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[摘 要]阐述了高速动车组EMC（Electromagnetic Compatibility/电磁兼容性）指标量化的理论依据，并分析几种EMC相关保护处理方式。通过种种防护措施，将动车组内部电磁辐射对人体伤害以及电气设备之间的干扰降到最低。
[关键词]动车组 EMC 屏蔽 接地
中图分类号：D215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0278-02
0、引言
最近时期，关于高速动车组电磁辐射是否会对人体产生伤害的话题在社会上造成一定影响。针对此问题的种种揣测，我们从设计角度分析了动车组内部各种电磁辐射的处理方式以及防护措施，以打消人们的顾虑。
1 、高速动车组EMC指标量化的理论依据
1.1 低频电场的耦合
时变的电场与人体之间的相互作用可以导致电荷流动（电流）、束缚电荷极化（形成电偶极子）以及组织中的电偶极子重新定向。身体外部的电场可以在身体上感应出表面电荷，进而会在体内感应出电流，电流的分布则取决于暴露条件、人体的尺寸和形状以及身体位于场中的位置。
1.2 低频磁场的耦合
时变磁场与人体之间的相互作用可以产生感应电场以及循环电流。人体内任何部位所产生的感应电流的实际路径和大小都取决于组织的导电率。
1.3 从电磁场吸收能量
暴露于低频电场和磁场之中导致的身体能量吸收和体温升高一般可以忽略不计。然而，暴露于频率超过100 kHz的电磁场可以产生明显的能量吸收和温度升高。
在人体吸收能量方面，电磁场可以划分为四个范围：
* 从大约100 kHz到低于20 MHz的频率范围，躯干对能量的吸收作用随频率的降低快速减弱，明显的能量吸收出现在颈部和腿部。
* 从大约20 MHz到300 MHz的频率范围，全身吸收的能量相对较多，如果考虑身体局部（如头部）的共振，所吸收的能量会更高。
* 从大约300 MHz到几GHz的频率范围，能量吸收会出现较明显的局部性和不均匀特征。
* 超过10 GHz的频率范围，能量吸收主要发生在体表。
车内不同频率范围的基本照射限值利用了不同的科学根据：
* 在l Hz - l0 MHz频率范围内，基本限值主要是电流密度，以防止对神经系统功能造成影响。
* 在100 kHz-l0 GHz频率范围内，基本限值主要是人体组织反应（SAR），以防止全身发热和局部组织过热；
* 在l00 kHz -l0 MHz频率范围内，基本限值包括电流密度和人体组织反应（SAR）；
* 在10 -300GHz频率范围内，基本限值主要是功率密度，以防止身体表面组织或附近组织过热。
出于安全考虑，对于4 Hz - 1 kHz的频率范围而言，职业暴露应限制为感应电流密度低于10 mAm-2的场，即安全系数为10。对于公共限制而言，采用额外的安全系数5，基本照射限值为2 mAm-2。对于4 Hz以下以及l kHz以上的频率而言，感应电流密度基本限值逐渐提高，同时与这些频率范围相关的神经剌激阈值也相应提高。
在多频场同时照射的情况下，确定这些照射效应是否是累加性的是非常重要的。热剌激和电刺激效应需分别对其累加性进行检查，而且应满足下面的基本限值。下面的等式适用于实际照射情况下的相关频率。
对电剌激而言，在低于10 MHz的频率下，感应电流密度应按照下面这个公式进行计算： （1）
对于热效应而言，在超过100 kHz的频率下，SAR和功率密度值应按照下面这个公式进行计算： （2）
其中：
Ji为频率i下的感应电流密度
JL，I是在表4中规定频率i下的感应电流密度限值
SARi是在频率i下的照射SAR
SARL为表4中规定的SAR限值
SL为表5中规定的功率密度
Si为在频率i下的功率密度
依据以上理论数据支持，以及参考国际标准《BS_EN_45502_2_1_2003活性可植入的医疗装置.第2部分用于治疗缓慢性心率失常的活性可植入医疗装置（心脏起搏器）的特殊要求—针对特殊人群的考虑》。我们建议实施：在动车组车内地板与地板以上1.5m的磁通量密度不应超过1Mt（毫特，磁场强度单位）；地板面以上1dm的直流磁场应控制在1Mt以内。
将EMC指标进行量化处理，为动车组电磁辐射数据的收集与分析，提供了一定的参考意义。
2 、高速动车组EMC处理方式
2.1 对电磁设备进行区域约束
高速动车组在开始概念设计阶段，需要重点定义出电气设备或者电子元件的高度敏感区域、一般敏感区域、中性区域、一般干扰区域以及高度干扰区域等空间区域。下图1展示了区域约束的原理。
我们按照区域分类等级，利用金属箱体进行区域约束，车内各电控柜的箱体结构设计就是很好的电磁兼容性区域约束应用实例。
可见金属壳体是解决电磁辐射的很好的处理方式，高速动车组的整体铝合金车体结构设计隔绝了车内与车底的电磁辐射的联系，大大降低车底高压设备，牵引电机对车内人体和车内系统部件的辐射影响。
2.2 电磁兼容性接地处理
电磁兼容接地是动车组细节设计阶段，在电磁兼容设计上而实施的接地。其目的是为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。
动车组内部电气设备的噪声和干扰抑制是对内部噪声和外部干扰的控制，需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”的通道。并且现车条件允许，要求实现多点接地，尽可能减少接地线长度，使高频阻抗减至最小。 接地接触面严禁有漆膜等绝缘物等的要求，要符合动车组功能性接地或者保护性接地标准要求，符合EN50153关于电气危险性的相关防护规定。
下图2直观展示了EMC双端接地以及多点接地的处理方式。
2.3 各种线缆屏蔽处理方式
为保证电磁兼容性接地需要，屏蔽电缆应选择特性阻抗符合需求的电缆。 通常情况下，电缆屏蔽两端均应接地；特殊情况下，允许单端接地。我们一般建议屏蔽电缆敷设过程中不能中断，以保证屏蔽层的连续性，信号电缆（尤其是同轴电缆）端部的屏蔽层最好是360°环形屏蔽连接。
高速动车组内部广泛采用如图3所示的各种规格屏蔽电缆、屏蔽插头以及消磁连接件等。
以上几种是高速动车组内部集中采用的EMC处理方式，例如：利用线槽隔栅对不同电压等级的线缆进行分别敷设；利用金属编织网管对高度敏感区域线缆进行屏蔽保护；广泛应用带消除应力的EMC管接头等。
类似的种种应用都体现在高速动车组的设计细节当中，以保证将动车组内部电磁辐射对人体伤害以及电气设备之间的干扰降到最低。
真正做到，把保护健康和安全视作一项基本的社会责任，制造出让社会放心的安全列车。
3、结论语
高速动车组在系统集成技术方面已经达到了世界先进水平，我们根据电磁兼容相关标准要求，对各个系统提出了严格的指标，所有车载电气设备都需要通过电磁兼容（EMC）试验。
同时对动车组内部布线采取了严格的屏蔽措施，在型式试验、调查试验过程中对动车组车厢、司机室等进行系统监测，其电场、磁场强度均符合国家相关标准，确保高速动车组内部电磁辐射对人体伤害以及电气设备之间的干扰降到最低。
参考文献
[1] EN50121-1 轨道交通电磁兼容 通则；
[2] EN50153：2002 铁路应用 机车车辆电气隐患防护的规定；
[3] BS_EN_45502_2_1_2003活性可植入的医疗装置 第2部分用于治疗缓慢性心率失常的活性可植入医疗装置（心脏起搏器）的特殊要求—针对特殊人群的考虑.
[4] GB_T_24338_3_2009轨道交通，电磁兼容，第3-2部分：机车车辆，列车和整车.
[5] GB_T_24338_4_2009，轨道交通，电磁兼容，第3-2部分：机车车辆 设备.
[关键词]动车组 EMC 屏蔽 接地
中图分类号：D215 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0278-02
0、引言
最近时期，关于高速动车组电磁辐射是否会对人体产生伤害的话题在社会上造成一定影响。针对此问题的种种揣测，我们从设计角度分析了动车组内部各种电磁辐射的处理方式以及防护措施，以打消人们的顾虑。
1 、高速动车组EMC指标量化的理论依据
1.1 低频电场的耦合
时变的电场与人体之间的相互作用可以导致电荷流动（电流）、束缚电荷极化（形成电偶极子）以及组织中的电偶极子重新定向。身体外部的电场可以在身体上感应出表面电荷，进而会在体内感应出电流，电流的分布则取决于暴露条件、人体的尺寸和形状以及身体位于场中的位置。
1.2 低频磁场的耦合
时变磁场与人体之间的相互作用可以产生感应电场以及循环电流。人体内任何部位所产生的感应电流的实际路径和大小都取决于组织的导电率。
1.3 从电磁场吸收能量
暴露于低频电场和磁场之中导致的身体能量吸收和体温升高一般可以忽略不计。然而，暴露于频率超过100 kHz的电磁场可以产生明显的能量吸收和温度升高。
在人体吸收能量方面，电磁场可以划分为四个范围：
* 从大约100 kHz到低于20 MHz的频率范围，躯干对能量的吸收作用随频率的降低快速减弱，明显的能量吸收出现在颈部和腿部。
* 从大约20 MHz到300 MHz的频率范围，全身吸收的能量相对较多，如果考虑身体局部（如头部）的共振，所吸收的能量会更高。
* 从大约300 MHz到几GHz的频率范围，能量吸收会出现较明显的局部性和不均匀特征。
* 超过10 GHz的频率范围，能量吸收主要发生在体表。
车内不同频率范围的基本照射限值利用了不同的科学根据：
* 在l Hz - l0 MHz频率范围内，基本限值主要是电流密度，以防止对神经系统功能造成影响。
* 在100 kHz-l0 GHz频率范围内，基本限值主要是人体组织反应（SAR），以防止全身发热和局部组织过热；
* 在l00 kHz -l0 MHz频率范围内，基本限值包括电流密度和人体组织反应（SAR）；
* 在10 -300GHz频率范围内，基本限值主要是功率密度，以防止身体表面组织或附近组织过热。
出于安全考虑，对于4 Hz - 1 kHz的频率范围而言，职业暴露应限制为感应电流密度低于10 mAm-2的场，即安全系数为10。对于公共限制而言，采用额外的安全系数5，基本照射限值为2 mAm-2。对于4 Hz以下以及l kHz以上的频率而言，感应电流密度基本限值逐渐提高，同时与这些频率范围相关的神经剌激阈值也相应提高。
在多频场同时照射的情况下，确定这些照射效应是否是累加性的是非常重要的。热剌激和电刺激效应需分别对其累加性进行检查，而且应满足下面的基本限值。下面的等式适用于实际照射情况下的相关频率。
对电剌激而言，在低于10 MHz的频率下，感应电流密度应按照下面这个公式进行计算： （1）
对于热效应而言，在超过100 kHz的频率下，SAR和功率密度值应按照下面这个公式进行计算： （2）
其中：
Ji为频率i下的感应电流密度
JL，I是在表4中规定频率i下的感应电流密度限值
SARi是在频率i下的照射SAR
SARL为表4中规定的SAR限值
SL为表5中规定的功率密度
Si为在频率i下的功率密度
依据以上理论数据支持，以及参考国际标准《BS_EN_45502_2_1_2003活性可植入的医疗装置.第2部分用于治疗缓慢性心率失常的活性可植入医疗装置（心脏起搏器）的特殊要求—针对特殊人群的考虑》。我们建议实施：在动车组车内地板与地板以上1.5m的磁通量密度不应超过1Mt（毫特，磁场强度单位）；地板面以上1dm的直流磁场应控制在1Mt以内。
将EMC指标进行量化处理，为动车组电磁辐射数据的收集与分析，提供了一定的参考意义。
2 、高速动车组EMC处理方式
2.1 对电磁设备进行区域约束
高速动车组在开始概念设计阶段，需要重点定义出电气设备或者电子元件的高度敏感区域、一般敏感区域、中性区域、一般干扰区域以及高度干扰区域等空间区域。下图1展示了区域约束的原理。
我们按照区域分类等级，利用金属箱体进行区域约束，车内各电控柜的箱体结构设计就是很好的电磁兼容性区域约束应用实例。
可见金属壳体是解决电磁辐射的很好的处理方式，高速动车组的整体铝合金车体结构设计隔绝了车内与车底的电磁辐射的联系，大大降低车底高压设备，牵引电机对车内人体和车内系统部件的辐射影响。
2.2 电磁兼容性接地处理
电磁兼容接地是动车组细节设计阶段，在电磁兼容设计上而实施的接地。其目的是为了防止电路之间由于寄生电容存在产生相互干扰、电路辐射电场或对外界电场敏感，必须进行必要的隔离和屏蔽，这些隔离和屏蔽的金属必须接地。
动车组内部电气设备的噪声和干扰抑制是对内部噪声和外部干扰的控制，需要设备或系统上的许多点与地相连，从而为干扰信号提供“最低阻抗”的通道。并且现车条件允许，要求实现多点接地，尽可能减少接地线长度，使高频阻抗减至最小。 接地接触面严禁有漆膜等绝缘物等的要求，要符合动车组功能性接地或者保护性接地标准要求，符合EN50153关于电气危险性的相关防护规定。
下图2直观展示了EMC双端接地以及多点接地的处理方式。
2.3 各种线缆屏蔽处理方式
为保证电磁兼容性接地需要，屏蔽电缆应选择特性阻抗符合需求的电缆。 通常情况下，电缆屏蔽两端均应接地；特殊情况下，允许单端接地。我们一般建议屏蔽电缆敷设过程中不能中断，以保证屏蔽层的连续性，信号电缆（尤其是同轴电缆）端部的屏蔽层最好是360°环形屏蔽连接。
高速动车组内部广泛采用如图3所示的各种规格屏蔽电缆、屏蔽插头以及消磁连接件等。
以上几种是高速动车组内部集中采用的EMC处理方式，例如：利用线槽隔栅对不同电压等级的线缆进行分别敷设；利用金属编织网管对高度敏感区域线缆进行屏蔽保护；广泛应用带消除应力的EMC管接头等。
类似的种种应用都体现在高速动车组的设计细节当中，以保证将动车组内部电磁辐射对人体伤害以及电气设备之间的干扰降到最低。
真正做到，把保护健康和安全视作一项基本的社会责任，制造出让社会放心的安全列车。
3、结论语
高速动车组在系统集成技术方面已经达到了世界先进水平，我们根据电磁兼容相关标准要求，对各个系统提出了严格的指标，所有车载电气设备都需要通过电磁兼容（EMC）试验。
同时对动车组内部布线采取了严格的屏蔽措施，在型式试验、调查试验过程中对动车组车厢、司机室等进行系统监测，其电场、磁场强度均符合国家相关标准，确保高速动车组内部电磁辐射对人体伤害以及电气设备之间的干扰降到最低。
参考文献
[1] EN50121-1 轨道交通电磁兼容 通则；
[2] EN50153：2002 铁路应用 机车车辆电气隐患防护的规定；
[3] BS_EN_45502_2_1_2003活性可植入的医疗装置 第2部分用于治疗缓慢性心率失常的活性可植入医疗装置（心脏起搏器）的特殊要求—针对特殊人群的考虑.
[4] GB_T_24338_3_2009轨道交通，电磁兼容，第3-2部分：机车车辆，列车和整车.
[5] GB_T_24338_4_2009，轨道交通，电磁兼容，第3-2部分：机车车辆 设备.