雷擊對(duì)公交車(chē)電磁環(huán)境影響的仿真分析

牛有田,郭松浩,周康潑,王照迪,王 喆,趙修坤,李 貝

(河南師范大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007)

0 引言

相較于普通轎車(chē),公交車(chē)車(chē)身更高,尤其是行駛到城市郊區(qū)等較為空曠的地帶,遭受雷擊的可能性較大[1-2]。當(dāng)雷電擊中公交車(chē)時(shí),可以造成兩種影響。第一種是直接效應(yīng),強(qiáng)大的電流會(huì)直接對(duì)雷擊點(diǎn)附近造成物理破壞;第二種為間接效應(yīng),雷電流的瞬態(tài)過(guò)程會(huì)在車(chē)內(nèi)形成高強(qiáng)度的電磁脈沖磁場(chǎng)[3-4],強(qiáng)大的電磁脈沖會(huì)輻射到線纜上從而干擾車(chē)上的電子設(shè)備正常運(yùn)行[5-6];同時(shí)雷電引起的雷電磁脈沖也可以直接對(duì)車(chē)載電磁設(shè)備造成破壞,從而給車(chē)輛正常工作帶來(lái)巨大危害[7]。相對(duì)于普通轎車(chē),公交車(chē)遭受雷擊后會(huì)帶來(lái)更大的生命財(cái)產(chǎn)損失。但當(dāng)前雷擊對(duì)車(chē)輛影響的研究上大多集中于轎車(chē)車(chē)型,對(duì)于公交車(chē)等大中車(chē)型的研究較少。尤其近年來(lái)為了緩解交通壓力,各個(gè)地區(qū)開(kāi)通了更多的公交路線,投入運(yùn)行更多的公交車(chē)輛。因此研究雷擊對(duì)公交車(chē)的電磁環(huán)境的影響,對(duì)于增強(qiáng)公交車(chē)輛運(yùn)行安全性具有巨大的幫助。

筆者使用仿真的方法對(duì)雷擊公交車(chē)的電磁環(huán)境影響進(jìn)行研究,相較于實(shí)際的實(shí)物實(shí)驗(yàn),仿真具有周期短,成本低等特點(diǎn)[8]。通過(guò)軟件Atair Feko建立某型公交車(chē)的簡(jiǎn)化車(chē)身模型,分別模擬雷擊距車(chē)輛的距離不同、雷擊的方位不同以及發(fā)生雷電時(shí)車(chē)輛天窗有無(wú)關(guān)閉情況等幾種因素下車(chē)廂內(nèi)電場(chǎng),磁場(chǎng)的變化情況以及車(chē)內(nèi)線纜的耦合情況。通過(guò)分析得到的結(jié)論,對(duì)日后公交車(chē)的防雷設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

1 仿真原理

根據(jù)SAE-ARP5416A的定義,雷電流直接效應(yīng)電流波形理想化電流波形分為A,B,C,D4個(gè)分量,其中A分量是影響物體物理結(jié)構(gòu)的重要分量,被稱為首次回?fù)舴至?其最大值可達(dá)到200 kA[9-15]。其理論表達(dá)式為

I(t)=I0(e-at-e-βt)

(1)

上式中:I0=218 810 A;a=11 354 s-1;β=647 265 s-1;e為自然對(duì)數(shù)底數(shù);t為時(shí)間。

本研究所用的仿真軟件是Atair Feko,其核心算法為矩量法(Method of Moment,MOM),能夠有效且快速的解決多尺度電磁問(wèn)題[16-18]。仿真中主要涉及的方程組為麥克斯韋方程組:

?×H=J

(2)

B=?×A

(3)

J=σE

(4)

(5)

上式中:H為磁場(chǎng)強(qiáng)度;J為電流密度;B為磁通密度;A為磁矢量;E為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 模型設(shè)置

建立一個(gè)為10 m×2.5 m×2.4 m的簡(jiǎn)化公交車(chē)模型,將模型A點(diǎn)作為雷擊點(diǎn),B處為公交車(chē)的前天窗,C處為后天窗,其面積均為1.2 m2×0.8 m2,同時(shí)為了更直觀的描述車(chē)艙內(nèi)部的電磁環(huán)境,我們以車(chē)廂底部的正中間的點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)軸,在車(chē)廂內(nèi)部建立5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)M(4.5,0,1.2),N(2.5,0,1.2),O(0,0,1.2),P(-2.5,0,1.2),Q(4.5,0,1.2),具體模型見(jiàn)圖2(a)。在車(chē)廂底部建立同軸線纜模型[19],選用型號(hào)為FEKO線纜庫(kù)中的的型號(hào):RG58C/U: 50 Ohm coax, single shield, diel。PE線纜總長(zhǎng)為10 m,具體路徑見(jiàn)圖2(b)。當(dāng)模型設(shè)置好后,進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 當(dāng)雷擊點(diǎn)位于A處時(shí),車(chē)輛電磁變化分析

當(dāng)雷電直接擊中公交車(chē)時(shí),強(qiáng)大的電流會(huì)直接毀壞車(chē)身,燒穿車(chē)身表層的蒙皮,從而使電流遍布整個(gè)車(chē)身[20]。但在仿真中我們不考慮蒙皮的情況。直接將車(chē)體材質(zhì)設(shè)置為PEC良導(dǎo)體,圖3(a)為雷擊點(diǎn)為A點(diǎn)時(shí)車(chē)身表面電流密度分布的情況,從圖中可以看出,A處作為雷擊點(diǎn),電流密度最大,車(chē)身表面平緩區(qū)域大體上距離雷擊點(diǎn)距離越遠(yuǎn)的位置電流密度值越小,但棱邊以及門(mén)窗邊沿處較為細(xì)窄處電流密度值比周邊區(qū)域的值大。車(chē)廂內(nèi)部的電磁場(chǎng)主要主要由以下原因造成:雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖直接通過(guò)車(chē)窗、車(chē)身孔縫耦合、雷擊電流在車(chē)身上流動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)[21-22]。圖3(b)所示為車(chē)廂內(nèi)從頂部到車(chē)廂底部電場(chǎng)越靠近頂部強(qiáng)度越大,最強(qiáng)處可達(dá)227.5 V/m。圖3(c)為Y=0處車(chē)廂截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布,位置越靠前,離雷擊點(diǎn)越近,電場(chǎng)強(qiáng)度越大,最強(qiáng)處為車(chē)頂雷擊點(diǎn)處。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線見(jiàn)圖4,2 μs左右電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值,在4 μs左右磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大。見(jiàn)圖4(a),M、N、O、P各點(diǎn)曲線在0 μs～40 μs波動(dòng)較為劇烈,40 μs ～60 μs變得較為平穩(wěn),之后在60 μs ～100 μs之間波動(dòng)又變得劇烈起來(lái)。各點(diǎn)隨著距雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn),電場(chǎng)強(qiáng)度越小,但是Q點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度卻大于N、O、P3點(diǎn)。原因可能是Q點(diǎn)距離車(chē)身較近,更受車(chē)身上電流影響。圖4(b)是各點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度曲線,整體較為平穩(wěn),先增后減。M、N、Q、P同樣隨著距雷擊點(diǎn)越遠(yuǎn),磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。Q點(diǎn)同樣出現(xiàn)反常情況,磁場(chǎng)強(qiáng)度大于O、P兩點(diǎn)。

3.2 不同距離的雷擊對(duì)車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境的影響

為了更好分析不同距離對(duì)車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境影響的不同,將位于車(chē)廂中間的O點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)點(diǎn),并在車(chē)廂內(nèi)部線纜中間位置設(shè)立電纜探頭來(lái)監(jiān)測(cè)線纜的耦合電。選取A點(diǎn)、A點(diǎn)正前方10 m、A點(diǎn)正前方50 m作為雷擊發(fā)生的位置,通過(guò)分析O點(diǎn)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度以及車(chē)廂內(nèi)線纜中耦合電壓的強(qiáng)弱[23]來(lái)分析由于雷擊點(diǎn)距離的不同造成車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境影響的不同。

圖5(a)和圖5(b)為雷擊發(fā)生在0 m、10 m、50 m 時(shí)車(chē)廂內(nèi)電場(chǎng)和磁場(chǎng)曲線的情況,雷擊點(diǎn)距車(chē)廂越遠(yuǎn),對(duì)廂內(nèi)電磁環(huán)境造成的影響越小。從圖4(a)可以看出當(dāng)雷擊點(diǎn)在0 m處時(shí),O點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度曲線處在上下波動(dòng)狀態(tài)。在圖5(a)中,因?yàn)?0 m、50 m兩處電場(chǎng)曲線波動(dòng)遠(yuǎn)比0 m處更劇烈,所以0 m 處曲線在圖像上幾乎為直線。在圖5(b)中,隨著距離的增長(zhǎng),監(jiān)測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線較為平緩,均在6.25 μs左右達(dá)到峰值。

雷擊發(fā)生時(shí),形成的雷電磁脈沖會(huì)引起車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的變化。同時(shí)雷電磁脈沖會(huì)與車(chē)內(nèi)線纜耦合,引起線纜內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電壓[23-25]。圖6為3種距離下線纜耦合電壓強(qiáng)度的曲線,和車(chē)內(nèi)磁場(chǎng)場(chǎng)曲線相同,線纜電壓處在6.25 μs達(dá)到峰值;同時(shí)電壓值隨著距離的增加而減小,0 m處大于10 m處大于50 m處。

3.3 不同位置的雷擊對(duì)車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境的影響

以O(shè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別將距O點(diǎn)前方10 m,上方10 m,后方10 m的位置設(shè)為雷擊點(diǎn),見(jiàn)圖 7,來(lái)分析雷擊發(fā)生位置的不同對(duì)車(chē)內(nèi)電磁環(huán)境影響的不同。

圖8(a)為各位置電場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線,3個(gè)位置的雷擊所造成的電場(chǎng)強(qiáng)度變化相差不大,相互重疊處較多,其中上方10 m處略大于后方10 m處略大于前方10 m處,3條曲線同時(shí)在0.781 μs達(dá)到峰值,其峰值處分別相差6 dBV、1 dBV。可見(jiàn)車(chē)身對(duì)上方電場(chǎng)的屏蔽能力小于后方,對(duì)前方電場(chǎng)能力屏蔽能力最強(qiáng)。圖8(b)為各位置磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線,其中雷擊點(diǎn)位于后方10 m處造成的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于前方10 m處大于上方10 m處,3條曲線在6.25 μs處達(dá)到峰值,峰值分別相差4.6 dBA/m、11.26 dBA/m?？梢?jiàn)車(chē)身對(duì)電場(chǎng)的屏蔽能力與對(duì)磁場(chǎng)的的屏蔽能力不同,車(chē)身對(duì)上方磁場(chǎng)的屏蔽能力最強(qiáng),對(duì)后方的屏蔽能力最差[26-28]。

圖9為線纜耦合電壓的變化曲線,雷擊發(fā)生在前方10 m處的線纜耦合電壓曲線和后10 m曲線兩者幾乎重疊,相差不大,但整體上雷擊發(fā)生在后方10 m處線纜耦合電壓曲線要大于前方10 m處,雷擊在上方10 m處的線纜耦合電壓最小。

3.4 天窗的有無(wú)對(duì)車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境的影響

為了方便車(chē)內(nèi)的通風(fēng),一般車(chē)體上方都會(huì)有天窗,為了探索關(guān)閉天窗是否在一定程度上提高車(chē)身的屏蔽能力。將圖2(a)模型上B、C兩處天窗封堵上,分析此時(shí)雷擊點(diǎn)位于前方10 m、前方50 m處以及上方10 m處這3種情況下對(duì)于車(chē)廂內(nèi)部電磁情況的影響,并與沒(méi)有封閉天窗時(shí)電磁變化曲線做對(duì)比,探索關(guān)閉天窗與否是否可以提高車(chē)身的屏蔽能力[29-33]。

圖10、圖11、圖12為雷擊點(diǎn)在上方10 m、前方10 m、前方50 m處時(shí)車(chē)廂電磁環(huán)境變化曲線?？梢钥吹?各圖中電場(chǎng)強(qiáng)度曲線基本上都重疊在一起,說(shuō)明天窗關(guān)閉與否對(duì)電場(chǎng)的屏蔽效果幾乎沒(méi)有影響,而對(duì)磁場(chǎng)具有一定的屏蔽效果[34-35];從各處線纜耦合電壓曲線可以看出,當(dāng)天窗關(guān)閉時(shí)會(huì)降低線纜耦合電壓值。其中雷擊位于前方10 m、50 m處和上方10 m處時(shí),磁場(chǎng)峰值差值為0.1 dBA/m、1.2 dBA/m、0.14 dBA/m;線纜電壓峰值差值為3.51 dBV、2.8 dBV、4.39 dBV。

圖1 雷電流A分量Fig.1 Lightning current A component

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 車(chē)身表面電流以及車(chē)廂內(nèi)部電場(chǎng)分布情況Fig.3 Body surface current and electric field distribution inside the car

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線Fig.4 Curve of electric field intensity and magnetic field intensity with time at each monitoring point

圖5 不同雷擊點(diǎn)對(duì)車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的影響Fig.5 Influence of different lightning strike points on electromagnetic environment in carriage

圖6 車(chē)內(nèi)線纜電壓耦合情況Fig.6 Voltage coupling of cables in the vehicle

圖7 雷擊位置圖Fig.7 Lightning location map

圖8 不同雷擊位置對(duì)車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的影響Fig.8 Influence of different lightning stroke positions on electromagnetic environment in carriage

圖9 車(chē)內(nèi)線纜電壓耦合情況Fig.9 Voltage coupling of cables in the vehicle

圖10 雷擊點(diǎn)位于上方10 m處對(duì)車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的影響Fig.10 The impact of lightning strike point located 10 m above on the electromagnetic environment in the carriage

圖11 雷擊點(diǎn)位于前方10 m處對(duì)車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的影響Fig.11 Impact of lightning strike point located 10 m ahead on electromagnetic environment in the carriage

圖12 雷擊點(diǎn)位于前方50 m處對(duì)車(chē)廂內(nèi)電磁環(huán)境的影響Fig.12 Impact of lightning strike point located 50 m ahead on electromagnetic environment in the carriage

由仿真結(jié)果可知關(guān)閉天窗可以提高車(chē)身對(duì)雷電場(chǎng)磁場(chǎng)的屏蔽效能,降低線纜的耦合電壓,減少雷擊對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的影響,提高車(chē)輛運(yùn)行的安全性[36-38]。

4 結(jié)論

根據(jù)SAE-ARP5416A的定義的雷電流波形函數(shù),通過(guò)FEKO建立公交車(chē)模型,構(gòu)造雷擊環(huán)境,研究不同距離,不同位置以及車(chē)輛天窗關(guān)閉與否3種情況下雷擊對(duì)公交車(chē)車(chē)廂內(nèi)部電磁環(huán)境的影響,同時(shí)仿真還在車(chē)廂底部建立了同軸線纜模型來(lái)分析線纜耦合雷電磁脈沖的情況。

通過(guò)仿真可以得到以下結(jié)論:雷電電流在車(chē)身表面上分布并不均勻。電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著空間位置與雷電路徑距離的增加而減小。在車(chē)身尖角邊沿等結(jié)構(gòu)的位置電場(chǎng)強(qiáng)度值會(huì)比周?chē)鷱?qiáng); 隨著雷擊點(diǎn)與車(chē)輛的距離的增加,雷擊對(duì)車(chē)身內(nèi)部的影響減少;金屬車(chē)身對(duì)雷電磁脈沖起到一定的屏蔽作用,車(chē)身上方的屏蔽能力最強(qiáng);關(guān)閉天窗可以增強(qiáng)車(chē)身的屏蔽能力,提高車(chē)輛運(yùn)行的安全性。