雷擊環(huán)境下新型動車信息系統(tǒng)防護設(shè)計*

徐 躍，程慧斌，馬 謝，宋 滔

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266041；2.中國電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610045；3.成都新欣神風電子科技有限公司，四川 成都 610045）

0 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(yīng)和間接效應(yīng)。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(dǎo)電能力的復(fù)合材料導(dǎo)流能力不足，形成局部高熱而擊穿燒毀的直接效應(yīng)；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(dǎo)和輻射形成復(fù)雜的電磁環(huán)境，從而對車內(nèi)信息系統(tǒng)形成間接效應(yīng)。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(yīng)危害。因此，雷電對動車組的安全性構(gòu)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(shè)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。

1 動車信息系統(tǒng)的防雷設(shè)計

感應(yīng)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(shè)計由濾波電路和瞬態(tài)抑制器件構(gòu)成復(fù)合脈沖防護電路[1]，其中無源濾波電路的主要作用是延長雷電的感應(yīng)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(shè)計分為兩個部分[2]，一是穩(wěn)態(tài)濾波設(shè)計，二是電磁脈沖瞬態(tài)防護設(shè)計。它以常規(guī)濾波器的設(shè)計思路為基礎(chǔ)進行穩(wěn)態(tài)濾波電路設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行電磁脈沖瞬態(tài)防護設(shè)計，從而實現(xiàn)對強電磁脈沖的響應(yīng)。

低通穩(wěn)態(tài)電路的基本原理與低通濾波器相同。設(shè)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)[3]。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(shè)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(shè)計方面有要求，因此需將設(shè)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[4]，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：

2 雷擊脈沖對動車信息系統(tǒng)的耦合仿真

在動車工程領(lǐng)域中，碳纖維材料主要分為普通碳纖維結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能增強型碳纖維復(fù)合材料。根據(jù)結(jié)構(gòu)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(fù)合碳纖維材料通常是成本與性能的折中方案。

通過構(gòu)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(yīng)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(shè)置相對介電常數(shù)為4，電導(dǎo)率為10 S/m。增強碳纖維復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性能，電導(dǎo)率為8000 S/m。

其中，車內(nèi)信息系統(tǒng)設(shè)置兩根典型線纜，分別為沿車行進方向布設(shè)的p1（長度為20 m）和司機操控臺彎折線纜p2（長度為2 m）。

當車體采用普通碳纖維結(jié)構(gòu)，搭接電阻率為6×104Ω·m 時，車內(nèi)信息系統(tǒng)所耦合的感應(yīng)電壓和頻譜如圖2 和圖3 所示。

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1.7 μs，峰值達到約11.7 kV，頻譜分布主要集中在5～50 kHz。

當車體采用增強型碳纖維復(fù)合材料，搭接電阻率為1×10-2Ω·m 時，信息系統(tǒng)互連線纜的感應(yīng)電壓和頻譜如圖4 和圖5 所示。

從結(jié)果可知，增強型碳纖維復(fù)合材料車體內(nèi)的線纜感應(yīng)電壓不超過70 V，但感應(yīng)脈沖電壓上升沿變陡，上升沿約為19 ns，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5 kHz～30 MHz。

圖1 動車直擊雷仿真模型

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

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

因此，對于采用不同導(dǎo)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(shè)計出脈沖響應(yīng)時間在納秒級，能承受10 kV 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(shè)備。

3 信息系統(tǒng)電磁脈沖防護電路設(shè)計

根據(jù)上述指標需求，設(shè)計了四級防護的綜合型瞬態(tài)抑制電路[5]。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（Gas Discharge Tube，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(dǎo)體放電管（Thyristor Surge Suppressor，TSS），吸收第二級瞬態(tài)抑制電路的尖峰泄露[6]；第四級選擇具有皮秒級響應(yīng)能力的瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，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。

可見，在30 MHz 內(nèi)，該防護電路的駐波最大值為1.419，插入損耗最大為0.133 dB，符合低損耗的要求。

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

4 防護設(shè)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[7]對其進行防護效能試驗。注入脈沖源經(jīng)過40 dB 定向耦合器和60 dB 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(dǎo)注入防護電路，再經(jīng)過40 dB 衰減定向耦合器和40 dB 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。

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(yīng)脈沖具有43.02 dB 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(shè)備的可靠性。

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

5 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(fù)合材料應(yīng)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(yīng)情況，分析得出了新型動車車況下的防雷技術(shù)指標要求，并提出了綜合運用GDT、TSS、TVS 等瞬態(tài)抑制器件和濾波電路組合的四級綜合脈沖防護電路，仿真了該電路的綜合傳輸性能，驗證了該方案的實際雷電環(huán)境防護效能。該防護電路對于信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護具有廣泛的適用性，對提高采用碳纖維車體的新型動車的信息系統(tǒng)有一定的指導(dǎo)意義。