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原文传递电气化铁路弓网电磁暴露安全评估

论文题名：	电气化铁路弓网电磁暴露安全评估
关键词：	弓网系统;接触线;弓网电弧;电磁暴露;安全评估
摘要：	在电气化铁路中，列车通过安装在车顶的受电弓与弓网的接触线实现电能传输，驱动列车前行。我国普遍采用工频27.5kV高电压单相交流供电制式，接触线上电流大小取决于线路的坡度和列车负载等工况，其值从几百安培至上千安培。接触线上的高电压和大电流在周围空间产生电场、磁场和电磁脉冲；列车在运行过程中，由于线路不平顺、过分相点、接触线结冰及沙尘污染等原因，导致受电弓与接触线瞬间分离并产生弓网电弧；列车静止时升弓或降弓同样容易产生弓网电弧，弓网电弧会向周围空间产生电磁脉冲辐射。　　该领域已有研究主要针对弓网电磁兼容问题，尤其在弓网电弧对信号设备干扰、电气损伤机理及防护等方面。接触线的工频高电压和大电流及弓网电磁脉冲对站场工作人员及乘客的电磁暴露研究较少。因此，本论文开展有关电气化铁路弓网电磁暴露安全评估具有重要意义，主要研究工作如下：　　(1)接触线工频高电压和大电流职业电磁暴露安全评估。在COMSOLMultiphysics软件中构建接触线工频高电压辐射源及高柱信号机作业人员电磁模型，求解并分析单线和复线铁路两种情况，接触线工频高电压作用下，作业人员人体组织中的静电感应电场分布。结果表明：对于人体组织中电场强度最大值，复线铁路的情况大于单线铁路。复线铁路中，作业人员大脑内部和人体组织电场强度最大值分别为0.19mV/m和310mV/m，分别为国际非电离辐射委员会(InternationalCommissiononNon-IonizingRadiationProtection,ICNIRP)制定的职业电磁暴露限值的0.19%和38.75%。　　同时，本论文构建了接触线工频大电流辐射源及高柱信号机作业人员电磁模型，求解并分析复线铁路接触线工频大电流作用下，作业人员人体组织中的电磁场分布。结果表明：复线铁路中，双接触线同时有车取流，人体组织中的磁通密度和电场强度最大值均大于仅有一条接触线有车取流的情况；双接触线同时有车取流，人体组织中磁通密度和头部中枢神经系统电场强度最大值分别为66.7?T和0.9mV/m，分别为ICNIRP职业电磁暴露限值6.67%和0.9%。　　研究结果表明：接触线工频高电压和大电流对高柱信号机作业人员职业电磁暴露安全风险较低。　　(2)弓网电磁脉冲职业与公众电磁暴露安全评估。通过构建列车静止状态下受电弓升降弓电磁脉冲辐射源和地勤人员电磁模型，求解不同位置地勤人员人体组织中的比吸收率和电场强度分布。结果表明：电磁脉冲辐射强度随距离增加迅速衰减。比如，地勤人员距股道中心线约3m的位置，人体组织中比吸收率和电场强度最大值分别为4.10μW/kg和237mV/m，均远远小于ICNIRP职业电磁暴露限值。　　同时，本论文围绕列车运行过程中产生弓网拉弧电磁脉冲对乘客的电磁暴露水平进行研究，求解车厢内不同位置乘客人体组织中比吸收率和电场强度的分布。结果表明：靠近车窗乘客人体组织比吸收率和电场强度值远远小于ICNIRP公众电磁暴露限值。　　以上研究结果表明：升降受电弓电磁脉冲及弓网拉弧电磁脉冲对地勤人员及乘客的电磁暴露水平均在ICNIRP的限值以内。　　(3)弓网电磁脉冲辐射实验测量。在机车整备场对机车走行、升降受电弓产生的弓网电弧电磁脉冲进行实验测量。测量结果表明：升弓电磁脉冲峰值大于降弓时的情况；升弓电磁脉冲电场强度和磁场强度峰值分别为2.03×10-1V/m和5.37×10-4A/m，分别为ICNIRP职业电磁暴露限值的0.32%和0.31%。　　同时，本论文对某客运专线沿线弓网拉弧电磁脉冲进行实验测量。测量结果表明：电场强度在距离线路10m、20m和30m时，其最大值分别为21.83mV/m、18.13mV/m和7.90mV/m，均远远小于ICNIRP公众电磁暴露限值。　　研究结果表明：不论是受电弓升弓、降弓还是列车运行中弓网拉弧电磁脉冲的电磁辐射水平均在ICNIRP的限值以内。　　本论文的系统研究结果表明：不论是接触线的工频高电压和大电流，还是弓网电磁脉冲，该环境中的人体组织电磁暴露水平均在国内外的电磁辐射安全标准限值以内。本论文研究结果为制定电气化铁路的电磁暴露安全标准具有一定的参考价值；对电气化铁路设计、高柱信号机作业人员、机车整备场的地勤人员、车厢内乘客电磁暴露安全防护提供参考依据；同时，有助于消除公众和职业人员对弓网电磁暴露危害性和可能引发健康风险的担忧。
作者：	阳长琼
专业：	交通信息工程及控制
导师：	逯迈
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2021