王 京,王慶峰,張健穹,李相強(qiáng)

(西南交通大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610031)

引言

磁浮列車與傳統(tǒng)輪軌列車相比，輪軌列車由于有接觸網(wǎng)與回流線防護(hù)[1]，雷電流通過接觸網(wǎng)-受電弓-車頂避雷器侵入車體[2]，而磁浮列車則會受到直接雷擊。雷電作為一種自然放電現(xiàn)象，表現(xiàn)出高電壓、高電流及高瞬時電磁場的特點(diǎn)[3-4]。SAE ARP 5412標(biāo)準(zhǔn)中給出雷電的影響包括直接效應(yīng)(物理效應(yīng))和間接效應(yīng)(電磁效應(yīng))。間接效應(yīng)表現(xiàn)為目標(biāo)遭受雷擊時，放電通道可等效為天線[5]，產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬態(tài)電磁輻射，會在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電磁作用，在內(nèi)部線纜上會產(chǎn)生感應(yīng)電流與感應(yīng)電壓，對各種電子設(shè)備產(chǎn)生干擾和破壞作用[6-7]。

國內(nèi)外很多學(xué)者通過仿真的手段對間接效應(yīng)進(jìn)行研究。APRA M[8]利用VAM-LIFE計(jì)算工具對C-27J運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行雷電間接效應(yīng)仿真分析，得到了雷電流沖擊下，線纜上耦合到的感應(yīng)電流。MEYER M[9]就雷電間接效應(yīng)對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料飛機(jī)的影響進(jìn)行建模，通過分析飛機(jī)不同部位的線纜終端電壓，分析復(fù)合材料區(qū)域添加屏蔽保護(hù)材料的形式。PERALA R. A[10]采用EMA3D軟件，通過數(shù)值計(jì)算仿真技術(shù)對飛機(jī)整機(jī)和設(shè)備在雷擊電流條件下開展了大量的仿真模擬研究。國內(nèi)趙忠義等[11]對飛機(jī)電子設(shè)備艙內(nèi)線纜瞬態(tài)耦合情況，得出了同軸線可有效避大的雷擊瞬時感應(yīng)電流的結(jié)論。張鐵純等[12]采用EMA3D軟件分析了機(jī)載設(shè)備的閃電電磁環(huán)境，并對特定線纜的感應(yīng)電流進(jìn)行了分析。王萬富等[13-14]通過不同的數(shù)值模擬方法模擬雷電流沖擊下，飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)線纜耦合電流特性。文獻(xiàn)[15-16]采用試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了雷電間接效應(yīng)在直升機(jī)內(nèi)部電磁場的分布，為直升機(jī)的雷電防護(hù)技術(shù)奠定基礎(chǔ)。但是目前針對磁浮列車?yán)纂婇g接效應(yīng)的研究尚未報道。

1 數(shù)值模擬原理

1.1 TLM方法

基于CST微波工作室TLM算法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。TLM是一種時域微分的數(shù)值計(jì)算方法，它的基礎(chǔ)是惠更斯的光傳播模型和等效傳輸線理論，現(xiàn)在普遍用于三維結(jié)構(gòu)的電磁場仿真。在該方法中，工程問題首先被連續(xù)的傳輸線網(wǎng)絡(luò)所模擬，網(wǎng)絡(luò)中的一個結(jié)點(diǎn)被一個集總元件表示，其物理參數(shù)對應(yīng)實(shí)際問題的參數(shù)，這樣就把空間離散化了；然后由傳輸線構(gòu)成的各個結(jié)點(diǎn)來模擬集總元件，這是完成時間的離散化[17]。其過程可用以下公式描述

Vr=SVi

(1)

Vr，k+1=CVk

(2)

式中，Vi為激勵電壓矩陣;Vr為反射電壓矩陣;S為結(jié)點(diǎn)的脈沖散射矩陣;C為描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接矩陣。

1.2 仿真模型建立

仿真采用的模型為高速磁浮列車單節(jié)車廂1∶3等比例簡化模型，車廂最大長度為8 m，最大寬度為1.25 m，最大高度為0.8 m，車體材料采用1.5 mm厚的鋁蒙皮材料，整個仿真環(huán)境設(shè)計(jì)如圖1所示。從頻率上來看，雷電流A波形能量能量和主要集中在10 kHz左右，由于電磁波耦合進(jìn)入磁浮列車車體內(nèi)部后，考慮到共振現(xiàn)象。因此將整個仿真計(jì)算的頻率設(shè)置為0～30 MHz。模型最小網(wǎng)格步長設(shè)置為30 mm，總的網(wǎng)格數(shù)為6×105個。

圖1 仿真環(huán)境設(shè)置

1.3 試驗(yàn)平臺搭建

根據(jù)SAE ARP 5416試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，模型底部需要接地平板作為回流，在車體前端位置將車體與接地板短接，構(gòu)成擊穿后的電流回路。在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，用拼接鋁板作為回流接地板，接地板與接地網(wǎng)連接距離盡可能短，以保證減小接地回路電感[18]，整個試驗(yàn)平臺如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)平臺搭建

2 雷電流波形

標(biāo)準(zhǔn)雷電環(huán)境由單獨(dú)的電壓波形和電流波形組成，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，它們代表了自然雷電的重要特征。標(biāo)準(zhǔn)SAE ARP 5412中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，為了便于定量分析和工程計(jì)算，將雷電流波形等值為雙指數(shù)波形，標(biāo)準(zhǔn)波形如圖3所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

I(t)=I0(e-αt-e-βt)

(3)

根據(jù)SAE ARP 5412標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：式中，I0取218 810 A，α取11 354 s-1，β取647 265 s-1。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形

3 結(jié)果分析

3.1 不同位置線纜耦合情況分析

根據(jù)電磁場理論，線纜上產(chǎn)生的電流有兩種方式[19]：分別是場線耦合與傳導(dǎo)耦合。由于車體蒙皮采用導(dǎo)電性良好的鋁蒙皮材料，后者影響較小，整個車體表面窗戶比較大，窗戶材料作為非導(dǎo)電材料，對電磁場屏蔽效果較差，車體內(nèi)部電磁場主要由外部電磁場透過窗戶產(chǎn)生，使得車體內(nèi)部電磁場分布十分復(fù)雜。仿真與試驗(yàn)采用的雷電流波形幅值為1 kA，波形前后沿與標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形一致，選取7 m長單芯線纜，分別設(shè)置4組高度位置，另外設(shè)置1組線纜置于車廂一側(cè)，測試線纜位置對線纜耦合的影響，仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，表1展示了不同高度仿真與試驗(yàn)電流幅值。

圖4 高度位置對線纜耦合的影響

表1 線纜感應(yīng)電流幅值

仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著線纜豎直距離的增大，其耦合電流量也在增大，其原因在于距地高度的升高伴隨著回路面積的變大，其通過電磁耦合量增大。當(dāng)線纜均在同一高度放置時，閉合回路面積一定，其差距較小。

3.2 不同線型線纜耦合情況分析

雙絞線作為傳輸線[20]，它由于波阻抗高、體積小，使用帶寬較高的特點(diǎn)，對于抑制電磁干擾方面有較好的性能，在高速磁浮列車信號傳輸過程中被廣泛使用。為了評估雷電間接效應(yīng)在雙絞線上的耦合量，對比了單線結(jié)果進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究，仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，表2展示了不同線纜類型的仿真與試驗(yàn)電流幅值。

圖5 線型對線纜耦合的影響

表2 線纜感應(yīng)電流幅值

通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果，雙絞線感應(yīng)電流要小于單線上感應(yīng)電流，說明雙絞線能夠有效抑制磁場的干擾。這不僅僅是由于兩根線之間具有很小的回路面積，而且由于雙絞線的每兩個回路上感應(yīng)出的電流具有相反方向，因此相互抵消。

3.3 屏蔽層接地方式對線纜耦合的影響

為了減小空間電磁場對連接電纜導(dǎo)體的直接耦合，電纜通常都帶有屏蔽層，為了評估屏蔽層接地方式對線纜耦合的影響，選取7 m長同軸線纜RG58，置于車體中部位置，高度100 mm，分別考慮線纜接地方式包括：雙端接地，單端接地，均不接地的影響。等效電路如圖6所示，R1，R2分別表示跳線阻抗以及接觸電阻，圖7為屏蔽層接地方式對線纜耦合的仿真與試驗(yàn)結(jié)果，表3展示了屏蔽線纜不同接地方式的仿真與試驗(yàn)電流幅值大小。

圖6 不同接地方式等效電路

圖7 不同接地方式對線纜電流耦合影響

表3 線纜感應(yīng)電流幅值

通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果，屏蔽層雙端接地效果更好，這是由于屏蔽層單端接地時，回路磁場不會有任何變化，考慮到容性耦合，單端接地改變了分布電容參數(shù)，感應(yīng)電流會適當(dāng)減小。對于雙端接地，屏蔽層抑制了磁場耦合，在芯線上的電流耦合量較小。

對于電容性耦合而言，是由電場感應(yīng)決定的，其原理是在靜電感應(yīng)下，屏蔽層形成電荷累積，從而在分布電容上產(chǎn)生較高電壓。不接地時屏蔽層中的電荷可以自由累積，因此，不接地的屏蔽層對電場干擾沒有屏蔽作用。只要接地，由于大地電荷的中和作用，屏蔽層中無法累積電荷，能夠起到一定的屏蔽作用；對于電感性耦合而言，當(dāng)屏蔽層單端接地時，屏蔽層與大地未構(gòu)成回路，因此不會有電流流過，也無法改變干擾線所產(chǎn)生的空間電磁場。芯線上的耦合電壓不會得到削減，屏蔽層雙端接地，屏蔽層與地構(gòu)成的回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場與原磁場方向相反，可以相互抵消，芯線上耦合得到了抑制。

3.4 多路徑擊穿條件下對線纜耦合的影響

磁浮列車運(yùn)行時，滑軌和滑軌，以及導(dǎo)向/制動電磁鐵和導(dǎo)向/制動軌相互面對形成一對平行板。平行板不相互接觸形成氣隙。雷擊時，雷擊電流需要沖破平行板間的氣隙漏入鋼軌，最后通過鋼軌上的接地裝置流入大地。在導(dǎo)向/制動電磁鐵和導(dǎo)向/制動軌電壓足夠大的條件下，雷電流存在多路徑擊穿的現(xiàn)象，即雷電流存在多條泄流路徑，在此現(xiàn)象下，研究多路徑對線纜電流耦合的影響。仿真與試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，表4展示了多路徑條件下的仿真與試驗(yàn)電流幅值。

圖8 多路徑對線纜電流耦合的影響

表4 線纜感應(yīng)電流幅值

通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果，多路徑條件能夠抑制感應(yīng)電流的產(chǎn)生，這是由于多路徑的存在，使得車體過電壓降低，耦合在線纜上的電流相應(yīng)地得到抑制。

4 結(jié)論

本文開展了高速磁浮列車線纜的雷電間接效應(yīng)耦合特性仿真研究，采用基于傳輸線矩陣?yán)碚?，得到了列車?nèi)部典型線纜在不同狀態(tài)下耦合電流的情況，并通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真的正確性，給到了磁浮車布線以及選型的建議，結(jié)論如下。

(1)提出一種預(yù)測磁浮列車?yán)纂婇g接效應(yīng)線纜電流耦合量的方法，通過數(shù)值模擬結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性。

(2)針對線纜布局，將單線按照不同位置進(jìn)行放置，可得到線纜擺放高度越小，其電流回路面積越小，感應(yīng)出的電流也會越小這一規(guī)律。在磁浮列車上布線時，也應(yīng)盡量將線纜高度降低，在線纜選型方面，優(yōu)先選擇屏蔽線纜與雙絞線，以減小電磁效應(yīng)干擾量。

(3)屏蔽線纜的屏蔽層無論單端接地，以及雙端接地，都能起到屏蔽外部電磁干擾的作用，在理想狀態(tài)下，雙端接地效果更好，在雷電防護(hù)過程中，考慮雙端接地方式來抑制芯線上感應(yīng)電流的產(chǎn)生。

(4)為了減小電流耦合量，考慮在導(dǎo)向/制動電磁鐵和導(dǎo)向/制動軌之間設(shè)計(jì)尖端結(jié)構(gòu)，用于降低兩者之間的擊穿閾值，使得間隙更易擊穿，減小車體過電壓。