特種車輛雷電直接效應(yīng)及耦合仿真分析研究

尹鳳琳，孫穎力，張博宇，張永闊，顧乃威

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

特種車輛在野外長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)或執(zhí)行任務(wù)過程中，將直接暴露于雷電環(huán)境中，雷電引發(fā)的直接效應(yīng)和電磁效應(yīng)將對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。地面特種車輛內(nèi)部電子系統(tǒng)復(fù)雜，由大量電磁環(huán)境敏感器件組成，雷電環(huán)境下極易產(chǎn)生損傷和破壞。

特種車輛經(jīng)常需要在野外環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作，其使用模式特殊，很難按照已有固定目標(biāo)采用的固定地點(diǎn)雷電防護(hù)技術(shù)，因此針對(duì)空曠場(chǎng)地特種車輛雷電效應(yīng)仿真及損傷模式的研究分析十分迫切。本文通過針對(duì)特種車輛空曠場(chǎng)地環(huán)境下兩種使用工況下的直接效應(yīng)及電磁效應(yīng)仿真，分析雷電對(duì)其損傷機(jī)理，從而總結(jié)出特種車輛雷電防護(hù)建議。

1 雷電產(chǎn)生條件及環(huán)境分析

1.1 雷電放電波形

雷電是自然條件下由雷云引起的超長(zhǎng)距離大氣瞬時(shí)放電現(xiàn)象，放電過程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的亮光，產(chǎn)生瞬時(shí)大電流，同時(shí)輻射出強(qiáng)電磁脈沖。雷電放電電壓高，可達(dá)500 kV以上，峰值電流大，高達(dá)100～300 kA，放電電流變化快，且放電時(shí)間短。GJB1389A中規(guī)定的雷電流波形如圖1所示[1]。

圖1 雷電流波形 Fig.1 Lightning Current Waveform

由于雷電波形A是云地首次雷擊，屬于最嚴(yán)酷的雷電環(huán)境。因此在仿真中借鑒了與飛機(jī)雷電電磁效應(yīng)密切相關(guān)的雷電流分量A進(jìn)行有針對(duì)性的耦合分析[2]。A電流分量由雙指數(shù)波形描述，表達(dá)式[3]為

式中I0為幅值，I0= 218 810 A ；t為時(shí)間，單位為s；α，β為時(shí)間常數(shù)，α= 11 354 s-1，β= 647 265 s-1。

本文直接效應(yīng)仿真主要選擇雷電流波形為峰值200 kA，1.4×1011A/μs的最大初始電流上升率，以及6.4 μs、69 μs的峰值和半峰值時(shí)間，其電流時(shí)域波形及頻譜如圖2所示。

圖2 雷電流波形 Fig.2 Lightning Current Waveform

1.2 雷電電磁環(huán)境計(jì)算

特種車輛電磁耦合效應(yīng)分析主要考慮雷電回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)車輛影響。本文計(jì)算中認(rèn)為大地近似為良導(dǎo)電平面，且不考慮云內(nèi)電荷的影響，將雷電回?fù)敉ǖ篮?jiǎn)化為垂直于地面的直線通道，且通道周圍為無窮空間，通過任意時(shí)間通道中任意高度的回?fù)綦娏骺捎?jì)算所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 雷電回?fù)舻奶炀€模型 Fig.3 Lightning Strike Antenna Model

圖3中雷電回?fù)敉ǖ栏叨葹镠，其對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)為時(shí)間t下，高度z’下由回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生，并計(jì)算分析無窮空間內(nèi)P處電磁場(chǎng)情況。

在均勻、線性、各向同性介質(zhì)中，麥克斯韋方程組為

式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；J為電流密度；ρ為電荷密度；ε為介質(zhì)的介電常量。

麥克斯韋方程組經(jīng)簡(jiǎn)化后可獲得達(dá)朗貝爾方程：

其非齊次解為

式中c為光速，；s＇r為源點(diǎn)的矢量；s＇r為觀測(cè)點(diǎn)的矢量；R為觀測(cè)點(diǎn)到源的距離，另外，J和ρ滿足連續(xù)方程：

采用偶極子法將電場(chǎng)分為靜電分量、感應(yīng)分量和輻射分量，將磁場(chǎng)分為感應(yīng)分量和輻射分量，求解洛倫茲條件，得到dB和dE。

式（8）至式（11）表示的是位于z＇處的無窮小偶極子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。因此為了獲得雷電放電電流通過整個(gè)放電通道時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，對(duì)z＇在整個(gè)通道及其鏡像中進(jìn)行積分。

位于P點(diǎn)的觀測(cè)者在t時(shí)刻看到的高度就有一個(gè)時(shí)間上的延遲，如下式：

可以推導(dǎo)出P點(diǎn)雷電回?fù)羲酱艌?chǎng)B?、垂直電場(chǎng)Ez和水平電場(chǎng)Er如下：

如果觀測(cè)點(diǎn)P在地面上，即z=0，則可得地面上水平電場(chǎng)Er=0，垂直電場(chǎng)Ez和水平磁場(chǎng)B?,公式相應(yīng)簡(jiǎn)化為

因此要求得雷電回?fù)綦娏鳟a(chǎn)生的電磁場(chǎng)，需明確任意時(shí)間通道中任意高度的回?fù)綦娏鱗4]。對(duì)比雷電流回?fù)敉ǖ乐械墓こ棠Ｐ?，發(fā)現(xiàn)DU模型具有較為明確的物理意義，通過DU模型可計(jì)算得出距離雷電通道不同距離處垂直電場(chǎng)波形[5]。

經(jīng)計(jì)算得出，距離放電通道50 m處，首次回?fù)舢a(chǎn)生的電場(chǎng)峰值為543 kV/m；距離放電通道500 m處，首次回?fù)舢a(chǎn)生的電場(chǎng)峰值為56 kV/m；距離放電通道5000 m處，首次回?fù)舢a(chǎn)生的電場(chǎng)峰值為5 kV/m。從計(jì)算結(jié)果可以得出，隨放電距離增加，電場(chǎng)峰值近似等倍減小，經(jīng)分析由于放電通道50 m處距離較近，更易受到雷電直接效應(yīng)損傷，并且5000 m距離較遠(yuǎn)，電場(chǎng)峰值較小，產(chǎn)生的間接損傷效應(yīng)不明顯，因此本文雷電間接電磁場(chǎng)效應(yīng)仿真采用距離放電通道500 m處，電場(chǎng)峰值56 kV/m雷電電磁脈沖進(jìn)行間接效應(yīng)仿真。雷電間接效應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 雷電電磁脈沖波形 Fig.4 LEMP Waveform

2 特種車輛多工況下雷電效應(yīng)仿真

特種車輛在空曠場(chǎng)地一般有兩種使用工況：a）工況1狀態(tài)下，特種車輛機(jī)構(gòu)豎起一定角度，具有較高高度，空曠場(chǎng)地下雷電天氣環(huán)境中雷云較低時(shí)，機(jī)構(gòu)頂端極易聚集與雷雨云中下部異種電荷，并產(chǎn)生迅速的放電作用，易產(chǎn)生引雷效應(yīng)并遭受到直接雷擊； b）工況2狀態(tài)下，特種車輛待機(jī)所在場(chǎng)地處于雷電回?fù)敉ǖ栏浇鼤r(shí)，雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)將對(duì)特種車輛上電氣系統(tǒng)及電子設(shè)備產(chǎn)生間接效應(yīng)，在電氣系統(tǒng)關(guān)鍵部件、電纜上產(chǎn)生感應(yīng)電流、電壓，導(dǎo)致其損壞，因此主要針對(duì)工況1開展雷電直接效應(yīng)仿真，針對(duì)工況2開展雷電間接電磁效應(yīng)仿真研究。

仿真模型采用特種車輛模型中外殼為金屬鋁結(jié)構(gòu)，車體大梁采用金屬鋼結(jié)構(gòu)，接地線設(shè)置在車體大梁尾端。由于車輛艙門、車窗等安裝使用過程中將產(chǎn)生一定的機(jī)械縫隙，雷電電磁脈沖將通過該縫隙耦合進(jìn)入艙室內(nèi)部，破壞艙室內(nèi)部電磁環(huán)境，對(duì)艙室內(nèi)部電氣設(shè)備正常使用產(chǎn)生一定影響。將車輛艙門、車窗部位等設(shè)置0.5 cm寬的縫隙，地面采用公路水泥地面屬性。公路水泥地面參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 公路水泥地面參數(shù)設(shè)置 Tab.1 Parameter Setting of Highway Cement Ground

2.1 雷電直接效應(yīng)通道仿真

特種車輛處于工況1使用條件下時(shí)，雷電天氣下在機(jī)構(gòu)尖端易感應(yīng)出異種電荷，符合雷電先導(dǎo)形成的條件，易受到雷電直接效應(yīng)損傷。仿真場(chǎng)景如圖5至圖7所示，仿真中采用幅度為200 kA的雙指數(shù)雷電流模型，雷電電流從機(jī)構(gòu)尖端注入，模擬雷電直接擊中工況1使用狀態(tài)下特種車輛最高點(diǎn)的情況。

圖5 工況1雷電直接效應(yīng)仿真示意 Fig.5 Lightning Direct Effect Simulation of Operating Mode I

經(jīng)數(shù)值仿真后可得出如圖6、圖7所示，雷電直擊特種車輛情況下，特種車輛表面電場(chǎng)及表面電流分布。

圖6 直接雷擊下表面電場(chǎng)分布 Fig.6 Surface Electric Field Distribution of Lightning Direct Effect

圖7 直接雷擊下表面電流分布 Fig.7 Surface Current Distribution of Lightning Direct Effect

從上述結(jié)果可以看出，雷電直接擊中特種車輛最高點(diǎn)時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重效應(yīng)，雷電流注入瞬間，特種車輛所處電磁環(huán)境惡劣，且最高表面電流高達(dá)3000 A，將引發(fā)熱效應(yīng)損傷。由于接地鏈連接在車輛大梁尾端，整車最高點(diǎn)遭受雷電直擊后，雷電集中于擊中位置附近并多數(shù)從接地處導(dǎo)入大地，距離較遠(yuǎn)的車身及車頭部分等感應(yīng)電場(chǎng)相較于擊中位置附近較小，約為 10 kV/m，艙室結(jié)構(gòu)內(nèi)仍耦合部分感應(yīng)場(chǎng)，因而應(yīng)對(duì)內(nèi)部電氣設(shè)備及屏蔽效能進(jìn)行防護(hù)。

因此，當(dāng)特種車輛遭受直接雷擊的情況下，需保證接地系統(tǒng)良好，從而保證雷電從直擊點(diǎn)注入，并迅速?gòu)慕拥靥帉?dǎo)入大地，從而保證了除雷電直擊點(diǎn)及其附近外特種車輛其他位置電磁環(huán)境安全，除此之外，雷電放電通路上的電氣設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行有效防護(hù)，防止因直接雷擊帶來的瞬時(shí)惡劣的電磁環(huán)境而損壞。

2.2 特種車輛雷電感應(yīng)場(chǎng)耦合仿真

2.2.1 艙室結(jié)構(gòu)雷電感應(yīng)場(chǎng)耦合仿真

特種車輛在工況2狀態(tài)下主要考慮車輛附近產(chǎn)生的直接雷擊引發(fā)的感應(yīng)電磁場(chǎng)對(duì)車輛上設(shè)備的影響，通過仿真特種車輛不同位置內(nèi)部感應(yīng)電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度，分析雷電電磁脈沖損傷威脅。

工況2感應(yīng)場(chǎng)耦合仿真中雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)觀察點(diǎn)設(shè)置在駕駛室內(nèi)外，車體艙室兩側(cè)前部、中部、尾部?jī)?nèi)外等位置。

圖8 工況2感應(yīng)場(chǎng)耦合仿真示意 Fig.8 Lightning Induction Field Coupling Simulation of Operating Mode II

經(jīng)仿真，特種車輛在工況2狀態(tài)下駕駛室內(nèi)外感應(yīng)電場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 駕駛室內(nèi)外感應(yīng)電場(chǎng)及感應(yīng)磁場(chǎng)波形 Fig.9 Induced Electric Field and Induced Magnetic Field Waveform Inside and Outside the Cab

特種車輛在工況2狀態(tài)下方艙內(nèi)外感應(yīng)電場(chǎng)與感應(yīng)磁場(chǎng)仿真結(jié)果如圖10所示。從以上結(jié)果可以看出，在工況2狀態(tài)下，特種車輛受到雷電間接效應(yīng)影響，雷電電磁脈沖將對(duì)駕駛室及方艙產(chǎn)生耦合效應(yīng)，此時(shí)在方艙外部位置電場(chǎng)最高約為2900 V/m，經(jīng)方艙屏蔽后，艙內(nèi)部電場(chǎng)最高約為450 V/m；駕駛室外部位置電場(chǎng)最高為6800 V/m，經(jīng)駕駛室屏蔽作用后，駕駛室內(nèi)部電場(chǎng)最高約為200 V/m。駕駛室外部磁場(chǎng)強(qiáng)度最高為160 A/m，經(jīng)屏蔽作用后內(nèi)部磁場(chǎng)最高約為35 A/m，方艙外部感應(yīng)磁場(chǎng)環(huán)境約為140 A/m，經(jīng)屏蔽作用后內(nèi)部磁場(chǎng)最高約為20 A/m。由此可見，通過艙室結(jié)構(gòu)進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)，可以一定程度上衰減雷電電磁脈沖威脅程度。

圖10 方艙內(nèi)外感應(yīng)電場(chǎng)及感應(yīng)磁場(chǎng)波形 Fig.10 Induced Electric Field and Induced Magnetic Field Waveform Inside and Outside the Shelter

因此，為保證整車在雷電電磁環(huán)境下正常工作，需保證艙室結(jié)構(gòu)屏蔽性能的同時(shí)，結(jié)合內(nèi)部電磁環(huán)境針對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行防護(hù)匹配設(shè)計(jì)。

2.2.2 線纜感應(yīng)耦合仿真

本文針對(duì)在工況2狀態(tài)下，特種車輛遭受雷電間接效應(yīng)干擾下方艙內(nèi)、駕駛室內(nèi)部不同長(zhǎng)度、不同類型線纜感應(yīng)電壓情況開展耦合仿真分析，具體線纜類型及長(zhǎng)度仿真情況如下表2所示。方艙內(nèi)部線纜仿真結(jié)果如圖11所示。

表2 線纜仿真種類 Tab.2 Cable Simulation Type

圖11 艙內(nèi)同軸線及單線感應(yīng)電壓 Fig.11 Induced Voltages of Coaxial Line and Single Line Inside the Shelter

駕駛室內(nèi)部線纜仿真結(jié)果如圖12所示。可以看出，線纜產(chǎn)生的感應(yīng)電壓與線纜長(zhǎng)度、線纜類型有關(guān)，艙內(nèi)屏蔽同軸線感應(yīng)電壓極小，艙內(nèi)同樣長(zhǎng)度的單線保護(hù)能力較差，芯線上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較大，約為15 V，其芯線上同樣產(chǎn)生感應(yīng)電流，約為0.3 A；駕駛室內(nèi)屏蔽同軸線上感應(yīng)電壓相較于同長(zhǎng)度下雙絞線極小，由于雙絞線特殊結(jié)構(gòu)形式，兩條單線引發(fā)的感應(yīng)場(chǎng)有一定的抵消作用，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓及感應(yīng)電流較小，約為2.3 V，感應(yīng)電流約為0.045 A。由此可見，針對(duì)不同重要程度電氣設(shè)備應(yīng)選用不同防護(hù)等級(jí)線纜形式，從而實(shí)現(xiàn)降低內(nèi)部感應(yīng)電壓，起到更好的防護(hù)作用。

圖12 駕駛室內(nèi)同軸線及雙絞線感應(yīng)電壓 Fig.12 Induced Voltages of Coaxial Line and Twisted Line Inside the Cab

3 防護(hù)建議

通過上述仿真過程及仿真結(jié)果分析可以看出，針對(duì)不同工況特種車輛遭受雷電威脅不同，在特種車輛各部分均能產(chǎn)生不同程度的感應(yīng)場(chǎng)，改變內(nèi)部電氣設(shè)備所處的電磁環(huán)境，將直接影響到正常工作。

特種車輛處于工況1情況下，由于機(jī)構(gòu)豎起一定高度，更易受到雷電直擊作用，該種情況下，特種車輛應(yīng)當(dāng)保證好接地效果，從而使得直擊點(diǎn)注入的大電流以較快的速度導(dǎo)入大地，并且針對(duì)艙室內(nèi)部線纜及設(shè)備上較大的浪涌電壓、電流可通過采用加裝浪涌保護(hù)器方式配合良好接地防護(hù)。

特種車輛處于工況2情況下，易遭受雷電間接電磁效應(yīng)損傷，結(jié)合上述仿真結(jié)果，針對(duì)雷電間接效應(yīng)引發(fā)的雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)，應(yīng)采用屏蔽及浪涌防護(hù)方式，其中屏蔽防護(hù)手段可以將雷電感應(yīng)電磁環(huán)境與被保護(hù)設(shè)備隔絕，雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)主要集中在低頻磁場(chǎng)方面，主要采用磁導(dǎo)率較高的材料作為屏蔽材料，提高整體艙室結(jié)構(gòu)屏蔽效能。除此之外，針對(duì)無法將雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)完全屏蔽的情況，艙室內(nèi)部同樣會(huì)有感應(yīng)電磁場(chǎng)，在設(shè)備線纜上將產(chǎn)生瞬間感應(yīng)電壓、電流，屏蔽線纜能夠取得良好的防護(hù)效果，再結(jié)合浪涌保護(hù)方式進(jìn)行防護(hù)。

4 結(jié)束語

特種車輛在空曠場(chǎng)地執(zhí)行任務(wù)時(shí)在雷電環(huán)境下根據(jù)使用工況不同，雷電直接效應(yīng)與電磁耦合效應(yīng)均將對(duì)特種車輛正常使用流程產(chǎn)生威脅。針對(duì)不同使用工況下雷電威脅，應(yīng)采用不同的雷電防護(hù)手段，從而提高特種車輛環(huán)境適應(yīng)性。