在应用无线电能传输技术的轨道车辆内，司乘人员的电磁环境安全性怎样？

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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，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，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。

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，对kHz频段关注相对较少；Yuan Qiaowei等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，还有学者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，磁场的泄露可能会对车上人员的健康产生影响。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，来保护人体免受电磁场伤害。

为了有效评估乘客及司机在无线传能机车内的电磁安全问题，西南交通大学电气工程学院的研究人员杨威、徐英雷、王晨曲、林飞宏、董亮，在2022年第11期《电工技术学报》上撰文，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。

图1 无线传能机车仿真模型

图2 系统工作原理

研究人员在工作频率为50kHz频率的仿真系统中，利用三维电磁仿真软件构建无线传能系统辐射下车内人员电磁环境模型，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，研究处于车厢内不同位置的司机和三名乘客（乘客A、乘客B、小孩）暴露的磁场强度、电场强度和电流密度的分布情况，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。

图3 人体位于车内位置

图4 车内人体磁场强度图

图5 车内人体感应电场图

他们的结果表明：位于司机室的司机感应电场强度最小，乘客A感应电场强度为最大；乘客B所处的车厢连接风挡处磁场强度最大；感应电流密度最大值出现在乘客B的腹部位置。所有计算结果均低于国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）导则的电磁场限值，说明位于车内的司机和乘客都是安全的。

图6 车内人体感应电流密度图

图7 车内磁场测试

图8 仿真与测试数据对比

研究人员进一步通过现场测试，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。他们表示，该分析和测试结果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。

本文编自2022年第11期《电工技术学报》，论文标题为“无线传能机车人体电磁环境安全研究”。本课题得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

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