。

為了有效評(píng)估乘客及司機(jī)在無(wú)線傳能機(jī)車內(nèi)的電磁安全問(wèn)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(bào)》上撰文，完成了無(wú)線傳能車內(nèi)部電磁環(huán)境評(píng)估，對(duì)于我國(guó)電磁相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定有一定的參考價(jià)值。

圖1 無(wú)線傳能機(jī)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(wú)線傳能系統(tǒng)輻射下車內(nèi)人員電磁環(huán)境模型，來(lái)模擬司機(jī)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(jī)和三名乘客（乘客A、乘客B、小孩）暴露的磁場(chǎng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)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(duì)比，評(píng)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(chǎng)強(qiáng)度圖

圖5 車內(nèi)人體感應(yīng)電場(chǎng)圖

他們的研究結(jié)果表明：位于司機(jī)室的司機(jī)感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最小，乘客A感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度為最大；乘客B所處的車廂連接風(fēng)擋處磁場(chǎng)強(qiáng)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(jì)算結(jié)果均低于國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（ICNIRP）導(dǎo)則的電磁場(chǎng)限值，說(shuō)明位于車內(nèi)的司機(jī)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(chǎng)測(cè)試

圖8 仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

研究人員進(jìn)一步通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)得車內(nèi)電磁環(huán)境真實(shí)情況，并與仿真結(jié)果相近，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。他們表示，該分析和測(cè)試結(jié)果可以消除公眾和乘務(wù)人員對(duì)于無(wú)線傳能車內(nèi)電磁環(huán)境的擔(dān)憂，也對(duì)鐵路領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(bào)》，論文標(biāo)題為“無(wú)線傳能機(jī)車人體電磁環(huán)境安全研究”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。