铁路电磁环境对特种弹药运输安全的影响与对策

蒋 超，鲍平鑫，辛 海，孟 飞

(1.军事交通学院研究生管理大队，天津300161;2.军事交通学院联合投送系，天津300161;3.驻潍坊站军代处，山东潍坊261000)

特种弹药是指与以毁伤为目的的弹药相区别的另一种弹药，不依赖于炸药爆炸或动能直接毁伤目标，是完成某些特殊战斗任务的弹药，如照明弹、信号弹、烟幕弹等。本文中的特种弹药特指包含电爆装置或制导装置等电子设备，容易受到外部电磁辐射危害的弹药。

近年来，随着科学技术的发展，电子技术特别是微电子技术、光电子技术和计算机技术的广泛应用，使特种弹药日益发展成为集光、机、电、化于一体的高技术产品，这对特种弹药在储运环境下的电磁防护提出了更高的要求。目前，我军特种弹药的运输主要通过铁路运输的方式，在铁路电磁环境中，存在着各种类型不同的电磁能量，这些电磁能量通过对电磁敏感元器件的传导耦合、辐射耦合发生作用，直接影响着特种弹药内部电子系统的性能，既可能使器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可能形成累积效应，埋下潜在的危害。因此，以保证特种弹药的安全性以及可靠性为目的，探讨其在铁路电磁环境中的运输安全问题，研究必要的电磁防护技术与措施，具有十分重要的意义。

1 电磁干扰的基本理论

通常认为的电磁干扰是指任何能使设备或系统性能降级的电磁现象，主要分为传导性干扰和辐射干扰，这两种方式干扰的主要区别在于干扰的耦合方式不同。传导性干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另外一个电网络上，它的前提是必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器发生干扰现象;辐射干扰是指干扰源通过空间把一个信号耦合到另外一个电网络上，即辐射干扰需要通过介质以电磁波的形式传播，其干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射［1］。电磁干扰的三要素如图1所示。

图1 电磁干扰三要素

2 铁路电磁环境中的电磁干扰源

铁路电磁环境是指在铁路线路上所有的电磁辐射形成的环境。特种弹药在铁路电磁环境中受到的电磁危害主要来源于静电、雷电及电气化铁路接触网高压电场感应等。

2.1 静电

静电是由带电物体产生的一种放电现象。静电是在物体之间接触、分离时产生的，尤其是绝缘体上这种现象更加明显，反复的接触、分离可以使物体表面带上很高的电压，具有高电位、强电场特点。当带电体接近其他物体时，在接触点形成放电通道，产生放电现象，主要表现是高电压、瞬时强电流击穿现象［2］。静电引发的事故较多，曾有一起因揭开弹药表面塑料篷布引发的意外点燃事故，可见静电是长期伴随弹药的主要潜在危害源。

2.2 雷电

自然界中的雷电是一种剧烈的大气静电放电现象，特点是季节性发生，放电强度极高，电流可达到20 kA，持续时间长，影响范围大。雷电发生时，会在电器电子设备的线路上产生过电压或过电流(浪涌现象)，并且在空间产生宽频率的瞬变强电磁脉冲，对设备产生冲击或干扰［3］。直接雷击能对弹药产生灾难性后果，但直接雷击是极罕见的;雷电往往是在邻近地区发生，危害的主要形式是瞬变强电磁脉冲在弹药中引起的感应雷击。雷电输出的射频范围也是有限的，同其他电磁设备产生的电磁特性类似，可以防范。

2.3 电气化铁路接触网高压电场感应

随着电气化铁道的发展，电力机车或电动车组目前已成为我国主要的运营车种，电力机车或电动车组上都有整流及变流装置，而现在的整流变流技术都己经进入电子器件时代，同时也带入了强烈的噪声，如使电网中的谐波含量增大、电压产生瞬时电压跌落、电压波动、高频噪声等。而且电力机车为非线性负载，在运行过程中会产生大量谐波成分和电磁辐射。

牵引动力类型和功率是提高列车质量的主要因素，目前使用的是电力牵引系统。牵引电流的环路很大，该环路为牵引变电所—接触网—受电弓—机车—钢轨和大地—牵引变电所。电气化铁道属于强电系统，牵引供电系统带来的电磁干扰是属于比较严重的工频干扰现象，它的来源主要为:接触网的额定电压为25 kV;牵引电流可达数百甚至上千安培。上述来源带来的电磁干扰具体表现形式为:接触网高压电场感应引起的工频电场、牵引电流引起的工频磁场等［4］。

2.4 其他

除了上述3种电磁干扰源，还有其他很多的电感负载在切断或接通时会产生瞬变噪声(冲击电流)。如人体与设备接触形成的静电放电会产生很强的尖峰脉冲电流。个人移动电话也会在局部范围内产生射频电磁干扰。

3 铁路电磁环境对特种弹药的影响

特种弹药集微电子技术、计算机技术及电爆装置等于一体，属于高技术武器装备，具有信息化和电磁敏感化的特征。铁路电磁环境直接影响着特种弹药的装备效能，对特种弹药的运输安全构成威胁。

3.1 影响机理分析

铁路电磁环境中的各种电磁辐射源会对特种弹药的可靠性、安全性产生威胁，其作用机理根据辐射源的不同而不同。电磁干扰对特种弹药的影响和威胁主要是通过能量的传导耦合、辐射耦合等模式产生作用。其作用机理主要包括以下几点。

(1)磁效应。静电放电、雷击闪电引起的强电流可以产生强磁场，使电磁能量直接耦合到系统内部，干扰电子设备的正常工作。

(2)热效应。静电放电和高功率电磁脉冲产生的热效应一般是在纳秒或微秒量级完成的，是一种绝热过程，可以使特种弹药中的微电子器件、电磁敏感器件电路过热，造成局部热损伤，导致电路性能失效。

(3)静电场效应和强电场效应。电磁危害源产生的静电场和强电场不仅能造成电路失效，而且可形成潜在性损伤，对特种弹药敏感电路的工作可靠性造成影响。

(4)射频干扰和“浪涌”效应。电气化铁道引起的射频干扰，可对特种弹药造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其“浪涌”效应，会对特种弹药造成硬损伤，既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可以形成累积效应［5］。

3.2 影响作用形式

特种弹药是典型的机—电—仪一体化技术与自动控制技术紧密结合的产物，电子仪器设备数量多、分布密集，电力与电子设备互相结合，强电与弱电交叉工作。铁路电磁环境对特种弹药的影响体现在以下几点。

(1)特种弹药及其包装物会因积累电荷成为静电带电体，静电的最大危害在于放电，静电放电能释放大量热量，大多数半导体器件都很容易受静电放电而损伤。

(2)雷电及电气化铁道中的电气化牵引供电系统和电力机车都是发射源，能辐射能量不同的电磁脉冲，产生射频干扰，经过传导和耦合至特种弹药内部，导致传感器、接收机等敏感设备性能降低或失效，导致机电设备、电子电路元器件误操作，烧毁或损伤设备内部的关键电子电路和元器件等。

(3)由于电磁辐射有热效应，可以使特种弹药内部装药温度升高，温度的剧烈变化往往都会引起装药质量的快速变化，加速其老化变质过程。某些特殊情况下甚至还可能导致燃爆而酿成恶劣事故。

4 应对措施与建议

通过电磁干扰的基本理论可以知道，发生电磁干扰问题，必须存在电磁干扰源、耦合途径、敏感设备3个因素，消除其中一个因素，就能解决电磁干扰问题。因此，可以选择以下措施将铁路电磁环境对特种弹药的干扰减弱。

4.1 选用高抗扰度的电子器件

在特种弹药元器件的选用方面必须考虑其电磁敏感度特性。敏感特性、灵敏度和带宽是评价敏感器件的重要参数，灵敏度越高、带宽越大，抗扰度越差。特种弹药是由许多微电子器件构成的，为了适应复杂的储运电磁环境，选择的器件一定要具有较高的抗干扰能力。

4.2 采用滤波技术进行防护

传导干扰可以通过电源线、信号线、互连线等导线以及屏蔽体等导体进行传播。对传导性耦合需采用滤波技术，滤波器可以显著地减小传导干扰的电磁。滤波器的作用是仅允许工作必须的信号频率通过，而对工作不必要的信号频率有很大的衰减作用，使产生干扰的机会减到最少。采用滤波器无论是抑制干扰源、消除干扰耦合，还是增强接收设备的抗干扰能力都是一种有力的措施［6］。

4.3 提高特种弹药包装材料的屏蔽性能

没有正确的屏蔽或防护，特种弹药内部微电子设备可能就会遇到严重的干扰问题。屏蔽主要用于切断通过空间辐射的干扰传输途径，是抑制电磁辐射和干扰的主要方法，屏蔽的基本要求是被屏蔽物体既不向外辐射电磁信号，也不受外界电磁信号的干扰。因此，特种弹药的包装材料应当选用加入了导电玻璃纤维等导电物质的塑木复合材料，或在包装箱外部喷涂由合成树脂、导电填料、溶剂混合配成的屏蔽涂料，这样可以显著地提高特种弹药在铁路运输中的电磁防护能力，预防事故的发生。

5 结语

随着大量电子元器件在特种弹药中的应用，以及特种弹药储运环境中自然、非自然电磁能量的存在和增强，弹药的安全性、可靠性受到严重挑战。在特种弹药铁路运输环境中，雷电、静电、射频等潜在危害并存，这些偶发电磁能量对特种弹药产生的危害时有发生。本文列举了铁路电磁环境中的主要电磁干扰源，分析了铁路电磁环境对特种弹药产生危害的影响机理和作用形式，提出了应对措施与建议，为铁路电磁环境下特种弹药的电磁防护提供了理论依据。

［1］ 孔建民.电磁兼容与电磁干扰［D］.南京:南京信息工程大学，2010:7.

［2］ 李勇，高廷如，安振涛.电发火弹药储存及作业环境中的静电危害与防护［J］.仓储管理与技术，2002(5):29-31.

［3］ 张华美.雷电防护及其电磁仿真分析［D］.南京:南京邮电大学，2005:35.

［4］ 李制军.浅议电气化铁路牵引供电对铁路信号设备的影响［J］.西铁科技，2009(1):5-6.

［5］ 李丽光，谭业发，李莉，等.军用机械电子设备的电磁环境分析及其防护技术对策［J］.机械制造与自动化，2006(3):26-29.

［6］ 韦韬.舰载电子设备电磁兼容研究与设计［J］.舰船电子工程，2008，28(3):170-172.