非接触网供电列车对人体电磁影响仿真分析

非接触网供电列车对人体电磁影响仿真分析

张秋敏

中车唐山机车车辆有限公司

摘要：无接触网供电车辆的电磁辐射安全性问题一直是备受关注的问题，本文依据电磁感应原理，建立无接触供电城轨车辆模型，利用有限元方法对车辆磁场强度进行分析，计算车体内部及周围行人所受电磁辐射值，为车辆及站台电磁防护提供数据支撑。

关键字：无接触网供电 车辆 电磁辐射 有限元

1 引言

由于发射线圈和接收线圈之间存在气隙，大大降低了无线电能传输效率，一般通过增大电流强度及频率的方法，来提高电能的传输效率，而高功率、高频率的电能传输引起的电磁辐射是否影响车内外行人的人身安全，一直备受关注。本文首先搭建无接触网供电城轨车辆3D模型，并通过有限元仿真计算，分析高频磁场对车辆内外部及周围行人的影响；对车辆动态运行电磁特性进行分析，并提出一种新型双半圆形结构的接收线圈，大大提高了无接触供电车辆的输出功率和传输效率，为无接触供电车辆的研发设计提供了新的设计思路。

2 理论分析

分析无接触供电车辆的电磁特性，必须先求解无接触网供电系统周围磁场分布. 基于频域的含位移电流的时间谐波方程为

                 (1)

其中，为磁场强度；为电流密度；为电位移矢量；为电子运动速度矢量；为磁感应强度；为外部电流密度。

若所求解场域为时谐场，场的定义为

                             (2)

其中，A为矢量磁位；为角速度。

将此公式与本构关系相结合，可以得出

                          (3)

(4)

其中，为真空磁导率；为真空介电常数；为磁化强度。

安培定律可重写为

     (5)

3 无接触供电车辆磁场分布

对无接触供电车辆搭建车辆3D模型，并将其导入到有限元仿真软件中，无接触供电系统进行磁场强度分析，分析车体内部及周围行人的安全。

3.1基本参数及模型建立

本文以无接触供电车辆为研究对象，车辆长40 m，宽2.6 m，高2.8 m，额定电压750V，额定电流150A，额定频率50kHz。接收线圈采用典型的双矩形（DD）线圈，其主要参数详见表1。为研究无接触网车辆磁场分布，需画出三维CAD模型及其网格刨分有限元模型，分别见图1和图2。其中，地面线圈距离钢轨上轨面15mm，车载线圈距离上轨面80mm，线圈、车辆和钢轨的相对位置如图1所示。

图1 无接触供电车辆三维模型   图2 无接触供电车辆网格刨分有限元模型

表 1 线圈主要参数

Tab. 1 Main parameters of coils

3.2 车辆内外磁场分布云图

将模型导入有限元仿真平台，用无限元域代替开放边界。图3为车内及车辆周围的磁场分布云图，仿真结果显示车厢内磁场从中间到两边过道磁场逐渐增强，风挡处有一定漏磁。车头前端由于没有车体，漏磁严重，但是司机室前端为钢结构，因此司机室内漏磁水平较低。

a) xoy平面             b）xoz平面              c）yoz平面

图3 整车磁场分布云图

3.3 人体SAR值分析

接触网供电城轨车辆的供电系统是利用高频磁场进行能量传输的，车辆正线运行时，系统周围存在较高强度的磁场，这对于附近人员来说存在着不安全因素，因此需要对无接触供电系统进行磁场强度分析，保障车体内部及周围行人的安全。具体分析计算过程如下：

人体比吸收率(SAR)可由式(6)求出

                       (6)

其中，σt和ρt分别为人体组织的电导率和密度，Eimax表示体内感应电场强度的复幅值。

a) 场景1                     b) 场景2

c) 场景3                      d) 场景4

图4 不同场景人体位置

图4模拟了人体站立在电磁耦合机构附近不同位置的场景图。场景1：人体完全暴露在发射线圈一侧；场景2：人体完全暴露在发射线圈上方；场景3：有车辆经过时人体暴露在发射线圈一侧；场景4:人体站立在车内三个典型位置，分别为车厢中间、渡板上方以及司机室内。不同电磁曝露场景下人体体内SAR值等可由全波有限元仿真软件COMSOL计算得出。对于一般公众，全身平均SAR限值为0.08（W/kg）和局部SAR限值为2(W/kg)。

a) 场景1

b) 场景2

c) 场景3

图5 场景1~3不同工况人体SAR值

图5中曲线分别表示三种不同场景车辆不同工况下体内SAR最大幅值的变化规律， 对于频率低于10MHz的应用场景，人体辐射主要是由磁场引起，在损耗组织中诱发涡流，SAR峰值一般出现在离发射线圈最近的组织中。从上图可以看出人体SAR值主要分布在脚踝以及手臂位置，也就是里电磁耦合机构最近的位置。人体位于三种场景时SAR峰值均是随电流逐渐增大的，场景2（人体位于发射线圈正上方）中SAR峰值是最大的且超出2（W/kg）的局部组织限值，这表明长时间位于该位置会对人体组织造成伤害。至于场景1和场景3中SAR峰值未曾超过2（W/kg），但场景3中SAR峰值有1.5（W/kg），接近限值，同样存在安全隐患。

图6 场景4不同位置人体SAR值

图6为场景4（人体站立在车内）中三个不同位置人体SAR值，车内不同位置漏磁场不同会影响人体SAR峰值及分布。由于电磁耦合机构位于人体下方，因此人体所受辐射最严重部分在脚踝。相对而言，人体在司机室内所受辐射是最小的，司机室下方至于地面发射线圈。

人体辐射主要是由磁场引起，在损耗组织中诱发涡流，SAR峰值一般出现在离发射线圈最近的组织中。当人体完全暴露在发射线圈正上方（车外），SAR峰值是最大的且超出2（W/kg）的局部组织限值，这表明长时间位于该位置会对人体组织造成伤害。人体站立车内电磁耦合机构上方时，人体所受辐射最严重部分在脚踝，相对而言，人体在司机室内所受辐射是最小的。

4 总结

人体辐射主要是由磁场引起，在损耗组织中诱发涡流，SAR峰值一般出现在离发射线圈最近的组织中。当人体完全暴露在发射线圈正上方（车外），SAR峰值是最大的且超出2（W/kg）的局部组织限值，这表明长时间位于该位置会对人体组织造成伤害。人体站立车内电磁耦合机构上方时，人体所受辐射最严重部分在脚踝，相对而言，人体在司机室内所受辐射是最小的。

参考文献：
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