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傳統(tǒng)的城市軌道車輛以接觸網(wǎng)供電方式為主，無(wú)接觸網(wǎng)供電技術(shù)使得車輛脫離導(dǎo)線的束縛，車輛可以在更加復(fù)雜的環(huán)境中運(yùn)行，有利于車輛供電的可靠性與安全性。無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)利用高頻電磁場(chǎng)近場(chǎng)耦合原理，以磁場(chǎng)為媒介在地面供電線圈與車載受流線圈之間進(jìn)行能量傳輸。

大量的研究致力于分析人類對(duì)電磁環(huán)境的曝露，如手持天線和無(wú)線諧振電源系統(tǒng)，工作頻率主要在MHz和GHz。然而，由于電磁兼容性和功率效率，無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的軌道交通車輛通常運(yùn)行在低kHz范圍內(nèi)（大約在幾kHz到100kHz），在這個(gè)頻率范圍，對(duì)無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的研究目前還較少。由于無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)的強(qiáng)近場(chǎng)可能誘導(dǎo)附近人體組織的高場(chǎng)，必須確定無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)符合國(guó)際電磁曝露安全指南的條件。

在以往的研究中，對(duì)人體曝露于單個(gè)充電功率為數(shù)kW的無(wú)線電能傳輸場(chǎng)景中，進(jìn)行人體感應(yīng)電場(chǎng)和比吸收率（Specific Absorption Rate, SAR）相關(guān)的數(shù)值研究。有學(xué)者研究了典型感應(yīng)電能傳輸（Inductive Power Transfer, IPT）系統(tǒng)周圍人體電磁曝露，指出即使發(fā)射線圈非常接近人體，電磁曝露極限也完全滿足電磁曝露要求。此外，之前的研究還評(píng)估了測(cè)量、數(shù)值方法和線圈設(shè)計(jì)。

然而，對(duì)于無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛來(lái)說(shuō)，使用多個(gè)100kW級(jí)別的電磁耦合機(jī)構(gòu)同時(shí)緊密工作供電，可能會(huì)在站于無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛周圍的人體中感應(yīng)出較高電磁場(chǎng)，對(duì)人體健康造成潛在的不利影響。

西南交通大學(xué)等單位的科研人員以無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛內(nèi)部站立人體進(jìn)行電磁曝露計(jì)算。無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛采用發(fā)射端無(wú)鐵氧體的無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)，共有4節(jié)車廂，列車長(zhǎng)約37.5m、寬2.8m、高2.7m，車底共安裝6套接收裝置。無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)模型如圖1所示，高頻交流電加到無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)地面供電線圈（地面供電線圈鋪在兩根鋼軌中間），并在空間產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，從而在接收板感應(yīng)出電流，并經(jīng)整流器輸出直流750V電壓，直流電壓母線為儲(chǔ)能系統(tǒng)和車載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同時(shí)供電。

圖1 無(wú)接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)模型

圖2 含有心臟起搏器的人體模型

他們結(jié)合電路和三維有限元數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛內(nèi)部漏磁，并對(duì)站于車內(nèi)的人體的感應(yīng)電磁場(chǎng)和比吸收率進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算結(jié)果與限制人體曝露于時(shí)變電磁場(chǎng)而制定的規(guī)定（如ICNIRP和IEEE）限值進(jìn)行比較，得到了佩戴心臟起搏器的人體位于車內(nèi)3個(gè)不同位置時(shí)漏磁、感應(yīng)電場(chǎng)以及SAR在體內(nèi)的分布規(guī)律。

圖3 人體感應(yīng)電場(chǎng)分布

圖4 渡板上方人體SAR分布

結(jié)果表明，對(duì)于含有起搏器的心臟模型，其SAR值遠(yuǎn)低于2W/kg的限值，當(dāng)人體站在渡板上方時(shí)，腳踝處局部SAR峰值為1.95W/kg，十分接近人體局部SAR限值。值得注意的是，人體站在渡板上方時(shí)感應(yīng)電場(chǎng)最大值是超過(guò)ICNIRP給出的87V/m電場(chǎng)強(qiáng)度限值的，安全起見應(yīng)該在渡板位置做好電磁防護(hù)。本研究成果有助于推動(dòng)無(wú)接觸網(wǎng)供電技術(shù)在軌道交通中的安全使用。

以上研究成果發(fā)表在2021年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“無(wú)接觸網(wǎng)供電城軌車輛中人體電磁場(chǎng)評(píng)估”，作者為董亮、林飛宏 等。