新型高速试验列车高压室电磁屏蔽研究

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师）

新型高速试验列车高压室电磁屏蔽研究

肖 石

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛∥第一作者，工程师）

新型高速试验列车高压室置于车厢内部后，其高压设备对乘客身体健康及对周围其它设备的正常工作产生影响。介绍了高压室的结构和特点，分析了车内设备所产生辐射电磁场的限定参数及相关标准，对高压室在不同频率下产生的电磁场进行了理论估算。基于此，采用Feko软件对高压室电磁屏蔽进行建模和仿真，评估了相应的屏蔽效能。仿真结果表明，所提出的电磁屏蔽方案取得了预期的效果，列车舱室内的磁场强度被控制在相关标准的限值之下。

高速试验列车；高压室；电磁场估算；电磁屏蔽

Author's address Technology Center，CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

目前，运营动车组的高压设备箱安装在车底，采用密闭铝合金结构，具有良好的高频电磁屏蔽性能。同时，其与乘客距离较远，在车厢内的低频磁场相对较弱，对人体产生的干扰也较小。新型高速试验列车拟将车底的高压系统移至车厢内部，并专门设置用于放置该系统的高压室。为避免设置于车厢内的高压设备对乘客佩戴的诸如心脏起搏器等个人医疗电子装置的电磁影响，也为了全面评估高压设备对周围其它设备产生的干扰，在试验列车项目的设计阶段，应对置于车厢内部的高压系统产生的电磁干扰进行全面研究和分析［1］。本文主要对试验列车高压室可能产生的电磁干扰进行研究，期望通过对列车客室内不同频率电磁场的理论估算和仿真建模，获得相应的仿真结果，以便对试验列车高压室屏蔽措施与工程化方案提出相应的建议。

1 试验列车高压室系统组成

如图1所示，高压室内系统由高压互感器、避雷器、真空断路器和特高压电缆等组成。其中，避雷器额定电压为42 k V，持续运行电压34 k V，8/20μs残压峰值为105 k V；电流互感器额定绝缘水平为0.72 k V/3 k V，额定频率为50 Hz，额定一次电流为400 A，额定二次电流为5 A，额定电流比为400/5，准确级及额定负荷（cosφ=0.8滞后）为3.0级/25 VA；高压电压互感器额定电压为25 k V，热极限输出为600 VA；真空断路器标称电压为25 k V，额定电压为30 k V，最大工作电压为31 k V；额定工作电流为1 000 A，额定开断能力为20 k A，短时耐受电流（热稳定电流）为12 k A（1 s），峰值耐受电流（动稳定电流）为30 k A；开断时间＜40 ms。

2 列车舱室内电磁场估算

2.1 相关标准分析

图1 高压室系统组成和结构示意图

就车内设备产生的电磁场而言，需同时考虑其对人体健康及对其它设备正常工作的影响［2］。相关的欧洲标准主要有：

（1）EN 45502-2-1-2003，有源植入式医疗器械-第2-1部分：用于治疗缓慢性心律失常的有源植入式医疗器械（心脏起搏器）的特殊要求；

（2）EN 62233-2008，关于人体暴露于家用电气和类似装置电磁场的测量方法；

（3）EN 50121-3-2-2000，铁路应用-电磁兼容性第3-2部分：机车车辆-电气设备。

EN 45502-2-1和EN62233的内容规定了设备或系统电磁场对人体影响的参数指标。在EN 45502-2-1标准中，规定了心脏起搏器应满足在磁感应强度为1 m T静磁场的作用下能够正常工作以及在10 mT静磁场作用至少1 min的情况下也能够正常工作；同时规定了在1～140 k Hz频率范围内心脏起搏器应至少承受的交变磁场强度。具体参数见表1。

表1 心脏起搏器至少应承受的交变磁场强度

EN 62233不仅规定了电磁场的各种测试方法，而且直接采用了欧盟理事会第1999/519/EC指令中关于电磁场的限值规定（见表2）。其参数主要是针对家用电器及类似装置而提出的，但其电磁场的限值是基于长期暴露在电磁场辐射下的人体健康而设定的，因此这些限值对评估列车车厢内电气设备电磁场的大小具有直接指导意义。

表2 家用电器或类似装置电场、磁场以及电磁场的限值规定

EN 50121-3-2标准则考虑了设备或系统电磁辐射对其它设备或系统的影响，规定了在30～230 MHz和230～1 000 MHz频率范围内，辐射电磁场的电场强度准峰值分别限制为10-4V/m和10-3.65V/m。

2.2 电磁场数值估算

根据列车高压系统的结构及工作特点，估算其在不同频率下所产生的磁场或电场的大小［3］。

2.2.1 静磁场

目前，列车高压系统的组成中没有永磁型物质，且系统工作时通过的电流为50 Hz交流电。在交流电的作用下，硅钢片等软磁物质的剩磁很小，故高压系统产生的静磁场也很小，即使不加屏蔽措施，其周围的磁感应强度也远小于1 mT，不会对人体心脏起搏器造成影响。

2.2.2 交流电及其谐波产生的交变磁场

一般地，交流电及其谐波产生的磁场频率范围约为50～100 k Hz。由于高压系统通过的交流电流频率为50 Hz，因此它将产生50 Hz的交变磁场。假设高压系统可等效为一根通有电流的导线，则其周围的磁场强度H根据安培环路定律估算：

式中：

I---电流高度；

l---任意闭合积分环路变量。

考虑到高压系统中还包括电压互感器、电流互感器等感性设备，只是由于无法得知该类设备的等效电感，不能对其产生的磁场大小进行估算，因此整个高压系统产生的磁场强度H应大于式（1）得出的估计值。如果不考虑电压、电流互感器所产生的磁场影响，假设交流电流的大小为300 A，则距高压系统0.5 m处的磁场强度H为：

对照表2中相关数据可知，根据式（2）计算而得的结果远远超过标准中规定的50 Hz磁场强度的限值0.08 A/m。因此，为了满足表2的限值规定，需对高压系统进行低频磁场屏蔽。

另外，交流供电系统中存在谐波信号，且谐波信号的频率可达基频的几十倍。在供电质量不好的情况下，谐波信号的幅度可达到基波幅度的5%左右。以50 Hz交流电20次谐波（1 k Hz）为例，如果交流电流的大小为300 A，其20次谐波电流的幅度可达15 A，则距高压系统0.5 m处该谐波电流产生的磁场强度为：

表2中规定0.8～150 k Hz的磁场强度限值为5 A/m。如果考虑电压、电流互感器产生的磁场，则高压系统1 k Hz的磁场强度大小可能会超过规定的限值，且类似的情况在100 k Hz频率内都可能出现。因此，需要对高压系统所产生的50 Hz～100 k Hz的低频磁场进行屏蔽。

对于低频磁场，采用具有良好电导率的铁、钢等金属屏蔽材料可取得较好的电磁屏蔽效果［4］。屏蔽材料对低频磁场（f＜100 k Hz）的屏蔽效能SE为：

式中：

t---屏蔽材料的厚度，mm；

f---频率，Hz；

μr---屏蔽材料的相对磁导率；

σr---屏蔽材料的相对电导率。

2.2.3 电火花产生的高频电磁场

在列车高压系统中，真空断路器中的电火花是一种瞬态电磁骚扰。该电磁骚扰的频率范围及强度与受电弓离线时火花放电产生的电磁骚扰非常类似［5］。图2为受电弓放电产生的电磁骚扰的频谱特性。可以看出，由放电而产生的辐射电磁场的频谱范围从几MHz至2GHz；电磁骚扰的强度也很高，尤其在10～100 MHz频率范围内测得车厢内电场强度的峰值可达到0.316 V/m以上，可能会对周围的电气或电子设备造成干扰，其准峰值也可能会超过EN 50121-3-2规定的限值要求。

图2 受电弓离线电火花产生的电磁骚扰的频谱特性

假设真空断路器中的电火花与受电弓放电产生的电磁脉冲的波形及幅度类似，则对真空断路器或整个列车高压系统进行高频电磁场屏蔽将显得必不可少。

对于高频电磁场，具有良好电导率的金属材料如铁、铝、钢等即使厚度比较薄，也能起到很好的屏蔽效果；整个屏蔽腔体上孔缝的尺寸越小，其屏蔽效果越好。带有单个孔缝结构的屏蔽腔体的屏蔽效能可根据式（5）进行估算：

式中：

λ---电磁波波长，m；

l---孔的最大直径或缝的最大长度，m。

3 列车高压室电磁屏蔽仿真分析

对电磁场的数值估算和分析可知，列车高压系统所产生的辐射磁场主要包括交流电及其谐波所产生的低频交变磁场和电火花产生的高频电磁场。其中，低频磁场的大小及对其进行屏蔽的效能可根据上述公式分别进行估算，高频磁场的大小无法得到较为确定的估算结果。本文利用Feko软件对30 MHz及100 MHz下屏蔽高压室内外的高频电场强度（场强）分布及其屏蔽效能进行仿真建模和分析，以获得高频电磁屏蔽前后的对比结果［6-7］。

假设在对高压室高频电磁场进行屏蔽的仿真模型中，屏蔽高压室为2.35 m×2 m×1.56 m的封闭六面体结构，无任何孔缝；屏蔽材料采用厚度为0.5 mm的不锈钢板；电磁干扰源的位置在高压室的几何中心，源处场强的大小为1 v/m。仿真模型如图3所示。假设该仿真模型中灰色平面距车厢地面（即高压室底面）的高度为1 m，在此高度上仿真高压室的场强分布。同时，将灰色平面中距离屏蔽室A面0.5 m处的P点作为典型位置，计算该点的屏蔽效能SE。

图3 电磁屏蔽的仿真模型

图4所示为30 MHz高频电磁场在距车厢地面1 m高度平面上的电场强度分布。可见，屏蔽室外的场强远低于内部的场强，P点处仿真得到的屏蔽效能为40 dB。

图5所示为100 MHz高频电磁场在距车厢地面1 m高度平面上的电场强度分布。其屏蔽室内外的场强变化情况与图4所示结果相似，P点处仿真得到的屏蔽效能为48 dB。

4 结语

由数值估算和仿真建模分析可知，高压系统产生的静磁场远小于1 m T，因此不需要对高压系统采用静磁场屏蔽措施。但这一结论只是理论估计，为安全起见，仍需对高压系统周围的静磁场进行测量。

图4 30 MHz电场强度分布

图5 100 MHz电场强度分布

高压系统内的交流电信号及其谐波信号会在50 Hz～100 k Hz频率范围产生较强的低频磁场，无论是否考虑电压互感器或电流互感器产生的磁场，其产生的低频磁场都接近或超过EN 62233标准的限值规定。因此，需对高压系统的低频磁场采取适当的屏蔽措施。

高压系统内的电火花会产生很强的高频辐射电磁场，其频率范围在10 MHz～2 GHz。这些电磁骚扰可能会对周围的设备产生干扰。因此，有必要对高压系统的高频电磁场进行有效屏蔽。

为同时满足低频磁场及高频电磁场屏蔽，建议采用铁、钢或不锈钢作为屏蔽材料。对于低频磁场，铁或钢的屏蔽效能要好于不锈钢，建议优先选用铁或钢作为屏蔽材料。屏蔽腔体应为包围高压系统的焊接六面体，屏蔽腔体上所有孔的直径以及缝的长度应小于1.5 cm。如果屏蔽腔体有门，则需在门与门框的接触处安装具有良好导磁及导电性能的衬垫。理论上屏蔽腔体的厚度越厚越好。考虑到工程上对屏蔽壳体自重的限制，建议采用最小厚度为0.5 mm的钢板或铁板。

［1］ 王守三.设备和系统安装的电磁兼容技术、技巧和工艺［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 王令朝.铁路技术装备电磁兼容及其标准探讨［J］.铁道技术监督，2009，37（5）：3.

［3］ 吴书伟.高速电力机车电磁辐射强度特性研究［D］.北京：北京邮电大学，2010.

［4］ 卢怡.高速动车组车厢屏蔽效能研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［5］ 张博.弓网离线电弧电磁干扰的机理分析及测试系统界面实现研究［D］.成都：西南交通大学，2011.

［6］ 黄金磊，罗映红，宗盼.基于FEKO的弓网离线电磁辐射研究［J］.铁道标准设计，2012（11）：89.

［7］ 阎照文，苏东林，袁晓梅.FEK05.4电磁场分析技术与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.

On Electromagnetic Interference Shielding for High-voltage Chamber of the Test Train

Xiao Shi

When the high-voltage chamber is arranged in the test train carriages，the high voltage equipments installed in the chamber would affect the passengers'health and the normal working of other peripheral equipments inside the train.In this paper，the structure and characteristics of the high-voltage chamber are introduced，the limitation and related standards of the electromagnetic field caused by the vehicle equipments are analyzed.Then，the value of the electromagnetic field generated by the high-voltage chamber at different frequencies is estimated theoretically.On thisbasis，the electromagnetic interference shielding of the high-voltage chamber is modeled and simulated by using Feko software，the effectiveness of corresponding shielding is then evaluated.The simulation results show that the proposed electromagnetic interference shielding scheme has achieved the expected effect：the magnetic field strength in the train cabins is controlled under the relevant standard limitation.

high speed test train；high-voltage chamber；electromagnetic field calculation；electromagnetic interference shielding

U 266.91+8：TM 153+.5

2013-05-01）