雷擊環(huán)境下新型動車信息系統(tǒng)防護設計

00引言雷電是一種高電壓和大電流的自然放電現(xiàn)象。它的危害可分為直接效應和間接效應。對動車而言，當雷電直接作用于車體時，一方面會由于巨大的雷電流直接作用于車體局部，而弱導電能力的復合材料導流能力不足，形成局部高熱而擊穿燒毀的直接效應；另一方面會因雷電流在泄放過程中產(chǎn)生線-場耦合和線-線耦合，由電磁傳導和輻射形成復雜的電磁環(huán)境，從而對車內(nèi)信息系統(tǒng)形成間接效應。當雷電直接作用于防雷網(wǎng)時，它會對其周圍環(huán)境形成強電磁場，進而對頭車內(nèi)的人和信息系統(tǒng)帶來間接效應危害。因此，雷電對動車組的安全性構成了潛在的安全威脅。為減少損失，需要對動車信息系統(tǒng)的雷電防護設計提出嚴格的要求，以提升動車組在雷電環(huán)境中的安全性。01動車信息系統(tǒng)的防雷設計感應雷對動車信息系統(tǒng)有浪涌過電壓和電磁干擾的影響。通常，動車信息系統(tǒng)的防雷設計由濾波電路和瞬態(tài)抑制器件構成復合脈沖防護電路，其中無源濾波電路的主要作用是延長雷電的感應脈沖上升沿，使其處于瞬態(tài)抑制器件的作用范圍內(nèi)，同時兼具一定的濾波功能，減少電磁干擾。瞬態(tài)抑制電路的設計分為兩個部分，一是穩(wěn)態(tài)濾波設計，二是電磁脈沖瞬態(tài)防護設計。它以常規(guī)濾波器的設計思路為基礎進行穩(wěn)態(tài)濾波電路設計，并在此基礎上進行電磁脈沖瞬態(tài)防護設計，從而實現(xiàn)對強電磁脈沖的響應。低通穩(wěn)態(tài)電路的基本原理與低通濾波器相同。設計過程中需要先確定逼近函數(shù)類型，再確定低通原型電路的L、C參數(shù)。采用不同函數(shù)類型所確定的低通濾波電路衰減特性各有不同，其中切比雪夫型低通濾波器因幅頻曲線下降更陡，較適合雷電防護方案設計。它的主要參數(shù)計算如下：由于動車信息系統(tǒng)在濾波電路特征阻抗設計方面有要求，因此需將設計所要求的特征阻抗除以基準濾波器特征阻抗獲得阻抗歸一化系數(shù)K，然后利用歸一化系數(shù)K進行反歸一化變換，計算方法如下：02雷擊脈沖對動車信息系統(tǒng)的耦合仿真在動車工程領域中，碳纖維材料主要分為普通碳纖維結(jié)構和導電性能增強型碳纖維復合材料。根據(jù)結(jié)構及材質(zhì)組成的不同，兩者在防雷、抗干擾等電磁防護方面的性能差距較大。在實際動車工程中，所采用的復合碳纖維材料通常是成本與性能的折中方案。通過構建動車司機室模型，分別對普通碳纖維和增強碳纖維車況下的車內(nèi)信息系統(tǒng)線纜的耦合響應進行分析。仿真雷擊電流從車體頂部注入，4個車輪位置接入大地泄放，如圖1所示。對于車體材料，普通碳纖維設置相對介電常數(shù)為4，電導率為10S/m。增強碳纖維復合材料具有較高的導電性能，電導率為8000S/m。圖1動車直擊雷仿真模型其中，車內(nèi)信息系統(tǒng)設置兩根典型線纜，分別為沿車行進方向布設的（長度為20m）和司機操控臺彎折線纜（長度為2m）。當車體采用普通碳纖維結(jié)構，搭接電阻率為時，車內(nèi)信息系統(tǒng)所耦合的感應電壓和頻譜如圖2和圖3所示。圖2普通碳纖維車體信號線纜耦合電壓圖3普通碳纖維車體信號線纜耦合頻譜分布如此可見，車內(nèi)信號線纜在雷擊環(huán)境下的耦合電壓上沿約為1.7μs，峰值達到約11.7kV，頻譜分布主要集中在5～50kHz。當車體采用增強型碳纖維復合材料，搭接電阻率為時，信息系統(tǒng)互連線纜的感應電壓和頻譜如圖4和圖5所示。圖4增強型碳纖維車體信號線纜耦合電壓圖5增強型碳纖維車體信號線纜耦合頻譜分布從結(jié)果可知，增強型碳纖維復合材料車體內(nèi)的線纜感應電壓不超過70V，但感應脈沖電壓上升沿變陡，上升沿約為19ns，且呈現(xiàn)出“線纜越短，上升沿越陡”的態(tài)勢，具備較多的高次諧波分量，頻譜集中在5kHz～30MHz。因此，對于采用不同導電性能碳纖維材料的動車信息系統(tǒng)，它的雷擊防護均需要設計出脈沖響應時間在納秒級，能承受10kV以上的電壓沖擊，且具備較低插損值的脈沖抑制方案，從而保護電子信息設備。03信息系統(tǒng)電磁脈沖防護電路設計根據(jù)上述指標需求，設計了四級防護的綜合型瞬態(tài)抑制電路。其中，第一級防護電路采用濾波電路，以延時脈沖上升沿；第二級采用耐壓較高和通流能力較強的氣體放電管（GasDischargeTube，GDT），但是GDT存在擊穿電壓不穩(wěn)和尖峰泄露的問題；為了解決第二級的尖峰泄露問題，第三級電路選擇耐壓高、尖峰吸收能力強的半導體放電管（ThyristorSurgeSuppressor，TSS），吸收第二級瞬態(tài)抑制電路的尖峰泄露；第四級選擇具有皮秒級響應能力的瞬態(tài)抑制二極管（TransientVoltageSuppressor，TVS），如圖6所示。對該電磁脈沖防護電路的插損和駐波進行仿真分析，結(jié)果如圖7所示。圖6脈沖防護電路PSPICE電路模型圖7脈沖防護電路駐波與插入損耗仿真結(jié)果可見，在30MHz內(nèi)，該防護電路的駐波最大值為1.419，插入損耗最大為0.133dB，符合低損耗的要求。04防護設計性能驗證為驗證脈沖防護電路的防護性能，采用脈沖注入法對其進行防護效能試驗。注入脈沖源經(jīng)過40dB定向耦合器和60dB衰減器后與示波器相連，示波器上的監(jiān)測電壓即為標定的輸入電壓。在完成輸入電壓標定后接入該脈沖防護電路，已標定的電壓通過線纜傳導注入防護電路，再經(jīng)過40dB衰減定向耦合器和40dB衰減器后接入示波器，從而實現(xiàn)對防護電路的輸出殘壓測量。標定輸入電壓與防護電路輸出端口殘壓測試結(jié)果如圖8和圖9所示。通過數(shù)據(jù)分析，防護電路的測試數(shù)據(jù)見表1。圖8標定輸入電壓波形圖9防護電路輸出端口殘壓波形表1電磁脈沖防護效能試驗數(shù)據(jù)表通過對比標定輸入電壓與防護電路輸出端口殘壓可知，該脈沖防護電路對雷擊感應脈沖具有43.02dB的防護效能，能夠大幅降低車內(nèi)信息系統(tǒng)線纜在雷擊環(huán)境下的耦合電壓，提升動車信息系統(tǒng)電子設備的可靠性。05結(jié)論本文通過仿真研究了普通碳纖維與增強型碳纖維復合材料應用于動車時車內(nèi)信息系統(tǒng)在雷擊環(huán)境下的內(nèi)部響應情況，分析得出了新型動車車況下的防雷技術指標要求，并提出了綜合運用