军用地面车辆雷电防护试验方法

熊 秀,刘 凯

(西安爱邦雷电与电磁环境实验室,西安 710077)

0 引言

新军事斗争准备对武器装备全天候执行作战任务的能力提出了更高的要求,当前,雷电作为强电磁/恶劣气候环境的典型代表,是影响全天候作战能力的主要制约因素。但与常规EMC和温湿度、淋雨等气候环境方面的研究相比,地面武器装备系统雷电防护研究尚处于起步阶段,重视程度与危害程度相比严重不足。

为了提高军用车辆的防雷能力及全天候作战能力,已经有一些文献对各种车辆的雷击危害及防雷设计进行了研究,其中包括通信车[1-3]、野战指挥车[4]、航天系统特种车辆[5-7]等,对于试验方法的研究仍比较欠缺,文献[8]对移动车辆的流体接地进行了试验验证,但还没有统一明确的方法对车辆雷电防护设计的效果及性能进行验证。而试验是摸清装备防雷性能底数,进行设计优化和验证的重要手段,明确适用的试验方法,有利于推动军用车辆的防雷研究及性能提升。

1 现行标准及试验方法

现行有效的地面车辆雷电防护可参考的国军标见表1。

表1 地面车辆雷电防护可参考的国军标Table 1 GJB standards for ground vehicle lightning protection

表1中所列的GJB 5080、GJB 6784、GJB 7581、GJB 8007等标准由于源自IEC标准,重点在设计实现上,没有提供明确的雷电波形及试验考核方法。对于间接效应防护,只有针对SPD的试验方法,不能覆盖设备、分系统及整车的间接效应防护能力验证。例如,GJB 8007中“4.4.6 质量要求”中规定:“车辆的雷电防护装置试验应参照GJB 3567进行全尺寸部件附着点试验、结构直接效应试验、电晕和流光的直接效应试验,参照GB/T 18802.21-2004进行电气入口端浪涌电流试验……”,这样的规定不够完善,执行起来有些困难。

GJB 8848中规定了地面系统的雷电试验方法,包括直接效应试验和间接效应试验,见表2。

表2 地面系统雷电试验方法适用性Table 2 Applicability of lightning test methods for ground systems

军用装备的雷电试验研究经常还会参考以下航空领域的标准:

1)SAE ARP 5416A 飞机雷电试验方法[18];

2)RTCA/DO-160 G机载设备环境条件和试验程序[19]。

另外,对于设备级的间接效应试验,还可参考MIL-STD-461G[20]中的CS117试验方法。

针对地面车辆没有明确试验标准的现状,本研究在GJB 8848地面系统雷电试验方法的基础上,参考飞机雷电试验标准及方法,基于地面车辆的特点,整理了适用的雷电试验方法,包括直接效应试验方法和间接效应试验方法。

2 雷电直接效应试验方法

2.1 缩比模型分区试验

笔者参考ARP5416中的飞机模型的附着点试验方法及国外此类试验经验[21],用于确定车辆遭遇雷击时可能的附着点位置,并基于试验结果进行雷击区域划分。尽管缩比模型尖端处的局部曲率半径和局部电场强度与全尺寸装备上的不一样,但各尖端在模型上与在全尺寸装备上的相对尺寸是相似的,因此缩比模型测试结果能可靠地预测了装备上产生雷电先导的位置。本试验一般针对尺寸较大,外形结构复杂的车,一般小型车辆或者外形规则平整的车开展本试验的必要性不大。

试验件为精确缩比模型,最大尺寸不小于1 m,且外表面应为导电表面(金属或金属涂层),即使实际车辆的某些表面是由非导电材料制成的,在模型上也都处理为导电表面。这样处理的主要是因为严格按照实际材料来加工缩比模型的成本太高,且对分区结果影响不大。如果试验件有多种可能影响到雷电附着的状态(比如发射架竖起),应在试验件上能够体现。

典型试验布置见图1。

图1 缩比模型分区试验布置Fig.1 Scaled model zoning test setup

由于地面车辆遭遇的放电为云地放电,放电电极使用棒电极,不需要使用平板电极。试验放电位置要覆盖所有可能的雷电先导方向,通常通过调整电极位置实现。

本试验使用的波形为快速上升的电压波形,图2为GJB 1389A中规定的电压波形,其中的左图即为本试验使用的波形,该波形在GJB 3567[16]中为电压波形A。

图2 GJB 1389A中规定的电压波形

试验中通过延时曝光拍照的方式记录放电电弧路径,从多个方位的照片上可以准确辨识出电弧的附着点位置。根据试验得到的所有附着位置可确定LPZ0A、LPZ0B区域,车辆内部区域可确定为LPZ1,如有需要,可进一步划分LPZ2区等。

2.2 高电压附着试验

参考ARP5416中初始先导附着试验方法,用于确定全尺寸部件或设备的雷击附着位置及可能的击穿路径[22],通常适用于可能遭受直接雷击且没有避雷针防护的设备(如位置较高的雷达天线罩、带玻璃钢罩的杆天线、鞭状天线、凸出的任务装置等)。

典型试验布置见图3。

图3 高电压附着试验布置Fig.3 High voltage attachment test setup

试验件应为全尺寸产品或典型样件。同缩比模型分区试验一样,放电电极使用棒电极,不需要使用平板电极。试验放电位置要覆盖所有可能的雷电先导方向。试验波形为电压波形A。

试验中通过延时曝光拍照的方式记录放电电弧路径,从多个方位的照片上可以辨识出电弧的附着点位置及绝缘击穿位置。

2.3 大电流试验

大电流试验可视作雷电电流物理损伤试验,在飞机的雷电试验标准中,大电流试验分为电弧引入试验和电流传导试验两种,电弧引入试验适用于可能遭受雷电直接附着的结构和设备(如避雷针),电流传导试验适用于不会被雷电附着,但需要传导雷电流的结构和设备(如引下线、汇流条)。

电弧引入试验典型试验布置见图4,电流传导典型布置见图5,两种方式的区别在于电弧引入试验放电电极与放电位置有一定间隙,而电流传导试验中电流输出是直接连接到试验件放电位置。

图4 电弧引入试验布置Fig.4 Arc entry test setup

图5 电流传导试验布置Fig.5 Conducted current test setup

电流注入位置为有代表性的雷电附着点。图 为GJB 1389A中规定的雷电流分量,地面车辆与飞机不同,不存在只承受部分分量的区域,因此电流试验时施加A、B、C、D分量,且应连续施加,以模拟真实的严重雷击情况。

试验时,应使流过试验件的电流满足图6的要求,试验后通过目视方法检查损伤情况,如有必要,可通过无损探伤或剩余强度测试等方法确认损伤程度。

图6 GJB 1389A中规定的电流分量Fig.6 Current components in GJB 1389A

图7 整车雷电间接效应试验布置(直接雷击)Fig.7 Lightning indirect effect test setup of vehicle

3 雷电间接效应试验方法

3.1 整车雷电间接效应试验

GJB 8848中提供的脉冲注入等级(即间接效应试验等级)包括A、B、C、D共4类,其电平与RTCA/DO-160G中的机载设备间接效应试验等级2～等级5接近,这些电平来源于飞机的测试数据[23-24]。地面车辆在雷击时的实际感应瞬态电平与飞机明显是有较大差别的,因此要做到合理有效的防护,首先应该实际测量不同车辆的雷电感应瞬态电平。

整车雷电间接效应试验方法是在实验室内模拟雷电流通道(可分为车辆遭遇直接雷击或者邻近雷击),测量车载设备电缆及端口上的感应电平,测得的感应电平既可以作为车载设备雷电防护设计的依据,也可以与车载设备的防护能力进行比较,评估其防护能力是否满足要求。

本试验的试验件应为完整状态的车辆,或至少包含典型的设备及电缆。

在飞机的整机间接效应试验中,为了机身电流分布尽量接近空中遭雷击时的状态,需要架设同轴回线以避免接地回线对机身电流分布的影响[25-26]。而地面车辆本身就是在地面,不需要架设同轴接地回线,但考虑到不同接地位置对电缆感应的影响,应该在多种接地状态下进行测试,以获得最大的感应电平。

为了不对车辆和设备造成损伤,试验施加的电流分量A(地面设备不包含分量H),幅值一般为1 kA～10 kA,测得的数据进行线性外推以获得全幅值下的感应电平。

需要测量的典型信号包括:芯线与屏蔽层开路电压、芯线短路电流、屏蔽层电流等。正式测量前,应确认测量系统和环境的背景噪声,尤其是雷电流放电对测量系统的影响。

国外有些实验室也开展过全幅值的整机雷电试验[26-27],但由于对试验件损伤较大、试验成本高且有替代方法[28]等原因,标准并不推荐。小型车辆相对飞机而言尺寸较小,如果需要对整车进行雷电综合效应的考核,也可以考虑对整车施加全幅值雷电流。

3.2 直接效应引起的间接效应测量

适用于LPZ0A、LPZ0B区域的设备,以确定因雷击而在设备内部电路及线缆上感应的电压与电流。本试验方法跟“4.1 整车雷电间接效应试验”类似,只是针对的对象不同。

试验布置分两种情况,图8(a)适用于LPZ0B区域雷电流不流过自身的的外部安装设备,图8(b)适用于LPZ0A区域流过雷电流的外部安装设备。

图8 直接效应引起的间接效应测量试验Fig.8 Indirect effect caused by direct strike measurement test setup

试验施加的波形为电流分量A,幅值通常不超过50 kA。本试验也可结合电弧引入试验和电流传导试验来完成。

3.3 雷电脉冲电磁场效应试验

雷电未击中车辆而是落在附近时,雷电脉冲电磁场对车辆也会产生间接效应影响[29],雷电脉冲电磁场效应试验就是为了验证这些效应。GJB 1389A中给出了10 m处邻近雷击的电磁场,见表3。GJB 8848中给出了10 m外的雷电电磁场,见表4。GJB 8848也规定了脉冲电磁场试验方法,脉冲电场效应试验和脉冲磁场效应试验是分开进行的,分别见图9和图10。综合GJB 1389A和GJB 8848给出的方法与电磁场数据,在实际应用中发现存在以下缺陷:

图9 脉冲磁场效应试验Fig.9 Impulse magnetic field effect test

图10 脉冲电场效应试验Fig.10 Impulse electric field effect test

表3 来自邻近雷击(云对地)的电磁场Table 3 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG)

表4 来自邻近雷击(云对地)的电磁场(R>10 m)Table 4 Electromagnetic fields from nearby lightning strikes (CG, R>10 m)

1)没有给出10 m以内的电磁场数据。

2)脉冲磁场试验中磁场环和脉冲电场试验中平板电极的尺寸限制,无法对较大尺寸的试验件开展试验。

3)脉冲磁场和脉冲电场分开试验与真实情况不一致,导致产生的效应与实际不符。

4)GJB 8848中规定的脉冲电场强度是雷电通道产生的,脉冲电场试验中,平板电极无论是否产生击穿,都不能产生3 000 kV/m左右的电场。

基于上述原因,建议采用如图11所示的试验方法,电流发生器产生雷电流波形流过导体以模拟雷电通道,产生脉冲电磁场,将被试车辆放置于通道附近(距离可根据实际情况来确定),监测雷击发生时及发生后车载系统或设备的状态。该试验方法可以弥补上述4条缺陷,尽管地面及场地会影响电磁场分布,仍然可以更好地达到验证雷电脉冲电磁场对车辆产生的效应的目的。

图11 建议的脉冲电磁场试验布置Fig.11 Proposed electromagnetic field effect test setup

试验中应监测雷电流在车辆位置产生的脉冲电场和脉冲磁场强度,车载系统和设备应正常工作,通过对系统和设备的监测以及试验后的性能检查来判断是否造成干扰或损伤。

3.4 雷电感应瞬态敏感度试验

雷电脉冲电磁场效应试验和雷电感应瞬态敏感度试验都是考核验证被试件的间接效应防护能力,不同之处在于前者是以场的方式施加干扰,而后者是以端口注入或线缆耦合的方式施加干扰。

GJB 8848中规定的耦合注入方法为对地注入法,见图12,将瞬态脉冲信号注入到壳体与地之间,这种方法的好处是可以将瞬态信号同时施加到多根互连电缆上,达到同时考核系统内多个设备的目的,但存在的缺陷是:

图12 GJB 8848中规定的耦合注入方法Fig.12 Ground injection method in GJB 8848

1)由于各电缆及设备的阻抗不同,导致各电缆上的瞬态信号电平可能有较大差别,出现考核强度不一致的情况[30]。

2)由于瞬态电流分流到多根电缆,相当于发生器的输出负载大大增加,对于高等级(类别C、D)试验,现有设备无法满足要求。

基于上述原因,对于高等级试验,可以按照RTCA/DO-160或者MIL-STD-461G中CS117的电缆束耦合注入方法进行试验,试验布置见图13,瞬态信号施加到单根电缆束上。试验中车载系统和设备应正常工作,通过对系统和设备的监测以及试验后的性能检查来判断是否造成干扰或损伤。另外,对于非常重要的设备,应考虑按照RTCA/DO-160中的插针注入方法进行试验。

图13 电缆束耦合注入法Fig.13 Bundle injection test setup

4 结论

上述试验方法包括了军用地面车辆可能用到的各种直接效应及间接效应试验方法,融合了当前国内外主流标准,这些方法在其他领域的装备研究中有应用,方法的可行性已经过验证,但应用于军用地面车辆时不能简单照搬。研究了试验方法对军用地面车辆的适用性,基于军用地面车辆的特点及试验经验提出了改进方法。可用于各种军用车辆的试验研究与考核鉴定,也可供后续的标准编制参考。