高速磁浮列車線纜雷電間接效應的耦合特性研究

王 京,王慶峰,張健穹,李相強

(西南交通大學物理科學與技術學院,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[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[3-4]。SAE ARP 5412標準中給出雷電的影響包括直接效應(物理效應)和間接效應(電磁效應)。間接效應表現(xiàn)為目標遭受雷擊時，放電通道可等效為天線[5]，產(chǎn)生強烈的瞬態(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)生感應電流與感應電壓，對各種電子設備產(chǎn)生干擾和破壞作用[6-7]。

國內(nèi)外很多學者通過仿真的手段對間接效應進行研究。APRA M[8]利用VAM-LIFE計算工具對C-27J運輸機進行雷電間接效應仿真分析，得到了雷電流沖擊下，線纜上耦合到的感應電流。MEYER M[9]就雷電間接效應對碳纖維增強復合材料飛機的影響進行建模，通過分析飛機不同部位的線纜終端電壓，分析復合材料區(qū)域添加屏蔽保護材料的形式。PERALA R. A[10]采用EMA3D軟件，通過數(shù)值計算仿真技術對飛機整機和設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]對飛機電子設備艙內(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電流的結論。張鐵純等[12]采用EMA3D軟件分析了機載設備的閃電電磁環(huán)境，并對特定線纜的感應電流進行了分析。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，飛機機艙內(nèi)線纜耦合電流特性。文獻[15-16]采用試驗的方式驗證了雷電間接效應在直升機內(nèi)部電磁場的分布，為直升機的雷電防護技術奠定基礎。但是目前針對磁浮列車雷電間接效應的研究尚未報道。

1 數(shù)值模擬原理

1.1 TLM方法

基于CST微波工作室TLM算法進行數(shù)值模擬計算。TLM是一種時域微分的數(shù)值計算方法，它的基礎是惠更斯的光傳播模型和等效傳輸線理論，現(xiàn)在普遍用于三維結構的電磁場仿真。在該方法中，工程問題首先被連續(xù)的傳輸線網(wǎng)絡所模擬，網(wǎng)絡中的一個結點被一個集總元件表示，其物理參數(shù)對應實際問題的參數(shù)，這樣就把空間離散化了；然后由傳輸線構成的各個結點來模擬集總元件，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為結點的脈沖散射矩陣;C為描述網(wǎng)絡拓撲結構的連接矩陣。

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)境設計如圖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。因此將整個仿真計算的頻率設置為0～30 MHz。模型最小網(wǎng)格步長設置為30 mm，總的網(wǎng)格數(shù)為6×105個。

圖1 仿真環(huán)境設置

1.3 試驗平臺搭建

根據(jù)SAE ARP 5416試驗標準，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，構成擊穿后的電流回路。在本試驗設計中，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]，整個試驗平臺如圖2所示。

圖2 試驗平臺搭建

2 雷電流波形

標準雷電環(huán)境由單獨的電壓波形和電流波形組成，根據(jù)標準，它們代表了自然雷電的重要特征。標準SAE ARP 5412中規(guī)定了標準雷電流波形，為了便于定量分析和工程計算，將雷電流波形等值為雙指數(shù)波形，標準波形如圖3所示，其數(shù)學表達式為

I(t)=I0(e-αt-e-βt)

(3)

根據(jù)SAE ARP 5412標準規(guī)定：式中，I0取218 810 A，α取11 354 s-1，β取647 265 s-1。

圖3 標準雷電流波形

3 結果分析

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耦合。由于車體蒙皮采用導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雜。仿真與試驗采用的雷電流波形幅值為1 kA，波形前后沿與標準雷電流波形一致，選取7 m長單芯線纜，分別設置4組高度位置，另外設置1組線纜置于車廂一側，測試線纜位置對線纜耦合的影響，仿真與試驗結果如圖4所示，表1展示了不同高度仿真與試驗電流幅值。

圖4 高度位置對線纜耦合的影響

表1 線纜感應電流幅值

仿真分析與試驗結果表明：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，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在雙絞線上的耦合量，對比了單線結果進行仿真與試驗研究，仿真與試驗結果如圖5所示，表2展示了不同線纜類型的仿真與試驗電流幅值。

圖5 線型對線纜耦合的影響

表2 線纜感應電流幅值

通過仿真與試驗結果，雙絞線感應電流要小于單線上感應電流，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結果，表3展示了屏蔽線纜不同接地方式的仿真與試驗電流幅值大小。

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 線纜感應電流幅值

通過仿真與試驗結果，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)，感應電流會適當減小。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，是由電場感應決定的，其原理是在靜電感應下，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，當屏蔽層單端接地時，屏蔽層與大地未構成回路，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，屏蔽層與地構成的回路中產(chǎn)生感應電流，感應電流產(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

磁浮列車運行時，滑軌和滑軌，以及導向/制動電磁鐵和導向/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。在導向/制動電磁鐵和導向/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。仿真與試驗結果如圖8所示，表4展示了多路徑條件下的仿真與試驗電流幅值。

圖8 多路徑對線纜電流耦合的影響

表4 線纜感應電流幅值

通過仿真與試驗結果，多路徑條件能夠抑制感應電流的產(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地得到抑制。

4 結論

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

(1)提出一種預測磁浮列車雷電間接效應線纜電流耦合量的方法，通過數(shù)值模擬結合試驗驗證了方法的正確性。

(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，感應出的電流也會越小這一規(guī)律。在磁浮列車上布線時，也應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，在雷電防護過程中，考慮雙端接地方式來抑制芯線上感應電流的產(chǎn)生。

(4)為了減小電流耦合量，考慮在導向/制動電磁鐵和導向/制動軌之間設計尖端結構，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。