特種車輛雷電直接效應及耦合仿真分析研究

尹鳳琳，孫穎力，張博宇，張永闊，顧乃威

（北京航天發射技術研究所，北京，100076）

0 引 言

特種車輛在野外長時間待機或執行任務過程中，將直接暴露于雷電環境中，雷電引發的直接效應和電磁效應將對其產生嚴重的后果。地面特種車輛內部電子系統復雜，由大量電磁環境敏感器件組成，雷電環境下極易產生損傷和破壞。

特種車輛經常需要在野外環境下長時間工作，其使用模式特殊，很難按照已有固定目標采用的固定地點雷電防護技術，因此針對空曠場地特種車輛雷電效應仿真及損傷模式的研究分析十分迫切。本文通過針對特種車輛空曠場地環境下兩種使用工況下的直接效應及電磁效應仿真，分析雷電對其損傷機理，從而總結出特種車輛雷電防護建議。

1 雷電產生條件及環境分析

1.1 雷電放電波形

雷電是自然條件下由雷云引起的超長距離大氣瞬時放電現象，放電過程會產生強烈的亮光，產生瞬時大電流，同時輻射出強電磁脈沖。雷電放電電壓高，可達500 kV以上，峰值電流大，高達100～300 kA，放電電流變化快，且放電時間短。GJB1389A中規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，屬于最嚴酷的雷電環境。因此在仿真中借鑒了與飛機雷電電磁效應密切相關的雷電流分量A進行有針對性的耦合分析[2]。A電流分量由雙指數波形描述，表達式[3]為

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

本文直接效應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的峰值和半峰值時間，其電流時域波形及頻譜如圖2所示。

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

1.2 雷電電磁環境計算

特種車輛電磁耦合效應分析主要考慮雷電回擊電流產生的電磁脈沖對車輛影響。本文計算中認為大地近似為良導電平面，且不考慮云內電荷的影響，將雷電回擊通道簡化為垂直于地面的直線通道，且通道周圍為無窮空間，通過任意時間通道中任意高度的回擊電流可計算所產生的電磁場，計算模型如圖3所示。

圖3 雷電回擊的天線模型 Fig.3 Lightning Strike Antenna Model

圖3中雷電回擊通道高度為H，其對應的電磁場為時間t下，高度z’下由回擊電流產生，并計算分析無窮空間內P處電磁場情況。

在均勻、線性、各向同性介質中，麥克斯韋方程組為

式中E為電場強度；B為磁場強度；J為電流密度；ρ為電荷密度；ε為介質的介電常量。

麥克斯韋方程組經簡化后可獲得達朗貝爾方程：

其非齊次解為

式中c為光速，；s＇r為源點的矢量；s＇r為觀測點的矢量；R為觀測點到源的距離，另外，J和ρ滿足連續方程：

采用偶極子法將電場分為靜電分量、感應分量和輻射分量，將磁場分為感應分量和輻射分量，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生的電磁場。因此為了獲得雷電放電電流通過整個放電通道時產生的電磁場，對z＇在整個通道及其鏡像中進行積分。

位于P點的觀測者在t時刻看到的高度就有一個時間上的延遲，如下式：

可以推導出P點雷電回擊水平磁場B?、垂直電場Ez和水平電場Er如下：

如果觀測點P在地面上，即z=0，則可得地面上水平電場Er=0，垂直電場Ez和水平磁場B?,公式相應簡化為

因此要求得雷電回擊電流產生的電磁場，需明確任意時間通道中任意高度的回擊電流[4]。對比雷電流回擊通道中的工程模型，發現DU模型具有較為明確的物理意義，通過DU模型可計算得出距離雷電通道不同距離處垂直電場波形[5]。

經計算得出，距離放電通道50 m處，首次回擊產生的電場峰值為543 kV/m；距離放電通道500 m處，首次回擊產生的電場峰值為56 kV/m；距離放電通道5000 m處，首次回擊產生的電場峰值為5 kV/m。從計算結果可以得出，隨放電距離增加，電場峰值近似等倍減小，經分析由于放電通道50 m處距離較近，更易受到雷電直接效應損傷，并且5000 m距離較遠，電場峰值較小，產生的間接損傷效應不明顯，因此本文雷電間接電磁場效應仿真采用距離放電通道500 m處，電場峰值56 kV/m雷電電磁脈沖進行間接效應仿真。雷電間接效應電場強度如圖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仿真

特種車輛在空曠場地一般有兩種使用工況：a）工況1狀態下，特種車輛機構豎起一定角度，具有較高高度，空曠場地下雷電天氣環境中雷云較低時，機構頂端極易聚集與雷雨云中下部異種電荷，并產生迅速的放電作用，易產生引雷效應并遭受到直接雷擊； b）工況2狀態下，特種車輛待機所在場地處于雷電回擊通道附近時，雷電感應電磁場將對特種車輛上電氣系統及電子設備產生間接效應，在電氣系統關鍵部件、電纜上產生感應電流、電壓，導致其損壞，因此主要針對工況1開展雷電直接效應仿真，針對工況2開展雷電間接電磁效應仿真研究。

仿真模型采用特種車輛模型中外殼為金屬鋁結構，車體大梁采用金屬鋼結構，接地線設置在車體大梁尾端。由于車輛艙門、車窗等安裝使用過程中將產生一定的機械縫隙，雷電電磁脈沖將通過該縫隙耦合進入艙室內部，破壞艙室內部電磁環境，對艙室內部電氣設備正常使用產生一定影響。將車輛艙門、車窗部位等設置0.5 cm寬的縫隙，地面采用公路水泥地面屬性。公路水泥地面參數設置如表1所示。

表1 公路水泥地面參數設置 Tab.1 Parameter Setting of Highway Cement Ground

2.1 雷電直接效應通道仿真

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

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

經數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，特種車輛表面電場及表面電流分布。

圖6 直接雷擊下表面電場分布 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

從上述結果可以看出，雷電直接擊中特種車輛最高點時，將產生嚴重效應，雷電流注入瞬間，特種車輛所處電磁環境惡劣，且最高表面電流高達3000 A，將引發熱效應損傷。由于接地鏈連接在車輛大梁尾端，整車最高點遭受雷電直擊后，雷電集中于擊中位置附近并多數從接地處導入大地，距離較遠的車身及車頭部分等感應電場相較于擊中位置附近較小，約為 10 kV/m，艙室結構內仍耦合部分感應場，因而應對內部電氣設備及屏蔽效能進行防護。

因此，當特種車輛遭受直接雷擊的情況下，需保證接地系統良好，從而保證雷電從直擊點注入，并迅速從接地處導入大地，從而保證了除雷電直擊點及其附近外特種車輛其他位置電磁環境安全，除此之外，雷電放電通路上的電氣設備應當進行有效防護，防止因直接雷擊帶來的瞬時惡劣的電磁環境而損壞。

2.2 特種車輛雷電感應場耦合仿真

2.2.1 艙室結構雷電感應場耦合仿真

特種車輛在工況2狀態下主要考慮車輛附近產生的直接雷擊引發的感應電磁場對車輛上設備的影響，通過仿真特種車輛不同位置內部感應電場、磁場強度，分析雷電電磁脈沖損傷威脅。

工況2感應場耦合仿真中雷電感應電磁場觀察點設置在駕駛室內外，車體艙室兩側前部、中部、尾部內外等位置。

圖8 工況2感應場耦合仿真示意 Fig.8 Lightning Induction Field Coupling Simulation of Operating Mode II

經仿真，特種車輛在工況2狀態下駕駛室內外感應電場與感應磁場仿真結果如圖9所示。

圖9 駕駛室內外感應電場及感應磁場波形 Fig.9 Induced Electric Field and Induced Magnetic Field Waveform Inside and Outside the Cab

特種車輛在工況2狀態下方艙內外感應電場與感應磁場仿真結果如圖10所示。從以上結果可以看出，在工況2狀態下，特種車輛受到雷電間接效應影響，雷電電磁脈沖將對駕駛室及方艙產生耦合效應，此時在方艙外部位置電場最高約為2900 V/m，經方艙屏蔽后，艙內部電場最高約為450 V/m；駕駛室外部位置電場最高為6800 V/m，經駕駛室屏蔽作用后，駕駛室內部電場最高約為200 V/m。駕駛室外部磁場強度最高為160 A/m，經屏蔽作用后內部磁場最高約為35 A/m，方艙外部感應磁場環境約為140 A/m，經屏蔽作用后內部磁場最高約為20 A/m。由此可見，通過艙室結構進行屏蔽設計，可以一定程度上衰減雷電電磁脈沖威脅程度。

圖10 方艙內外感應電場及感應磁場波形 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境下正常工作，需保證艙室結構屏蔽性能的同時，結合內部電磁環境針對電氣設備進行防護匹配設計。

2.2.2 線纜感應耦合仿真

本文針對在工況2狀態下，特種車輛遭受雷電間接效應干擾下方艙內、駕駛室內部不同長度、不同類型線纜感應電壓情況開展耦合仿真分析，具體線纜類型及長度仿真情況如下表2所示。方艙內部線纜仿真結果如圖11所示。

表2 線纜仿真種類 Tab.2 Cable Simulation Type

圖11 艙內同軸線及單線感應電壓 Fig.11 Induced Voltages of Coaxial Line and Single Line Inside the Shelter

駕駛室內部線纜仿真結果如圖12所示。可以看出，線纜產生的感應電壓與線纜長度、線纜類型有關，艙內屏蔽同軸線感應電壓極小，艙內同樣長度的單線保護能力較差，芯線上產生的感應電壓較大，約為15 V，其芯線上同樣產生感應電流，約為0.3 A；駕駛室內屏蔽同軸線上感應電壓相較于同長度下雙絞線極小，由于雙絞線特殊結構形式，兩條單線引發的感應場有一定的抵消作用，因而產生的感應電壓及感應電流較小，約為2.3 V，感應電流約為0.045 A。由此可見，針對不同重要程度電氣設備應選用不同防護等級線纜形式，從而實現降低內部感應電壓，起到更好的防護作用。

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

3 防護建議

通過上述仿真過程及仿真結果分析可以看出，針對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生不同程度的感應場，改變內部電氣設備所處的電磁環境，將直接影響到正常工作。

特種車輛處于工況1情況下，由于機構豎起一定高度，更易受到雷電直擊作用，該種情況下，特種車輛應當保證好接地效果，從而使得直擊點注入的大電流以較快的速度導入大地，并且針對艙室內部線纜及設備上較大的浪涌電壓、電流可通過采用加裝浪涌保護器方式配合良好接地防護。

特種車輛處于工況2情況下，易遭受雷電間接電磁效應損傷，結合上述仿真結果，針對雷電間接效應引發的雷電感應電磁場，應采用屏蔽及浪涌防護方式，其中屏蔽防護手段可以將雷電感應電磁環境與被保護設備隔絕，雷電感應電磁場主要集中在低頻磁場方面，主要采用磁導率較高的材料作為屏蔽材料，提高整體艙室結構屏蔽效能。除此之外，針對無法將雷電感應電磁場完全屏蔽的情況，艙室內部同樣會有感應電磁場，在設備線纜上將產生瞬間感應電壓、電流，屏蔽線纜能夠取得良好的防護效果，再結合浪涌保護方式進行防護。

4 結束語

特種車輛在空曠場地執行任務時在雷電環境下根據使用工況不同，雷電直接效應與電磁耦合效應均將對特種車輛正常使用流程產生威脅。針對不同使用工況下雷電威脅，應采用不同的雷電防護手段，從而提高特種車輛環境適應性。