无接触网供电城轨车辆对人体有电磁危害吗？西南交通大学科研人员发表研究成果

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西南交通大学电气工程学院、中车唐山机车车辆有限公司的研究人员董亮、林飞宏、王晨曲、张秋敏，在2021年《电工技术学报》增刊1上撰文，采用有限元法对曝露于大功率无接触网供电城轨车辆中的人体进行电磁安全评估，以检测该无接触网供电城轨车辆是否低于人体电磁曝露安全值。 科研人员以500kW无接触网供电城轨车辆为例，通过数值仿真计算车内漏磁水平，并对车内佩戴心脏起搏器的人体进行感应电磁场和比吸收率（SAR）评估，将计算结果与国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）中规定的限值进行比较。结果表明，人体内部感应电场较低，但是在人体表面感应出较高电场，装有心脏起搏器的组织SAR值远低于2W/kg的限值，人体站在渡板上方时，脚踝处SAR值最高并且十分接近局部SAR限值。这些结果对于无接触网供电技术在轨道交通领域的安全应用起到了积极的作用。

传统的城市轨道车辆以接触网供电方式为主，无接触网供电技术使得车辆脱离导线的束缚，车辆可以在更加复杂的环境中运行，有利于车辆供电的可靠性与安全性。无接触网供电系统利用高频电磁场近场耦合原理，以磁场为媒介在地面供电线圈与车载受流线圈之间进行能量传输。

大量的研究致力于分析人类对电磁环境的曝露，如手持天线和无线谐振电源系统，工作频率主要在MHz和GHz。然而，由于电磁兼容性和功率效率，无接触网供电系统的轨道交通车辆通常运行在低kHz范围内（大约在几kHz到100kHz），在这个频率范围，对无接触网供电系统的研究目前还较少。由于无接触网供电系统的强近场可能诱导附近人体组织的高场，必须确定无接触网供电系统符合国际电磁曝露安全指南的条件。

在以往的研究中，对人体曝露于单个充电功率为数kW的无线电能传输场景中，进行人体感应电场和比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）相关的数值研究。有学者研究了典型感应电能传输（Inductive Power Transfer, IPT）系统周围人体电磁曝露，指出即使发射线圈非常接近人体，电磁曝露极限也完全满足电磁曝露要求。此外，之前的研究还评估了测量、数值方法和线圈设计。

然而，对于无接触网供电城轨车辆来说，使用多个100kW级别的电磁耦合机构同时紧密工作供电，可能会在站于无接触网供电城轨车辆周围的人体中感应出较高电磁场，对人体健康造成潜在的不利影响。

西南交通大学等单位的科研人员以无接触网供电城轨车辆内部站立人体进行电磁曝露计算。无接触网供电城轨车辆采用发射端无铁氧体的无接触网供电系统，共有4节车厢，列车长约37.5m、宽2.8m、高2.7m，车底共安装6套接收装置。无接触网供电系统模型如图1所示，高频交流电加到无接触网供电系统地面供电线圈（地面供电线圈铺在两根钢轨中间），并在空间产生高频磁场，从而在接收板感应出电流，并经整流器输出直流750V电压，直流电压母线为储能系统和车载驱动系统同时供电。

图1 无接触网供电系统模型

图2 含有心脏起搏器的人体模型

他们结合电路和三维有限元数值模型，预测了无接触网供电城轨车辆内部漏磁，并对站于车内的人体的感应电磁场和比吸收率进行评估，计算结果与限制人体曝露于时变电磁场而制定的规定（如ICNIRP和IEEE）限值进行比较，得到了佩戴心脏起搏器的人体位于车内3个不同位置时漏磁、感应电场以及SAR在体内的分布规律。

图3 人体感应电场分布

图4 渡板上方人体SAR分布

结果表明，对于含有起搏器的心脏模型，其SAR值远低于2W/kg的限值，当人体站在渡板上方时，脚踝处局部SAR峰值为1.95W/kg，十分接近人体局部SAR限值。值得注意的是，人体站在渡板上方时感应电场最大值是超过ICNIRP给出的87V/m电场强度限值的，安全起见应该在渡板位置做好电磁防护。本研究成果有助于推动无接触网供电技术在轨道交通中的安全使用。

以上研究成果发表在2021年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“无接触网供电城轨车辆中人体电磁场评估”，作者为董亮、林飞宏 等。

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