电气化列车车体内工频磁场环境测试分析与建模

朱 峰， 刘光辉， 叶家全， 杜 辉

(1.西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031;2.中国民航局第二研究所，四川成都 610041)

国民经济的发展推动电气化列车向高速和重载方向发展，随着列车通过受电弓从接触网取流的电流越来越大，车体内辐射的工频磁场也逐渐增大.车体内电磁环境的安全、可靠问题引起人们的高度重视.我国铁路的电磁环境标准，以IEC[1]系列标准为基础，于2009年正式颁布，命名为GB/T 24338—2009《轨道交通电磁兼容》.尽管标准第二部分规定了整个轨道系统的对外发射的限值，但其定义的频率范围为9～1×106kHz，测试地点距导轨中心线10 m处测量轨道系统的对外发射(十米法测试)，对车内工频磁场幅值并没给出具体限值，仅在第二部分附录C中提及距钢轨10 m远，轨平面1 m高处的参考最大值(16.00 μT).由于车体的屏蔽效应，弓网离线电弧引发的工频磁场大部分只能从窗口透入，文献[2-4]虽然对透入的工频磁场进行了一些测试分析，但其机理与特性仍有待进一步研究.本文以高速列车 CRH3(G522/G555)、动车CRH1(D5102/D5108)以及普通列车(K678/K722)为研究对象，通过现场实测获取了车体内窗口透入方向工频磁场数据，结合电气化车体结构及供电特点，综合考虑窗口材料尺寸，对窗口感应工频磁场进行了分析，其计算结果与实测结果基本吻合.

1 测试实施

1.1 测试设备与线路

测试采用磁场测试仪型号为TES-1393，频率范围30 ～2 000 Hz，测试精度0.01 ～199.90 μT.测试具体时间、车型、车次如表1所示.

表1 测试线路及车况Tab.1 Test routes and train types

1.2 测试方法与测点选取

为适应高速动车组对供电能力的需求，中国高速铁路多为全并联自耦变压器供电方式(autotransformer，AT)[5].高速铁路动车组运行速度高，牵引功率大，G522的额定牵引功率为19 200 kW(16编组，车型为CRH380A)，G555的额定牵引功率为 9 600 kW(8编组，车型为CRH380A).D5102、D5108的额定牵引功率均为8 800 kW[6](8 编组，车型为 CHR3).根据文献[7-10]可知，普通电气化列车的供电方式是带回流线的直接供电.普快K678、K722的额定牵引功率为4 800 kW(车型为SS9).结合电气化列车供电方式，综合考察车体内磁场的分布特性，对车窗附近工频磁场采取单点连续测试和多点分布测试两种方式进行测试，测试点选取如图1所示，图中:

图1 测试点选取示意Fig.1 Selection of test points

单点连续测试为固定一个测试点，展开较长时间测试(1 h以上)，如图1中点②所示，以便观察窗口透入工频磁场总体变化情况.

在车窗法线方向分布多个位置进行测试，每个测试点持续时间不超过10 min，如图点①～⑤所示，以便观察窗口透入的工频磁场沿透入方向的变化.

2 测试结果分析

2.1 单点连续测试结果分析

表2为单点(点②)连续测试磁场幅度概率分布统计列表.

表2 幅度概率分布Tab.2 Amplitude probability distribution

由图1及表2可以看出，车体内磁场具有以下特点:

(1)磁场波动幅度较大，无论是高速列车、动车还是普通列车运行时，车窗附近点②磁感应强度大多介于 0.20 ～2.00 μT，最大可达 37.00 μT.随着列车速度等级的提高，小于0.20 μT的概率总体减小，而大于20.00 μT的概率显著加大，说明列车牵引电流越大工频磁场越大.

磁感应强度在 0.10 ～0.40 μT 范围，一般在停车时出现，数值与普通办公场所磁场环境相当.此时，尽管无动力电流，但车内照明、空调等辅助供电系统还在运行，故周围仍然产生磁场;同时也可以认为列车没有输出动力，例如过分相前后或下坡时.

停车时，车内磁场有时磁感应强度也能达到1.00 ～8.00 μT，因为其邻线接触网可能有车通过.考虑理想情况，假设接触线无限长，邻近线路接触网与本车测试点的水平及垂直距离均为5 m，正常运行牵引电流为260 A[11]，则此牵引电流的磁场贡献为

式中:

μ0为真空磁导率;

I为牵引电流;

R为接触线到测试点的距离.

正常运行时，接触线上能够产生的一般磁场为

考虑爬坡负载加大，特别是当附近接触网上有电流时，该数值会更大，理想情况能够超过20.00 μT.但由于磁场叠加存在相位差异，大于20.00 μT的情况很少发生.磁场由接触线耦合进入车厢内，由于窗口的“阻碍”作用，透入的要小一些.

(2)磁场显示变化较快，磁场测试仪采样显示时间小于0.5 s，从测试结果来看，磁场在较低水平内小幅变化，但也会突然增强，如从0.215 μT跳变到20.00 μT，一般情况下，磁场可能在10 s左右会有很大的变化，很少发现十多分钟一直保持同一数量级的情况.对空间磁场这一现象，可以从以下方面解释:

第一，根据小范围波动的机理，由于接触网与受电弓是滑触受流的，这种机械接触存在扰动且受流面积也在不断变化，其中接触扰动可能会引起接触网部件松动或断线脱落，甚至还存在离线拉弧等，都会使得接触阻抗在一定范围随机变化[12-13]，导致空间瞬态电流在一定程度变化，弓网受流的这一特性可以解释磁场测试仪读数在一段时间内于均值10%范围内波动的原因;

第二，地形的起伏使得负载输出发生变化[14-15]，加之邻线磁场的叠加，使磁场有剧烈变化，所以磁场测试仪读数大幅的跳变.

2.2 多点分布测试结果分析

实测中，点①幅值最大，点②小于点①1～3倍，点③较点②、点①总体趋小，点④由于靠近对面窗较点③幅值大，说明测得的工频磁场确实来自接触网并由窗口透入.

车窗中心点⑤较窗口边沿点①也约相差1～2倍，容易得出，车窗周边存在感应电流.接触网的磁场发射与车窗电流分布如图2所示.

图2 接触网的磁场发射与车窗电流分布Fig.2 Catenary magnetic field emission and window induction current distribution

由于电气化列车的整个车体是金属合金材料(如铝合金)铸造，当有变化的磁链穿过窗口时，将在周围导体上产生闭合电流环，感应电流只在窗口表面流动;铝合金具有很高的电导率，仅次于黄铜，其集肤效应不能忽略.

综合以上两点，取铝合金的电导率为2.32×107S/m，磁导率为 μ0.计算得到集肤深度约为1.5 cm.电气化列车车体是双层结构，单层厚度0.6 cm，窗口玻璃长80 cm，宽55 cm.

将车窗等效为连续作用的电流线，其等效电阻

式中:ρ为电阻率;

l为电阻长度;

d为车体厚度;

δ为集肤深度，因铝合金型材为两层，相当于并联，故而式(3)中要乘以系数1/2.

窗口边沿等效感应电流为

式中:S为窗口面积.

根据I'可得窗口中心点(点⑤)处的磁感应强度为

窗口边沿(点①)位置距等效电流线的距离为5 cm，下框电流线在点①处所产生磁感应强度

其它三边感应电流贡献为0.135B2，背景场以0.20 μT 记，可得

由式(7)可见，车窗中心点⑤较窗口边沿点①相差5.528 μT，与实际测试结果较好吻合.需要注意:感应电流产生的磁场阻碍磁通变化，叠加效果为增强或抵消，考虑最大干扰情况，应使叠加磁场幅值符号均取正.

2.3 实测比对试验

实验在西南交通大学国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心电磁兼容研究室进行.用变压器+线圈模拟受电弓与接触网产生的工频磁场，用1∶10的缩比模拟实际列车车厢，通过放到缩比列车车厢内的磁场测试仪(TES-1393)测试磁感应强度.线圈中心距离点②水平距离为100 cm，垂直距离为58 cm.具体测试布置如图3所示.

图3 实测布置图Fig.3 Layout of test

图3中:①表示距离侧车车窗下边沿1 cm处的测试点;

②表示车窗中间的测试点.

当线圈中通过的电流为5 A时，磁场测试仪的测试数据见表3.

由表3可知，测试点①磁感应强度大于测试点②约5.56 ～5.61 μT，比文中提及的要稍大，这是由于实验室内有其他工频设备工作.测试点①和测试点②的测试数据与用文章中所创建的窗口感应模型计算的数据基本吻合，误差在±5%.

表3 幅度概率分布Tab.3 Amplitude probability distribution

3 结束语

针对高速列车、动车、普通电气化列车运行状态下的工频磁场分布，对石—武高速列车、成—渝动车及常速线路进行了测试，给出了车体内磁场分布特性并对其产生机理进行了分析.根据实际测试数据，随着速度等级的提高，小于0.20 μT的概率总体减小，大于20.00 μT的概率显著加大.说明由窗口透入工频磁场与牵引电流正相关.弓网机械接触发生波动时以及负载输出变化时，车内的磁感应强度不会长时间(10 min及其以上)保持同一数量级.根据多点测试的结果分析，结合铁路电气化供电及车体构造特点，建立的列车窗口工频磁场电磁感应模型，模型计算结果与实测数据基本吻合.

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