高空核爆電磁脈沖輻照下貨運高鐵內部電場環境分析

摘 要：

為提升復雜電磁環境下貨運高鐵車廂內部電磁敏感設備的安全性，以高空核爆電磁脈沖（high-altitude electromagnetic pulse， HEMP）為激勵源，使用場路耦合的方法對貨運高鐵車廂內含有直流-直流（direct current to direct current，DC/DC）轉換器的電源機箱內部PCB的電場強度及感應電流進行分析。首先，在電磁仿真軟件中建立貨運高鐵電場環境仿真模型；其次，將機箱放置于車廂內部不同位置，使用HEMP從上部和側面2個方向對車廂進行輻照，采用有限積分法（FIT）預測HEMP輻照下車廂內部的電場分布并計算機箱內部感應電場強度；然后，使用法蘭同軸裝置法分析在30～300 MHz內機箱鋁合金材質的屏蔽效能；最后，利用場路耦合的方法得到機箱內部PCB電路板的電場強度以及感應電流。結果表明：電場峰值為50 kV/m 的HEMP，在距離核爆點水平距離30 km處側面輻照車廂時，車廂中間靠近車窗位置的電場強度較大；3A21鋁含量機箱可有效抑制電場干擾；機箱內部PCB電路板上感應電流峰值為1.9 mA，符合GB 17625.1—2022標準要求；機箱內部PCB電路板上電場強度峰值為270 V/m時，PCB電路工作正常，沒有偏離規定的指標值，符合 GJB 151B—2013標準中RS103電場輻射敏感度要求。研究結果可為HEMP輻照條件下高鐵貨物運輸電的磁防護提供依據。

關鍵詞：

電磁學；貨運高鐵；高空核爆電磁脈沖；電場環境；屏蔽作用

中圖分類號：

TN972；X123

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2025yx02009

收稿日期：2024-05-18;修回日期：2025-01-18；責任編輯：丁軍苗

基金項目：中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發計劃項目（L2023G011）；河北省高等學校科學技術研究項目（ZD2021202） ；河北省大學創新創業訓練計劃項目（S202410082012）

第一作者簡介：

張巖（1983—），男，河北石家莊人，副教授，博士，主要從事電磁環境效應與電磁兼容方面的研究。E-mail： yanyanfly163@163.com

Analysis of the internal electric field environment of freight high-speed rail irradiated by high-altitude electromagnetic pulse

ZHANG Yan1， ZHAN Tao1， WANG Yifeng2， JIN Mengzhe3， REN Zexuan1

（1.School of Electrical Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.School of Environmental Science and Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 3.Hebei Key Laboratory of Electromagnetic Environmental Effects and Information Processing， Shijiazhuang， Hebei" 050043， China）

Abstract：

To improve the safety of electromagnetic sensitive equipment in the carriage in the complex electromagnetic environment， a high-altitude electromagnetic pulse （HEMP） was used as the excitation source， and the electric field-circuit coupling method was used to analyze the electric field strength and induced current of the PCB inside the power supply chassis" containing a DC/DC convert in the freight high-speed rail carriage. Firstly， the simulation model of the electric field environment of the freight high-speed rail was established in the electromagnetic simulation software; Secondly， the chassis was placed at different positions inside the carriages， and the HEMP was used to irradiate the carriages from both the upper and side directions. The finite integration method （FIT） was used to predict the electric field distribution inside the carriages under the irradiation of the HEMP and to calculate the strength of the induced electric field inside the computer chassis; Then， the shielding effectiveness of the aluminum alloy material of the chassis in the range of 30～300 MHz was analyzed using the flange coaxial device method. Finally， the electric field strength of the PCB circuit board inside the chassis and the induced current were obtained using the field-circuit coupling method. The results show that for HEMP with a peak electric field of 50 kV/m， the electric field intensity near the window in the middle of the compartment is higher when irradiated on the side of the compartment at a horizontal distance of 30 km from the nuclear explosion point; 3A21 aluminum alloy sample chassis can effectively inhibit the electric field interference; The peak induced current on the PCB circuit board inside the chassis is 1.9 mA， which is in line with the requirements of GB 17625.1—2022 standard; When the peak value of electric field intensity on the PCB circuit board inside the chassis is 270 V/m， the PCB circuit works normally without deviating from the specified index value， meeting the requirements of RS103 electric field radiation sensitivity of GJB 151B—2013 standard. The research results can provide a basis for the electromagnetic protection of high-speed rail freight transportation under HEMP irradiation conditions.

Keywords：

electromagnetics; freight high-speed rail; high-altitude electromagnetic pulse; electric field environment; shielding effect

高鐵貨運列車在軍事和民用領域的大宗物資運輸方面起著重要的作用［1-3］。在高鐵運輸過程中，列車上的貨物會受到不同類型、不同程度的電磁干擾，其中高空核爆電磁脈沖（high-altitude electromagnetic pulse，HEMP）具有巨大的破壞力［4］。金屬機箱可屏蔽一定的電場干擾，但由于通風孔、觀測窗等孔縫的存在會導致機箱電場屏蔽能力下降，使機箱內的敏感電子設備受到干擾［5］。因此，HEMP輻照下敏感設備電場屏蔽防護問題一直是電磁兼容設計過程中重點關注的技術問題 。

近年來，國內一些學者在HEMP電場防護領域進行了一系列的理論研究和實驗分析。李志瑞等［6］證實了使用有效的電場屏蔽措施可避免HEMP對無線通信設備產生損傷，通過試驗表明了防護后的設備性能指標均在合格范圍內，滿足HEMP環境要求；陳書恒等［7］提出了空域防護、頻域防護、能域防護等HEMP電場屏蔽防護的建議和手段，抑制了HEMP對武器裝備電子信息系統的影響，提高了武器裝備在未來戰場上的可靠性；王偉等［8］研究了HEMP照射下車輛表面感應電流的變化情況，得出車輛表面的感應電流最大值與其結構復雜度呈正相關變化的結論；聶坤林等［9］分析了某型軍用車輛在高空核爆炸環境下的電磁脈沖耦合特性，得出HEMP電場條件下電臺能夠正常工作，基本不影響通訊的結論；肖冬萍等［10］分析了HEMP對便攜式醫用監護儀的輻射效應，表明了HEMP會對監護儀的工作造成嚴重影響，加強監護儀外殼的屏蔽能力對于提升監護儀的抗電磁脈沖能力具有重要的作用。上述研究多集中在智能化武器裝備、軍用車輛、醫用監護儀等領域，有關高鐵車廂這一典型運輸工具在HEMP輻照下的電場分布規律研究相對較少，且缺少對電場分布規律的定量分析，對于電場防護的研究缺少屏蔽材料的屏蔽效果評估。

基于此，本文計算了典型HEMP在CRH400BF高鐵列車二等車車廂內部的電場分布，并通過法蘭同軸裝置測量了鋁合金材質機箱的電場屏蔽效能，探究了HEMP在含有直流-直流（direct current to direct current，DC/DC）轉換器的電源機箱內部PCB電路中產生的電場干擾效應，為電磁防護研究提供參考。

1 HEMP分析與高鐵車廂建模

1.1 HEMP特性

HEMP是在高空核爆炸過程中由瞬發射線引起的瞬態電磁波傳播，由于爆炸點處的電磁脈沖到列車的距離較遠（爆炸中心高度距離地面30 km以上），當球面波傳遞到地面附近時可視為平面波［11-13］。迄今為止，HEMP波形表達式已有很多不同的標準。根據IEC國際電工委員會頒布的IEC61000-2-9高空核爆電磁脈沖的標準［14］， HEMP電場強度使用雙指數解析函數近似表示為

Et=E0ke－αt－e－βt，

（1）

式中：E（t）為隨時間變化的脈沖電場；E0為雙指數函數的峰值電場強度，一般取E0=50 kV/m；k是電場強度的修正系數，取k=1.3；α和β分別為波形的上升沿和下降沿的特征參數，取α=4×107/s，β=6×108/s，t為HEMP持續的時間，一般為了保證電場脈沖的正極性，參數α、β和t應當滿足β≥α≥0，t≥0。在此參數下，HEMP電場時域波形及參數指標如圖1所示，脈沖上升沿為1.8～2.8 ns，半高寬為23±5 ns。

對HEMP時域波形進行傅里葉變化，得到電場強度頻域E（ω），如公式（2）所示。

Eω=kE01α+jω－1β+jω，

（2）

式中：jω為HEMP的負數頻率。HEMP電場頻域波形如圖2所示。

根據頻域和時域波形圖可知，HEMP上升時間短，為納秒級，脈沖所攜帶的能量占比主要在0～100 MHz。這種高頻超短波能通過天線、線纜和孔縫等耦合進車輛［15-16］。快速變換的信號可能對車廂內部的電磁環境造成較大影響。

1.2 車廂模型建立

客運高鐵改裝為貨運高鐵時，會對車廂內部座椅進行拆卸以得到更大的貨物運輸空間，因此，建立復興號CRH400BF高鐵二等車車廂仿真模型需對車廂整體結構進行簡化，將車廂內部座椅、設備架和行李架等部件刪除，保留車廂整體外形，所建貨運高鐵二等車車廂仿真模型如圖3所示，車廂仿真模型尺寸如圖4所示。

本文研究的高鐵二等車車廂尺寸：長度為25 235 mm，高度為4 060 mm，寬度為3 430 mm。車廂整體材料為鋁合金，電導率為3.57×107 S/m，相對介電常數為1。車廂兩側開有9對車窗，與實際高鐵車窗數量保持一致。每個矩形車窗尺寸：長度為1 470 mm，厚度為50 mm，高度為780 mm，車窗間距為430 mm。前后車廂連接處車門和車窗材料為鋼化白玻璃（內側鍍單向透視膜）、PVB隔音層、氬氣層、防爆膜、鋼化灰玻璃。車輪的半徑約為533 mm，輪對左右車輪之間距離約為1 409 mm，同一轉向架前后車輪之間的距離為3 000 mm，列車前后轉向架之間的距離為15 985 mm。車廂內部空間填充介質為空氣，并將前后車門、車窗等玻璃材料定義為空氣。

建立車廂模型后將模型導入到電磁仿真軟件CST中進行HEMP電磁輻射下車廂內部電場環境仿真分析。

2 車廂內部電場環境仿真分析

2.1 不同輻照方向下車廂內部電場環境

根據“1.1”項下，核爆發生在距貨運高鐵30 km以上處，HEMP以50 kV/m的最大電場強度到達地面并以平面波形式向四周傳播。HEMP從貨運高鐵前部輻照，電場穿過一等車廂到達二等車車廂造成電場衰減。本文研究HEMP對貨運高鐵產生電場干擾的最惡劣場景，故選取HEMP從車廂上部、側面對車廂進行輻照，電場極化方向為垂直極化。

為了測量車廂內部感應電場強度，在車廂內部設置電場觀測點，觀測點的坐標原點為靠近車頭的左下端，所有觀測點坐標單位為mm，電場觀察面如圖5所示，車廂內部電場觀測點如圖6所示。觀察面1上的觀測點分布：下部位置觀測點坐標從左至右分別為車廂前部A點（6 130，0，1 512.75）;車廂中間B點（13 730，0，1 512.75）;車廂后部C點（21 330，0，1 512.75）。中部位置觀測點坐標從左至右分別為車廂前部D點（6 130，0，2 305）; 車廂中間E點（13 730，0，2 305）;車廂后部F點（21 330，0，2 305）。上部位置觀測點坐標從左至右分別為車廂前部G點（6 130，0，3 305）; 車廂中間H點（13 730，0，3 305）; 車廂后部I點（21 330，0，3 305）。觀察面2上的觀測點分布：左側位置觀測點坐標從左至右分別為車廂前部A*點（6 130，1 100，2 305）;車廂中間B*點（13 730，1 100，2 305）;車廂后部C*點（21 330，1 100，2 305）。中部位置觀測點與觀察面1上觀測點一致。右側位置觀測點坐標從左至右分別為車廂前部G*點（6 130，-1 100，2 305）; 車廂中間H*點（13 730，-1 100，2 305）; 車廂后部I*點（21 330，-1 100，2 305）。

本文假設核爆點距離車廂30 km，HEMP以平面波方式從2個方向輻照車廂，經過100 ns傳播到達車廂，故選取100 ns時刻為起點對車廂內部電場環境進行分析。圖7為110 ns時刻車廂內部觀察面1、2上空間電場分布。

從圖7的電場云圖可以看出，車窗是電磁脈沖耦合進車廂的主要通道，HEMP從側面輻照時車廂內部電場強度遠大于HEMP從上部輻照時的電場強度，側面輻照比上部輻照條件下的車廂內部電場環境更為惡劣，故對HEMP從側面輻照時車廂內部觀測點的電場時域波形做進一步分析。

選取圖6中車廂內部15個觀測點處的電場分別進行時域分析，HEMP側面輻照時各觀測點處的電場時域波形如圖8所示，上部輻照與側面輻照時各觀測點處電場強度峰值如表1所示。

通過表1可以明顯看出，HEMP側面輻照時車廂內電場強度峰值大于上部輻照時車廂內電場強度峰值。從圖8以及表1中側面輻照時的結果中可以得到以下結論。

1）車廂中間位置觀測點（B、E、H、B*、H*）處電場強度峰值分別大于車廂前部位置觀測點（A、D、G、A*、G*）處電場強度峰值，也分別大于車廂后部位置（C、F、I、C*、I*）觀測點處電場強度峰值。車廂中間位置電場強度峰值最大點在觀測點B*處為24.396 kV/m，電場強度峰值最小點出現在車廂后部位置觀測點I處為7.298 kV/m。

2）當觀測點位于車廂前部、后部位置時，下部位置觀測點（A、C）處電場強度峰值分別大于中部位置觀測點（D、F）處電場強度峰值，也分別大于上部位置觀測點（G、I）處電場強度峰值。左側觀測點（A*、C*）處電場強度峰值分別大于中部位置觀測點（D、F）處電場強度峰值，也分別大于右側位置觀測點（G*、I*）處電場強度峰值。

3）當觀測點位于車廂中間位置時，上部位置觀

測點H處電場強度峰值大于下部位置觀測點B處電場強度峰值，大于中部位置觀測點E處電場強度峰值。左側位置觀測點B*處電場強度峰值大于右側位置觀測點H*處電場強度峰值，大于中部位置觀測點E處電場強度峰值。

HEMP主要通過車窗、車門進入車廂，HEMP從側面輻照相較于從上部輻照，車廂內的電場強度更大，對敏感設備的威脅也更大，敏感設備的擺放位置選取車廂內電場強度最小的位置，即車廂后部靠上的位置。為探究惡劣電磁環境下車廂內敏感設備機箱的屏蔽效能，將HEMP側面輻照下車廂內部電場強度最大的觀測點B*處的電場時域波形作為激勵源，對敏感設備機箱的屏蔽效能進行計算。

2.2 敏感設備機箱材料屏蔽效能實驗

根據“2.1”項下的仿真分析，HEMP從車廂側面輻照相比上部輻照時，車廂內的電場環境更為惡劣，為保證機箱內敏感設備的電磁安全性，減少機箱內部電磁干擾，需對機箱外殼材料進行屏蔽效能實驗分析，以確定其屏蔽效能。

機箱外殼選取表面平整的3A21鋁合金試樣進行屏蔽效能實驗與仿真驗證，試樣尺寸為195 mm×195 mm×2 mm，根據GJB 8820—2015《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》［17］，在電磁屏蔽室中進行屏蔽效能實驗測試，測試裝置為網絡分析儀（E5061B，是德科技（中國）有限公司）和屏蔽效能測試儀（DR-S02，北京鼎容實創科技有限公司），在電磁屏蔽室中搭建對應屏蔽效能測試系統實驗臺，如圖9 所示。其中，圖9 a）為測試系統框圖，圖9 b）為測試系統實物圖。

屏蔽效能按照 GJB 8820—2015《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》［17］規定的屏蔽效能計算公式計算。

SE=20log（E1E2），

（3）

式中：SE代表被試材料屏蔽效能，dB；E1為無屏蔽材料時電場接收端接收的電場強度；E2為有屏蔽材料時電場接收端接收的電場強度。對于平面型材料的屏蔽效能測試，試樣面積應大于屏蔽效能測試儀測試窗尺寸并且確保試樣表面平整，按圖10擺放好測試儀器，在30 MHz～1.5 GHz頻段下進行單點測試。首先，對法蘭同軸裝置進行校準；然后，放入3A21鋁合金試樣至屏蔽效能測試儀，進行加載測試。網絡分析儀帶寬設置為1 kHz，輸出功率為-10 dBm，3A21鋁合金試樣屏蔽效能測試方法及步驟如下：

1）將參考試樣加入測試裝置中，調整網絡分析儀輸出電平，使信號動態范圍大于試樣的屏蔽效能估計值，記錄網絡分析儀無被測試樣時的散射參數幅頻曲線；

2）取出參考試樣，將負載試樣（3A21鋁合金）固定于裝置中，使網絡分析儀輸出電平不變，因信號幅度大于噪聲電平6 dB以上，可直接記錄網絡分析儀散射參數幅頻曲線；

3）根據式（3）自動計算屏蔽效能，繪制屏蔽效能值隨頻率變化曲線。3A21鋁合金試樣屏蔽效能測試結果如圖 11所示。

測試結果表明，3A21鋁合金材料的屏蔽效能較高，在30 MHz～1.5 GHz頻段內屏蔽效能穩定在85 dB以上。在實驗基礎上對該尺寸鋁板進行仿真驗證，使用電磁仿真軟件CST（達索系統提供）中的微波工作室（MWS）建立相同尺寸的鋁板模型，添加平面波激勵，沿x軸負方向對鋁板進行掃頻屏蔽效能測試，根據GJB 8820—2015《電磁屏蔽材料屏蔽效能測量方法》［17］設置頻率范圍為30 MHz～1.5 GHz，為了防止邊界效應導致仿真結果偏小，在仿真軟件中模型的四周邊界設置為電邊界，在此條件下經由鋁板外圍入射的電磁波將在電邊界上完全吸收，消除邊界效應。入射方向邊界設置為開放邊界以模擬無限大自由空間，優點是電磁波會幾乎無反射地通過自由空間，降低仿真誤差，具體設置如圖12。

在鋁板一側設置電場觀測點，平面波幅值設置為1 V/m，仿真軟件計算30 MHz～1.5 GHz頻率下觀測點處的電場強度，根據式（3）可計算鋁板的屏蔽效能，仿真結果和實驗結果的對比如圖13所示。

由圖13可知，仿真與實驗結果誤差較小，平均誤差為4.6％。在中頻部分，仿真結果相較于實驗結果屏蔽效能較大，原因是仿真過程中設置的電邊界完全吸收了從邊界入射的電磁波，使得觀測點處的電場強度仿真值偏小，屏蔽效能計算結果較大。仿真與實驗結果表明，3A21鋁合金的屏蔽效能較好，在30 MHz～1.5 GHz頻段內屏蔽效能大于85 dB。

2.3 敏感設備機箱內部電場環境

由于機箱上通風孔、觀察窗等縫隙的存在，使得機箱的屏蔽效果下降，因此在對機箱材料屏蔽效能測試基礎上，對放置于電場環境相對惡劣的車廂中間位置靠近車窗處的敏感設備機箱內部的電場環境進行仿真分析，確定HEMP輻照條件下敏感設備機箱的電磁安全性。

從核爆中心輻射出的電磁脈沖經過空間傳播衰減后，得到貨運高鐵列車附近的電場，該電場經過高鐵車廂車體的屏蔽后，耦合進車廂內部的電場再經過機箱外殼進一步衰減，最終耦合到機箱內部PCB電路中，高空核爆電磁脈沖傳播、衰減、耦合過程見圖14。

在達索系統公司電磁仿真軟件CST線纜工作室中建立HEMP輻照下的敏感設備機箱場路耦合仿真電路模型，如圖15所示。機箱外殼主要材料為2 mm厚的3A21鋁合金，機箱正面屏幕部分為玻

璃，機箱整體尺寸為400 mm×400 mm×200 mm。

為了減少網格數量提高計算速度，在不影響計算準確度情況下，對敏感設備機箱內部結構進行簡化處理，去除了機箱中起固定作用的螺栓、倒角和線束。由于機箱的外壁孔縫會影響電磁波在不同頻率下的輻射特性，為了保證仿真的精度，機箱的外殼并未進行處理。PCB為DC/DC開關電源電路，可將直流110 V轉變為直流24 V，額定功率1 200 W。根據開關電源PCB電路圖和原理圖導入至CST線纜工作室中，并設置激勵端口，按照實際位置將其放置在機箱內部，如圖16所示。在PCB電磁敏感部位設置集總端口，并在該端口添加電流探頭，端口上部添加電場探頭如圖17。

仿真完成后根據機箱內電場探頭和開關電源PCB上的電流探頭分別得到HEMP輻照條件下敏感設備機箱內感應電場強度（如圖18所示）、PCB電路板上感應電流大小（如圖19所示）。

由圖18可知，PCB上的電場強度偏高，由于車窗不具備電磁屏蔽能力，電磁波主要從車窗位置耦合進機箱內部，加上電磁波在車廂內的反射疊加作用導致放置于觀測點B*處機箱內部PCB敏感部位電場強度峰值為270 V/m。在該電場條件下敏感設備機箱沒有出現任何故障、性能降低或者偏離規定的指標值。根據GJB 151B—2013《軍用設備和分系統電磁發射和敏感度要求與測量》［18］，按照30～100 MHz要求的50 V/m的輻射電場進行試驗時，設備沒有出現偏離規定的指標值，滿足PCB電場輻射敏感度要求。由圖19可知，PCB感應電流峰值為1.9 mA，根據GB 17625.1—2022《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值（設備每相輸入電流≤16 A）》［19］，A類設備的各次諧波電流不應超過2.3 A，顯然1.9 mA2.3 A，滿足PCB工作安全限值。

3 結 語

本文針對HEMP輻照下貨運高鐵內部電場分布進行了研究，給出了敏感設備的放置建議，分析了電源機箱外殼材料的屏蔽效能，探究了PCB電路板上的電場強度和感應電流對PCB電路的影響，結果可為HEMP輻照條件下高鐵貨物運輸電磁防護提供參考。主要結論如下。

1）HEMP側面輻照時，車廂內電場強度大于上部輻照時車廂內部電場強度。側面輻照時，車廂中間位置的電場強度峰值相較于前部、后部位置的電場強度峰值要大，靠窗位置的電場強度峰值比中間位置的電場強度峰值要大，后部靠上位置電場強度峰值最小，故建議將敏感器件放置在車廂后部靠上的位置。

2）3A21鋁合金作為金屬材料具有較高的電導率和磁導率，電場屏蔽效能較高，在30 MHz～1.5 GHz頻段內屏蔽效能穩定在85 dB以上。

3）HEMP輻照條件下，在車廂內部電場強度峰值最大位置，3A21鋁合金電源機箱電場輻射敏感度滿足要求，機箱內PCB敏感部位處的感應電流滿足要求。

本研究采用有限積分法（FIT）對貨運高鐵車廂內電場環境進行分析，考慮了HEMP經過30 km距離的衰減作用，可以為其他類型電磁脈沖經過衰減后對敏感設備影響分析提供參考。本文實驗測試材料屏蔽效能采用法蘭同軸裝置法，雖然該方法僅適用于30 MHz～1.5 GHz頻段，但該頻譜范圍包含了HEMP E1（頻率范圍為0.1～300 MHz）階段的主要頻率成分，具有一定的適用性。本研究僅考慮了30 km處HEMP電場輻射對敏感機箱內部PCB上感應電流和附近電場強度的影響，并沒有考慮HEMP磁場輻射的影響以及機箱內電纜的耦合，因此，在后續的研究中，需要對HEMP磁場環境進行研究，并考慮機箱內電纜的耦合影響。

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