雷击对公交车电磁环境影响的仿真分析

牛有田,郭松浩,周康泼,王照迪,王 喆,赵修坤,李 贝

(河南师范大学电子与电气工程学院, 河南 新乡 453007)

0 引言

相较于普通轿车,公交车车身更高,尤其是行驶到城市郊区等较为空旷的地带,遭受雷击的可能性较大[1-2]。当雷电击中公交车时,可以造成两种影响。第一种是直接效应,强大的电流会直接对雷击点附近造成物理破坏;第二种为间接效应,雷电流的瞬态过程会在车内形成高强度的电磁脉冲磁场[3-4],强大的电磁脉冲会辐射到线缆上从而干扰车上的电子设备正常运行[5-6];同时雷电引起的雷电磁脉冲也可以直接对车载电磁设备造成破坏,从而给车辆正常工作带来巨大危害[7]。相对于普通轿车,公交车遭受雷击后会带来更大的生命财产损失。但当前雷击对车辆影响的研究上大多集中于轿车车型,对于公交车等大中车型的研究较少。尤其近年来为了缓解交通压力,各个地区开通了更多的公交路线,投入运行更多的公交车辆。因此研究雷击对公交车的电磁环境的影响,对于增强公交车辆运行安全性具有巨大的帮助。

笔者使用仿真的方法对雷击公交车的电磁环境影响进行研究,相较于实际的实物实验,仿真具有周期短,成本低等特点[8]。通过软件Atair Feko建立某型公交车的简化车身模型,分别模拟雷击距车辆的距离不同、雷击的方位不同以及发生雷电时车辆天窗有无关闭情况等几种因素下车厢内电场,磁场的变化情况以及车内线缆的耦合情况。通过分析得到的结论,对日后公交车的防雷设计起到指导作用。

1 仿真原理

根据SAE-ARP5416A的定义,雷电流直接效应电流波形理想化电流波形分为A,B,C,D4个分量,其中A分量是影响物体物理结构的重要分量,被称为首次回击分量,其最大值可达到200 kA[9-15]。其理论表达式为

I(t)=I0(e-at-e-βt)

(1)

上式中:I0=218 810 A;a=11 354 s-1;β=647 265 s-1;e为自然对数底数;t为时间。

本研究所用的仿真软件是Atair Feko,其核心算法为矩量法(Method of Moment,MOM),能够有效且快速的解决多尺度电磁问题[16-18]。仿真中主要涉及的方程组为麦克斯韦方程组:

∇×H=J

(2)

B=∇×A

(3)

J=σE

(4)

(5)

上式中:H为磁场强度;J为电流密度;B为磁通密度;A为磁矢量;E为电场强度。

2 模型设置

建立一个为10 m×2.5 m×2.4 m的简化公交车模型,将模型A点作为雷击点,B处为公交车的前天窗,C处为后天窗,其面积均为1.2 m2×0.8 m2,同时为了更直观的描述车舱内部的电磁环境,我们以车厢底部的正中间的点为坐标原点建立坐标轴,在车厢内部建立5个监测点M(4.5,0,1.2),N(2.5,0,1.2),O(0,0,1.2),P(-2.5,0,1.2),Q(4.5,0,1.2),具体模型见图2(a)。在车厢底部建立同轴线缆模型[19],选用型号为FEKO线缆库中的的型号:RG58C/U: 50 Ohm coax, single shield, diel。PE线缆总长为10 m,具体路径见图2(b)。当模型设置好后,进行网格剖分。

3 仿真结果分析

3.1 当雷击点位于A处时,车辆电磁变化分析

当雷电直接击中公交车时,强大的电流会直接毁坏车身,烧穿车身表层的蒙皮,从而使电流遍布整个车身[20]。但在仿真中我们不考虑蒙皮的情况。直接将车体材质设置为PEC良导体,图3(a)为雷击点为A点时车身表面电流密度分布的情况,从图中可以看出,A处作为雷击点,电流密度最大,车身表面平缓区域大体上距离雷击点距离越远的位置电流密度值越小,但棱边以及门窗边沿处较为细窄处电流密度值比周边区域的值大。车厢内部的电磁场主要主要由以下原因造成:雷击产生的电磁脉冲直接通过车窗、车身孔缝耦合、雷击电流在车身上流动产生的电磁场[21-22]。图3(b)所示为车厢内从顶部到车厢底部电场越靠近顶部强度越大,最强处可达227.5 V/m。图3(c)为Y=0处车厢截面电场强度分布,位置越靠前,离雷击点越近,电场强度越大,最强处为车顶雷击点处。

各监测点电场强度和磁场强度随时间变化的曲线见图4,2 μs左右电场强度达到最大值,在4 μs左右磁场强度达到最大。见图4(a),M、N、O、P各点曲线在0 μs～40 μs波动较为剧烈,40 μs ～60 μs变得较为平稳,之后在60 μs ～100 μs之间波动又变得剧烈起来。各点随着距雷击点越远,电场强度越小,但是Q点电场强度却大于N、O、P3点。原因可能是Q点距离车身较近,更受车身上电流影响。图4(b)是各点磁场强度曲线,整体较为平稳,先增后减。M、N、Q、P同样随着距雷击点越远,磁场强度越小。Q点同样出现反常情况,磁场强度大于O、P两点。

3.2 不同距离的雷击对车厢内部电磁环境的影响

为了更好分析不同距离对车厢内部电磁环境影响的不同,将位于车厢中间的O点作为监测点,并在车厢内部线缆中间位置设立电缆探头来监测线缆的耦合电。选取A点、A点正前方10 m、A点正前方50 m作为雷击发生的位置,通过分析O点电场和磁场的强度以及车厢内线缆中耦合电压的强弱[23]来分析由于雷击点距离的不同造成车厢内部电磁环境影响的不同。

图5(a)和图5(b)为雷击发生在0 m、10 m、50 m 时车厢内电场和磁场曲线的情况,雷击点距车厢越远,对厢内电磁环境造成的影响越小。从图4(a)可以看出当雷击点在0 m处时,O点电场强度曲线处在上下波动状态。在图5(a)中,因为10 m、50 m两处电场曲线波动远比0 m处更剧烈,所以0 m 处曲线在图像上几乎为直线。在图5(b)中,随着距离的增长,监测点磁场强度变化曲线较为平缓,均在6.25 μs左右达到峰值。

雷击发生时,形成的雷电磁脉冲会引起车厢内电磁环境的变化。同时雷电磁脉冲会与车内线缆耦合,引起线缆内产生感应电压[23-25]。图6为3种距离下线缆耦合电压强度的曲线,和车内磁场场曲线相同,线缆电压处在6.25 μs达到峰值;同时电压值随着距离的增加而减小,0 m处大于10 m处大于50 m处。

3.3 不同位置的雷击对车厢内部电磁环境的影响

以O点为监测点,分别将距O点前方10 m,上方10 m,后方10 m的位置设为雷击点,见图 7,来分析雷击发生位置的不同对车内电磁环境影响的不同。

图8(a)为各位置电场强度变化曲线,3个位置的雷击所造成的电场强度变化相差不大,相互重叠处较多,其中上方10 m处略大于后方10 m处略大于前方10 m处,3条曲线同时在0.781 μs达到峰值,其峰值处分别相差6 dBV、1 dBV。可见车身对上方电场的屏蔽能力小于后方,对前方电场能力屏蔽能力最强。图8(b)为各位置磁场强度变化曲线,其中雷击点位于后方10 m处造成的磁场强度大于前方10 m处大于上方10 m处,3条曲线在6.25 μs处达到峰值,峰值分别相差4.6 dBA/m、11.26 dBA/m。可见车身对电场的屏蔽能力与对磁场的的屏蔽能力不同,车身对上方磁场的屏蔽能力最强,对后方的屏蔽能力最差[26-28]。

图9为线缆耦合电压的变化曲线,雷击发生在前方10 m处的线缆耦合电压曲线和后10 m曲线两者几乎重叠,相差不大,但整体上雷击发生在后方10 m处线缆耦合电压曲线要大于前方10 m处,雷击在上方10 m处的线缆耦合电压最小。

3.4 天窗的有无对车厢内部电磁环境的影响

为了方便车内的通风,一般车体上方都会有天窗,为了探索关闭天窗是否在一定程度上提高车身的屏蔽能力。将图2(a)模型上B、C两处天窗封堵上,分析此时雷击点位于前方10 m、前方50 m处以及上方10 m处这3种情况下对于车厢内部电磁情况的影响,并与没有封闭天窗时电磁变化曲线做对比,探索关闭天窗与否是否可以提高车身的屏蔽能力[29-33]。

图10、图11、图12为雷击点在上方10 m、前方10 m、前方50 m处时车厢电磁环境变化曲线。可以看到,各图中电场强度曲线基本上都重叠在一起,说明天窗关闭与否对电场的屏蔽效果几乎没有影响,而对磁场具有一定的屏蔽效果[34-35];从各处线缆耦合电压曲线可以看出,当天窗关闭时会降低线缆耦合电压值。其中雷击位于前方10 m、50 m处和上方10 m处时,磁场峰值差值为0.1 dBA/m、1.2 dBA/m、0.14 dBA/m;线缆电压峰值差值为3.51 dBV、2.8 dBV、4.39 dBV。

图1 雷电流A分量Fig.1 Lightning current A component

图2 仿真模型Fig.2 Simulation model

图3 车身表面电流以及车厢内部电场分布情况Fig.3 Body surface current and electric field distribution inside the car

图4 各监测点电场强度和磁场强度随时间变化的曲线Fig.4 Curve of electric field intensity and magnetic field intensity with time at each monitoring point

图5 不同雷击点对车厢内电磁环境的影响Fig.5 Influence of different lightning strike points on electromagnetic environment in carriage

图6 车内线缆电压耦合情况Fig.6 Voltage coupling of cables in the vehicle

图7 雷击位置图Fig.7 Lightning location map

图8 不同雷击位置对车厢内电磁环境的影响Fig.8 Influence of different lightning stroke positions on electromagnetic environment in carriage

图9 车内线缆电压耦合情况Fig.9 Voltage coupling of cables in the vehicle

图10 雷击点位于上方10 m处对车厢内电磁环境的影响Fig.10 The impact of lightning strike point located 10 m above on the electromagnetic environment in the carriage

图11 雷击点位于前方10 m处对车厢内电磁环境的影响Fig.11 Impact of lightning strike point located 10 m ahead on electromagnetic environment in the carriage

图12 雷击点位于前方50 m处对车厢内电磁环境的影响Fig.12 Impact of lightning strike point located 50 m ahead on electromagnetic environment in the carriage

由仿真结果可知关闭天窗可以提高车身对雷电场磁场的屏蔽效能,降低线缆的耦合电压,减少雷击对车辆运行的影响,提高车辆运行的安全性[36-38]。

4 结论

根据SAE-ARP5416A的定义的雷电流波形函数,通过FEKO建立公交车模型,构造雷击环境,研究不同距离,不同位置以及车辆天窗关闭与否3种情况下雷击对公交车车厢内部电磁环境的影响,同时仿真还在车厢底部建立了同轴线缆模型来分析线缆耦合雷电磁脉冲的情况。

通过仿真可以得到以下结论:雷电电流在车身表面上分布并不均匀。电场强度和磁场强度随着空间位置与雷电路径距离的增加而减小。在车身尖角边沿等结构的位置电场强度值会比周围强; 随着雷击点与车辆的距离的增加,雷击对车身内部的影响减少;金属车身对雷电磁脉冲起到一定的屏蔽作用,车身上方的屏蔽能力最强;关闭天窗可以增强车身的屏蔽能力,提高车辆运行的安全性。