0 引言
随着我国在铁路机车领域的蓬勃发展，机车的种类也在不断丰富。在城市轨道交通方面除了有传统的架空接触网供电有轨电车之外，为了解决有轨电车与城市景观之间存在的冲突[1]，近年来无接触网供电的城市轨道车辆的研究逐渐火热。得益于摆脱接触网对车辆的限制，无接触网供电机车[2]可以在更加复杂的环境中正常行驶，我国某机车厂研发了新型无线供电制式城轨列车，打破了发达国家对轨道交通车辆无线供电制式的技术垄断。无接触供电系统采用的是一种非接触供电的方式，利用两个或多个没有电气连接的线圈发生磁耦合，实现电能的无线传输[2-3]，因为没有接触产生的摩擦，所以不产生磨损；同时它可以不受任何天气和地面条件的影响，即便是处于恶劣的环境下也可以正常行驶。
伴随着无线传能机车的投入使用，其无线传能[4-8]系统的电磁环境对乘客和列车工作人员的健康影响逐渐引起了公众的重点关注。目前对无线传能系统电磁仿真[9]较多，对电磁环境仿真较少。有研究表明，低频电场暴露会引起人体反应，其主观感受从有感觉到痛苦，同时引起中枢神经和周围神经组织刺激以及视网膜光幻视，产生一种晕眩的感觉；大量流行病学研究报告显示，癌症以及糖尿病并发症等可能与长期暴露于低于ICNIRP 人体暴露限值的低频磁场中有关系[10-11]。目前大量研究关注人类暴露于高频电磁环境的研究，例如手机天线[12-14]，对kHz 频段关注相对较少；Yuan Qiaowei等[15]使用简化模型评估了附近人员对无线电力系统传输效率的影响，但没有对人体电磁暴露进行评估，文献[16-17]研究了电动汽车无线充电系统对人体器官、体内植入器件的电磁环境安全，但没有实际测试来验证仿真的正确性。
对于无线传能机车使用的多个100kW 等级的电磁耦合机构供电来说，磁场的泄露[18]可能会对车上人员的健康产生影响[19]。由于人体暴露于低频磁场中时，体表会产生感应电荷，通过电磁感应作用，在人体内也会产生感应电场和感应磁场，为了降低电磁场对人体伤害，欧盟各成员国采用国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）电磁暴露导则，对职业暴露和公众暴露在1Hz～100MHz 分别给出限值[20]，来保护人体免受电磁场伤害。
本文完成了无线传能车内部电磁环境评估，对 于我国电磁相关标准的制定有一定的参考价值。在工作频率为50kHz 频率的仿真系统中，建立了无接触网供电车辆的三维电磁场仿真模型，并建立了包含主要器官和组织的人体仿真模型，来模拟司机和乘客处于车内各位置下人体内部各器官吸收电磁能量的情况，并将仿真结果与ICNIRP 导则中相应的限值对比，评估人在车内的安全性，最后实际测量车内真实情况并与仿真结果对比，验证了仿真结果的正确性。
1 原理分析
无线传能机车电能传输系统的核心部分包括原边设备、副边设备、高频大功率逆变电源以及负载。图1 是无线电能传输系统的场路结构示意图，Us 为高频逆变电源；RL 为接收侧负载电阻；Ω、Ω1 和Ω2分别为空气、线圈和屏蔽材料所在域；σ、σ1、和σ2分别为空气、线圈和屏蔽材料电导率。系统通过谐振电容将发射线圈和接收线圈匹配到相同的谐振频率，逆变电路产生高频交流电，基于高频电磁场近场耦合原理，接收线圈感应出感应电压和感应电流，并在两线圈之间的空气气隙发生磁场耦合，接收线圈产生的电流通过整流滤波装置给负载供电，实现无线电能的传输。
图1 无线电能传输系统场路结构示意图
Fig.1 Schematic diagram of field circuit structure of wireless power transmission system
本文中屏蔽板为电屏蔽时选用良导体铝，电导率不为0；屏蔽板为磁屏蔽时选用铁氧体，因其电导率远低于导体，可忽略电导率对磁场的影响。又因为此耦合线圈的工作区域满足磁准静态场条件，忽略位移电流密度项，根据麦克斯韦方程，系统在工作状态下满足的关系式为
式中，H、H1 和H2 分别为空气中、线圈中和屏蔽材料中磁场强度矢量；E、E1 和E2 分别为空气中、线圈中和屏蔽材料中电场强度矢量；B、B1 和B2 分别为空气中、线圈中和屏蔽材料中磁感应强度矢量；n、n1 和n2 分别为空气中、线圈中和屏蔽材料中矢量法向。
2 仿真模型
2.1 无线传能机车供电系统模型
仿真模型由机车车身部分和无线传能装置两部分组成。车体部分使用软件绘制精确机车三维模型并导入有限元仿真软件，车体部分由4 节车厢组成，长约为37m、宽2.8m、高2.7m，附着在车体上有6组接收装置，位置处于机车底部。其仿真模型如图2 所示。
图2 无线传能机车仿真模型
Fig.2 Simulation model of wireless power transmission locomotive
整车仿真的参数设置为各能量传输装置工作在额定工况下，其中无线传能机构由地面发射线圈和车载接收线圈组成，线圈外形为双矩形（DD）。
传能系统模型参数见表1。地面发射线圈通过地面供给的750V 直流电经过高频逆变电路将直流电变为50kHz 的交流电向发射线圈提供能量，随后通过补偿电路使得发射端处于谐振状态，再经过发射线圈和接收线圈耦合实现能量的传递[21]，同时在 接收线圈上方有一块铁氧体磁心。其工作原理如图3 所示。
表1 传能系统模型参数
Tab.1 Parameters of the energy transfer system model
图3 系统工作原理
Fig.3 System working principle diagram
2.2 人体模型的建立
根据仿真的需要，使用两个人体模型，其中一个为身高176cm，体重69kg 的38 岁男性来充当司机和乘客A、B。另外还使用了一个身高为115cm，体重21.7kg 的7 岁女孩作为小孩。由于导入的人体模型已经足够精细化，采用的是高分辨率扫描模型（0.85mm×0.85mm×0.8mm），人体组织介电参数的计算，国际上普遍采用4 阶Cole-Cole 模型计算人体组织的介电参数为
式中，ε∞为光谱处相对介电常数；n 为德拜色散次数；Δεn 为相对介电常数增量；τn 为中心弛豫时间（s）；an 为弛豫分布时间，取值为0≤α≤1；ε0 为真空介电常数（F/m）；ω为角频率（rad/s）；σi为离子电导率（S/m）。
故在原有基础上只需要选择大脑、心脏、肾脏、胃部等器官作为重点观察对象，主要器官在50kHz工作频率时的电磁参数见表2[22-23]。
表2 人体主要组织电磁参数（50kHz）
Tab.2 Electromagnetic parameters of the main tissues of the human body(50kHz)
3 仿真结果分析
3.1 整车电磁场仿真分析
在没有加入人体模型时对整车模型进行仿真，图4 为车厢内部磁场强度和电场强度分布图。
图4 车厢内部电场强度分布
Fig.4 Distribution map of electric field intensity inside the carriage
为了使得整车仿真有明确的目的性，并方便对机车进行实际测试与仿真结果的对比，根据GB/T 32577—2016 中说明的机车车辆内公众区域测量的方法，在车厢中间设立三条分别高30cm、90cm、150cm 的电磁场路径线，图5 显示了通过软件后处理得到的三条磁场路径线电磁场强度分布特征，监测线1～3 对应高度分别为30cm、90cm、150cm。
根据整车的仿真结果，由图5 可以看出车厢内部电场和磁场的分布规律具有一定的相关性，其分布与变化规律相似，均在靠近车厢连接处电磁场强 度增大，在远离车厢连接处减小并在单节车厢中部达到最小值。从仿真结果可以推测：从车厢连接处漏出的磁场相较于车厢中部更多。
图5 监测线处磁场强度和电场强度分布图
Fig.5 Distribution diagram of magnetic field intensity and electric field intensity at the monitoring line
3.2 车内人体电磁场暴露仿真
对于人体置于车内的仿真，将人分为司机、乘客A、乘客B、小孩四类，其中司机位于司机室处于坐姿状态、乘客A 坐在车厢中部、乘客B 模拟车辆满载无座情况而站立于车厢连接处、小孩模拟在车厢空间相对较大的车厢连接处站立，人体位于车内位置如图6 所示。
图6 人体位于车内位置
Fig.6 The position of the human body inside the carriage
通过仿真计算了位于车内人体的感应电场强度、磁场强度、感应电流密度的分布情况。由于传能耦合机构在车内会产生低频的磁场，人体组织的磁导率与空气相当，故不会对磁场的传播产生过多影响。但由电磁感应定律可知，车内交变磁场在人体内会产生感应电场和感应电流。为了使仿真更加接近真实情况，将人体的底部放置于与车内地板相距3cm的高度下进行计算，得到了在50kHz 频率下人体的磁场强度、感应电场强度、感应电流密度的分布分别如图7～图9 所示。
图7 车内人体磁场强度图
Fig.7 Magnetic field intensity map of the human body inside the carriage
图8 车内人体感应电场图
Fig.8 The induced electric field diagram of the human body inside the carriage
图9 车内人体感应电流密度图
Fig.9 The induced current density map of the human body inside the carriage
从图7 车内人体磁场强度图可以看出乘客B 磁场强度最大，司机的磁场强度最小；从仿真计算的结果得到乘客B 出现磁场强度较大的身体部位为腿脚处，其磁场强度最大达到2.78A/m，最大区域出现在脚部和小腿外侧，这与距离车厢连接过道的距离有直接关系；司机的磁场强度最小部位为躯干，其磁场强度为0.183A/m；乘客和司机的磁场强度都较大程度低于ICNIRP 分别规定的公众限值（21A/m）和职业限值（80A/m）。
根据电磁场理论，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场在人体组织中又会感生出感应电场，从图 8 车内人体感应电场图可以看出乘客处于车厢中，身体各部分组织会有不同大小的感应电场强度值；其中司机的感应电场强度相对较小，这与其所在司机室环境结构对电磁场的屏蔽有关；位于车厢中的乘客们产生的感应电场强度相对较大，这与乘客距离车底传能机构的距离有直接的关系；其中乘客A 头部感应电场强度较大，最大部位出现在头皮处，其感应电场强度值为0.55V/m，这一数值远低于ICNIRP 规定的公众暴露感应电场强度83V/m 的基本限值。
交变电流所激发出的交变磁场在人体中将感应出电流，当感应电流密度大于一定限值后，人体组织由于吸收电磁场能量而发热对细胞组织可能会造成刺激或损伤，影响人体健康。从图9 车内人体感应电流密度图可以看出，乘客以及司机在身体各组织都产生了不同大小的感应电流，三位乘客的感应电流密度较大的位置基本都在脚部以及小腿的组织。同时儿童头部组织也产生了较大的感应电流密度值，这与其距离传能机构的距离以及头部组织的感应电场强度大小有关。由于乘客B 的脚部更加靠近车厢连接处的传能装置，其感应电流密度达到了13.7μA/m2，数值为司机和乘客中的最大，但远低于ICNIRP 所规定的公众暴露中枢神经系统基本限值0.25A/m2。
位于车内不同位置，人体的电磁场分布也会变得不同，位于车厢连接处人体磁感应强度相较于其他位置较大，这可能是由于车厢连接处没有像车厢中部有一块完整的铝板作为屏蔽，导致产生了一些漏磁。将仿真结果与国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）中职业暴露与公众暴露限值作比较，见表3。
表3 车内不同人员计算值与ICNIRP 限值对比
Tab.3 Comparison of the calculated value of different persons inside the carriage and the ICNIRP limit
从表3 可以看出，参照国际非电离辐射防护委员会导则（50kHz）下的电磁场限值，职业与公众磁场强度最大分别为80A/m、21A/m，电场强度分别为170V/m、83V/m。根据计算得出的结果均小于标准给出的辐射限值，不会对司机和乘客造成伤害。
4 现场测试
为了进一步验证仿真结果，参考最新发布的GB/T 37130—2018 车辆电磁场相对于人体暴露的测量方法以及国家铁路局发布的动车组内低频磁场的测量方法。
采用Narda 的ELT—400 型号的设备，测量的频率范围满足标准中要求的10Hz～400kHz。其交流探头能同时进行三个正交方向的测量，后经快速傅 里叶变换（Fast Fourier Transformation,FFT）分析可得到磁场的频谱分布。图10 为车厢内电磁环境测试现场。
图10 车内磁场测试
Fig.10 Magnetic field measurement inside the carriage
对车内第2 节车厢中部至第3 节车厢中部均匀取9 个位置进行测量，高度为30cm，图11 为现场测试的波形，图12 为现场测试数据与仿真数据图5a 中监测线1 的对比，可以看到车厢内部真实磁场的分布情况与仿真得出的结果趋势大致相同，磁场的频率集中在50kHz 频率上，车内磁场强度在车厢连接处向车厢中部处逐渐减弱，这可能是由于车辆侧边外壳和底部金属板的防护作用，磁场相对较弱，而在靠近车厢连接处磁场逐渐增强，这可能是由于 在连接挡板处存在一定的磁场泄漏引起的磁场强度升高。
图11 现场测试波形
Fig.11 Waveforms measured on site
图12 仿真与测试数据对比
Fig.12 Comparison of simulation and measurement data
5 结论
本文研究了人体处于无线传能机车内的电磁暴露情况，通过建立车辆模型、司机室内坐姿人体模型、车厢以及车厢连接处站立成年人和儿童模型，对车内人体磁场强度、电场强度、电流密度进行了仿真分析。仿真结果与ICNIRP 导则给出的人体暴露的限值对比，得到整车工作在额定工作状态时人体处于车内的环境是安全的结论。最后通过现场测试，测得车内电磁环境真实情况，并与仿真结果相近，验证了仿真结果的正确性。通过分析和测试可以消除公众和乘务人员对于无线传能车内电磁环境的担忧，也对铁路领域相关标准的制定有一定的借鉴意义。
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