高速磁浮列车线缆雷电间接效应的耦合特性研究

王 京,王庆峰,张健穹,李相强

(西南交通大学物理科学与技术学院,成都 610031)

引言

磁浮列车与传统轮轨列车相比，轮轨列车由于有接触网与回流线防护[1]，雷电流通过接触网-受电弓-车顶避雷器侵入车体[2]，而磁浮列车则会受到直接雷击。雷电作为一种自然放电现象，表现出高电压、高电流及高瞬时电磁场的特点[3-4]。SAE ARP 5412标准中给出雷电的影响包括直接效应(物理效应)和间接效应(电磁效应)。间接效应表现为目标遭受雷击时，放电通道可等效为天线[5]，产生强烈的瞬态电磁辐射，会在一定范围内产生电磁作用，在内部线缆上会产生感应电流与感应电压，对各种电子设备产生干扰和破坏作用[6-7]。

国内外很多学者通过仿真的手段对间接效应进行研究。APRA M[8]利用VAM-LIFE计算工具对C-27J运输机进行雷电间接效应仿真分析，得到了雷电流冲击下，线缆上耦合到的感应电流。MEYER M[9]就雷电间接效应对碳纤维增强复合材料飞机的影响进行建模，通过分析飞机不同部位的线缆终端电压，分析复合材料区域添加屏蔽保护材料的形式。PERALA R. A[10]采用EMA3D软件，通过数值计算仿真技术对飞机整机和设备在雷击电流条件下开展了大量的仿真模拟研究。国内赵忠义等[11]对飞机电子设备舱内线缆瞬态耦合情况，得出了同轴线可有效避大的雷击瞬时感应电流的结论。张铁纯等[12]采用EMA3D软件分析了机载设备的闪电电磁环境，并对特定线缆的感应电流进行了分析。王万富等[13-14]通过不同的数值模拟方法模拟雷电流冲击下，飞机机舱内线缆耦合电流特性。文献[15-16]采用试验的方式验证了雷电间接效应在直升机内部电磁场的分布，为直升机的雷电防护技术奠定基础。但是目前针对磁浮列车雷电间接效应的研究尚未报道。

1 数值模拟原理

1.1 TLM方法

基于CST微波工作室TLM算法进行数值模拟计算。TLM是一种时域微分的数值计算方法，它的基础是惠更斯的光传播模型和等效传输线理论，现在普遍用于三维结构的电磁场仿真。在该方法中，工程问题首先被连续的传输线网络所模拟，网络中的一个结点被一个集总元件表示，其物理参数对应实际问题的参数，这样就把空间离散化了；然后由传输线构成的各个结点来模拟集总元件，这是完成时间的离散化[17]。其过程可用以下公式描述

Vr=SVi

(1)

Vr，k+1=CVk

(2)

式中，Vi为激励电压矩阵;Vr为反射电压矩阵;S为结点的脉冲散射矩阵;C为描述网络拓扑结构的连接矩阵。

1.2 仿真模型建立

仿真采用的模型为高速磁浮列车单节车厢1∶3等比例简化模型，车厢最大长度为8 m，最大宽度为1.25 m，最大高度为0.8 m，车体材料采用1.5 mm厚的铝蒙皮材料，整个仿真环境设计如图1所示。从频率上来看，雷电流A波形能量能量和主要集中在10 kHz左右，由于电磁波耦合进入磁浮列车车体内部后，考虑到共振现象。因此将整个仿真计算的频率设置为0～30 MHz。模型最小网格步长设置为30 mm，总的网格数为6×105个。

图1 仿真环境设置

1.3 试验平台搭建

根据SAE ARP 5416试验标准，模型底部需要接地平板作为回流，在车体前端位置将车体与接地板短接，构成击穿后的电流回路。在本试验设计中，用拼接铝板作为回流接地板，接地板与接地网连接距离尽可能短，以保证减小接地回路电感[18]，整个试验平台如图2所示。

图2 试验平台搭建

2 雷电流波形

标准雷电环境由单独的电压波形和电流波形组成，根据标准，它们代表了自然雷电的重要特征。标准SAE ARP 5412中规定了标准雷电流波形，为了便于定量分析和工程计算，将雷电流波形等值为双指数波形，标准波形如图3所示，其数学表达式为

I(t)=I0(e-αt-e-βt)

(3)

根据SAE ARP 5412标准规定：式中，I0取218 810 A，α取11 354 s-1，β取647 265 s-1。

图3 标准雷电流波形

3 结果分析

3.1 不同位置线缆耦合情况分析

根据电磁场理论，线缆上产生的电流有两种方式[19]：分别是场线耦合与传导耦合。由于车体蒙皮采用导电性良好的铝蒙皮材料，后者影响较小，整个车体表面窗户比较大，窗户材料作为非导电材料，对电磁场屏蔽效果较差，车体内部电磁场主要由外部电磁场透过窗户产生，使得车体内部电磁场分布十分复杂。仿真与试验采用的雷电流波形幅值为1 kA，波形前后沿与标准雷电流波形一致，选取7 m长单芯线缆，分别设置4组高度位置，另外设置1组线缆置于车厢一侧，测试线缆位置对线缆耦合的影响，仿真与试验结果如图4所示，表1展示了不同高度仿真与试验电流幅值。

图4 高度位置对线缆耦合的影响

表1 线缆感应电流幅值

仿真分析与试验结果表明：随着线缆竖直距离的增大，其耦合电流量也在增大，其原因在于距地高度的升高伴随着回路面积的变大，其通过电磁耦合量增大。当线缆均在同一高度放置时，闭合回路面积一定，其差距较小。

3.2 不同线型线缆耦合情况分析

双绞线作为传输线[20]，它由于波阻抗高、体积小，使用带宽较高的特点，对于抑制电磁干扰方面有较好的性能，在高速磁浮列车信号传输过程中被广泛使用。为了评估雷电间接效应在双绞线上的耦合量，对比了单线结果进行仿真与试验研究，仿真与试验结果如图5所示，表2展示了不同线缆类型的仿真与试验电流幅值。

图5 线型对线缆耦合的影响

表2 线缆感应电流幅值

通过仿真与试验结果，双绞线感应电流要小于单线上感应电流，说明双绞线能够有效抑制磁场的干扰。这不仅仅是由于两根线之间具有很小的回路面积，而且由于双绞线的每两个回路上感应出的电流具有相反方向，因此相互抵消。

3.3 屏蔽层接地方式对线缆耦合的影响

为了减小空间电磁场对连接电缆导体的直接耦合，电缆通常都带有屏蔽层，为了评估屏蔽层接地方式对线缆耦合的影响，选取7 m长同轴线缆RG58，置于车体中部位置，高度100 mm，分别考虑线缆接地方式包括：双端接地，单端接地，均不接地的影响。等效电路如图6所示，R1，R2分别表示跳线阻抗以及接触电阻，图7为屏蔽层接地方式对线缆耦合的仿真与试验结果，表3展示了屏蔽线缆不同接地方式的仿真与试验电流幅值大小。

图6 不同接地方式等效电路

图7 不同接地方式对线缆电流耦合影响

表3 线缆感应电流幅值

通过仿真与试验结果，屏蔽层双端接地效果更好，这是由于屏蔽层单端接地时，回路磁场不会有任何变化，考虑到容性耦合，单端接地改变了分布电容参数，感应电流会适当减小。对于双端接地，屏蔽层抑制了磁场耦合，在芯线上的电流耦合量较小。

对于电容性耦合而言，是由电场感应决定的，其原理是在静电感应下，屏蔽层形成电荷累积，从而在分布电容上产生较高电压。不接地时屏蔽层中的电荷可以自由累积，因此，不接地的屏蔽层对电场干扰没有屏蔽作用。只要接地，由于大地电荷的中和作用，屏蔽层中无法累积电荷，能够起到一定的屏蔽作用；对于电感性耦合而言，当屏蔽层单端接地时，屏蔽层与大地未构成回路，因此不会有电流流过，也无法改变干扰线所产生的空间电磁场。芯线上的耦合电压不会得到削减，屏蔽层双端接地，屏蔽层与地构成的回路中产生感应电流，感应电流产生的磁场与原磁场方向相反，可以相互抵消，芯线上耦合得到了抑制。

3.4 多路径击穿条件下对线缆耦合的影响

磁浮列车运行时，滑轨和滑轨，以及导向/制动电磁铁和导向/制动轨相互面对形成一对平行板。平行板不相互接触形成气隙。雷击时，雷击电流需要冲破平行板间的气隙漏入钢轨，最后通过钢轨上的接地装置流入大地。在导向/制动电磁铁和导向/制动轨电压足够大的条件下，雷电流存在多路径击穿的现象，即雷电流存在多条泄流路径，在此现象下，研究多路径对线缆电流耦合的影响。仿真与试验结果如图8所示，表4展示了多路径条件下的仿真与试验电流幅值。

图8 多路径对线缆电流耦合的影响

表4 线缆感应电流幅值

通过仿真与试验结果，多路径条件能够抑制感应电流的产生，这是由于多路径的存在，使得车体过电压降低，耦合在线缆上的电流相应地得到抑制。

4 结论

本文开展了高速磁浮列车线缆的雷电间接效应耦合特性仿真研究，采用基于传输线矩阵理论，得到了列车内部典型线缆在不同状态下耦合电流的情况，并通过试验结果验证了仿真的正确性，给到了磁浮车布线以及选型的建议，结论如下。

(1)提出一种预测磁浮列车雷电间接效应线缆电流耦合量的方法，通过数值模拟结合试验验证了方法的正确性。

(2)针对线缆布局，将单线按照不同位置进行放置，可得到线缆摆放高度越小，其电流回路面积越小，感应出的电流也会越小这一规律。在磁浮列车上布线时，也应尽量将线缆高度降低，在线缆选型方面，优先选择屏蔽线缆与双绞线，以减小电磁效应干扰量。

(3)屏蔽线缆的屏蔽层无论单端接地，以及双端接地，都能起到屏蔽外部电磁干扰的作用，在理想状态下，双端接地效果更好，在雷电防护过程中，考虑双端接地方式来抑制芯线上感应电流的产生。

(4)为了减小电流耦合量，考虑在导向/制动电磁铁和导向/制动轨之间设计尖端结构，用于降低两者之间的击穿阈值，使得间隙更易击穿，减小车体过电压。