特种车辆雷电直接效应及耦合仿真分析研究

尹凤琳，孙颖力，张博宇，张永阔，顾乃威

（北京航天发射技术研究所，北京，100076）

0 引 言

特种车辆在野外长时间待机或执行任务过程中，将直接暴露于雷电环境中，雷电引发的直接效应和电磁效应将对其产生严重的后果。地面特种车辆内部电子系统复杂，由大量电磁环境敏感器件组成，雷电环境下极易产生损伤和破坏。

特种车辆经常需要在野外环境下长时间工作，其使用模式特殊，很难按照已有固定目标采用的固定地点雷电防护技术，因此针对空旷场地特种车辆雷电效应仿真及损伤模式的研究分析十分迫切。本文通过针对特种车辆空旷场地环境下两种使用工况下的直接效应及电磁效应仿真，分析雷电对其损伤机理，从而总结出特种车辆雷电防护建议。

1 雷电产生条件及环境分析

1.1 雷电放电波形

雷电是自然条件下由雷云引起的超长距离大气瞬时放电现象，放电过程会产生强烈的亮光，产生瞬时大电流，同时辐射出强电磁脉冲。雷电放电电压高，可达500 kV以上，峰值电流大，高达100～300 kA，放电电流变化快，且放电时间短。GJB1389A中规定的雷电流波形如图1所示[1]。

图1 雷电流波形 Fig.1 Lightning Current Waveform

由于雷电波形A是云地首次雷击，属于最严酷的雷电环境。因此在仿真中借鉴了与飞机雷电电磁效应密切相关的雷电流分量A进行有针对性的耦合分析[2]。A电流分量由双指数波形描述，表达式[3]为

式中I0为幅值，I0= 218 810 A ；t为时间，单位为s；α，β为时间常数，α= 11 354 s-1，β= 647 265 s-1。

本文直接效应仿真主要选择雷电流波形为峰值200 kA，1.4×1011A/μs的最大初始电流上升率，以及6.4 μs、69 μs的峰值和半峰值时间，其电流时域波形及频谱如图2所示。

图2 雷电流波形 Fig.2 Lightning Current Waveform

1.2 雷电电磁环境计算

特种车辆电磁耦合效应分析主要考虑雷电回击电流产生的电磁脉冲对车辆影响。本文计算中认为大地近似为良导电平面，且不考虑云内电荷的影响，将雷电回击通道简化为垂直于地面的直线通道，且通道周围为无穷空间，通过任意时间通道中任意高度的回击电流可计算所产生的电磁场，计算模型如图3所示。

图3 雷电回击的天线模型 Fig.3 Lightning Strike Antenna Model

图3中雷电回击通道高度为H，其对应的电磁场为时间t下，高度z’下由回击电流产生，并计算分析无穷空间内P处电磁场情况。

在均匀、线性、各向同性介质中，麦克斯韦方程组为

式中E为电场强度；B为磁场强度；J为电流密度；ρ为电荷密度；ε为介质的介电常量。

麦克斯韦方程组经简化后可获得达朗贝尔方程：

其非齐次解为

式中c为光速，；s＇r为源点的矢量；s＇r为观测点的矢量；R为观测点到源的距离，另外，J和ρ满足连续方程：

采用偶极子法将电场分为静电分量、感应分量和辐射分量，将磁场分为感应分量和辐射分量，求解洛伦兹条件，得到dB和dE。

式（8）至式（11）表示的是位于z＇处的无穷小偶极子产生的电磁场。因此为了获得雷电放电电流通过整个放电通道时产生的电磁场，对z＇在整个通道及其镜像中进行积分。

位于P点的观测者在t时刻看到的高度就有一个时间上的延迟，如下式：

可以推导出P点雷电回击水平磁场Bø、垂直电场Ez和水平电场Er如下：

如果观测点P在地面上，即z=0，则可得地面上水平电场Er=0，垂直电场Ez和水平磁场Bø,公式相应简化为

因此要求得雷电回击电流产生的电磁场，需明确任意时间通道中任意高度的回击电流[4]。对比雷电流回击通道中的工程模型，发现DU模型具有较为明确的物理意义，通过DU模型可计算得出距离雷电通道不同距离处垂直电场波形[5]。

经计算得出，距离放电通道50 m处，首次回击产生的电场峰值为543 kV/m；距离放电通道500 m处，首次回击产生的电场峰值为56 kV/m；距离放电通道5000 m处，首次回击产生的电场峰值为5 kV/m。从计算结果可以得出，随放电距离增加，电场峰值近似等倍减小，经分析由于放电通道50 m处距离较近，更易受到雷电直接效应损伤，并且5000 m距离较远，电场峰值较小，产生的间接损伤效应不明显，因此本文雷电间接电磁场效应仿真采用距离放电通道500 m处，电场峰值56 kV/m雷电电磁脉冲进行间接效应仿真。雷电间接效应电场强度如图4所示。

图4 雷电电磁脉冲波形 Fig.4 LEMP Waveform

2 特种车辆多工况下雷电效应仿真

特种车辆在空旷场地一般有两种使用工况：a）工况1状态下，特种车辆机构竖起一定角度，具有较高高度，空旷场地下雷电天气环境中雷云较低时，机构顶端极易聚集与雷雨云中下部异种电荷，并产生迅速的放电作用，易产生引雷效应并遭受到直接雷击； b）工况2状态下，特种车辆待机所在场地处于雷电回击通道附近时，雷电感应电磁场将对特种车辆上电气系统及电子设备产生间接效应，在电气系统关键部件、电缆上产生感应电流、电压，导致其损坏，因此主要针对工况1开展雷电直接效应仿真，针对工况2开展雷电间接电磁效应仿真研究。

仿真模型采用特种车辆模型中外壳为金属铝结构，车体大梁采用金属钢结构，接地线设置在车体大梁尾端。由于车辆舱门、车窗等安装使用过程中将产生一定的机械缝隙，雷电电磁脉冲将通过该缝隙耦合进入舱室内部，破坏舱室内部电磁环境，对舱室内部电气设备正常使用产生一定影响。将车辆舱门、车窗部位等设置0.5 cm宽的缝隙，地面采用公路水泥地面属性。公路水泥地面参数设置如表1所示。

表1 公路水泥地面参数设置 Tab.1 Parameter Setting of Highway Cement Ground

2.1 雷电直接效应通道仿真

特种车辆处于工况1使用条件下时，雷电天气下在机构尖端易感应出异种电荷，符合雷电先导形成的条件，易受到雷电直接效应损伤。仿真场景如图5至图7所示，仿真中采用幅度为200 kA的双指数雷电流模型，雷电电流从机构尖端注入，模拟雷电直接击中工况1使用状态下特种车辆最高点的情况。

图5 工况1雷电直接效应仿真示意 Fig.5 Lightning Direct Effect Simulation of Operating Mode I

经数值仿真后可得出如图6、图7所示，雷电直击特种车辆情况下，特种车辆表面电场及表面电流分布。

图6 直接雷击下表面电场分布 Fig.6 Surface Electric Field Distribution of Lightning Direct Effect

图7 直接雷击下表面电流分布 Fig.7 Surface Current Distribution of Lightning Direct Effect

从上述结果可以看出，雷电直接击中特种车辆最高点时，将产生严重效应，雷电流注入瞬间，特种车辆所处电磁环境恶劣，且最高表面电流高达3000 A，将引发热效应损伤。由于接地链连接在车辆大梁尾端，整车最高点遭受雷电直击后，雷电集中于击中位置附近并多数从接地处导入大地，距离较远的车身及车头部分等感应电场相较于击中位置附近较小，约为 10 kV/m，舱室结构内仍耦合部分感应场，因而应对内部电气设备及屏蔽效能进行防护。

因此，当特种车辆遭受直接雷击的情况下，需保证接地系统良好，从而保证雷电从直击点注入，并迅速从接地处导入大地，从而保证了除雷电直击点及其附近外特种车辆其他位置电磁环境安全，除此之外，雷电放电通路上的电气设备应当进行有效防护，防止因直接雷击带来的瞬时恶劣的电磁环境而损坏。

2.2 特种车辆雷电感应场耦合仿真

2.2.1 舱室结构雷电感应场耦合仿真

特种车辆在工况2状态下主要考虑车辆附近产生的直接雷击引发的感应电磁场对车辆上设备的影响，通过仿真特种车辆不同位置内部感应电场、磁场强度，分析雷电电磁脉冲损伤威胁。

工况2感应场耦合仿真中雷电感应电磁场观察点设置在驾驶室内外，车体舱室两侧前部、中部、尾部内外等位置。

图8 工况2感应场耦合仿真示意 Fig.8 Lightning Induction Field Coupling Simulation of Operating Mode II

经仿真，特种车辆在工况2状态下驾驶室内外感应电场与感应磁场仿真结果如图9所示。

图9 驾驶室内外感应电场及感应磁场波形 Fig.9 Induced Electric Field and Induced Magnetic Field Waveform Inside and Outside the Cab

特种车辆在工况2状态下方舱内外感应电场与感应磁场仿真结果如图10所示。从以上结果可以看出，在工况2状态下，特种车辆受到雷电间接效应影响，雷电电磁脉冲将对驾驶室及方舱产生耦合效应，此时在方舱外部位置电场最高约为2900 V/m，经方舱屏蔽后，舱内部电场最高约为450 V/m；驾驶室外部位置电场最高为6800 V/m，经驾驶室屏蔽作用后，驾驶室内部电场最高约为200 V/m。驾驶室外部磁场强度最高为160 A/m，经屏蔽作用后内部磁场最高约为35 A/m，方舱外部感应磁场环境约为140 A/m，经屏蔽作用后内部磁场最高约为20 A/m。由此可见，通过舱室结构进行屏蔽设计，可以一定程度上衰减雷电电磁脉冲威胁程度。

图10 方舱内外感应电场及感应磁场波形 Fig.10 Induced Electric Field and Induced Magnetic Field Waveform Inside and Outside the Shelter

因此，为保证整车在雷电电磁环境下正常工作，需保证舱室结构屏蔽性能的同时，结合内部电磁环境针对电气设备进行防护匹配设计。

2.2.2 线缆感应耦合仿真

本文针对在工况2状态下，特种车辆遭受雷电间接效应干扰下方舱内、驾驶室内部不同长度、不同类型线缆感应电压情况开展耦合仿真分析，具体线缆类型及长度仿真情况如下表2所示。方舱内部线缆仿真结果如图11所示。

表2 线缆仿真种类 Tab.2 Cable Simulation Type

图11 舱内同轴线及单线感应电压 Fig.11 Induced Voltages of Coaxial Line and Single Line Inside the Shelter

驾驶室内部线缆仿真结果如图12所示。可以看出，线缆产生的感应电压与线缆长度、线缆类型有关，舱内屏蔽同轴线感应电压极小，舱内同样长度的单线保护能力较差，芯线上产生的感应电压较大，约为15 V，其芯线上同样产生感应电流，约为0.3 A；驾驶室内屏蔽同轴线上感应电压相较于同长度下双绞线极小，由于双绞线特殊结构形式，两条单线引发的感应场有一定的抵消作用，因而产生的感应电压及感应电流较小，约为2.3 V，感应电流约为0.045 A。由此可见，针对不同重要程度电气设备应选用不同防护等级线缆形式，从而实现降低内部感应电压，起到更好的防护作用。

图12 驾驶室内同轴线及双绞线感应电压 Fig.12 Induced Voltages of Coaxial Line and Twisted Line Inside the Cab

3 防护建议

通过上述仿真过程及仿真结果分析可以看出，针对不同工况特种车辆遭受雷电威胁不同，在特种车辆各部分均能产生不同程度的感应场，改变内部电气设备所处的电磁环境，将直接影响到正常工作。

特种车辆处于工况1情况下，由于机构竖起一定高度，更易受到雷电直击作用，该种情况下，特种车辆应当保证好接地效果，从而使得直击点注入的大电流以较快的速度导入大地，并且针对舱室内部线缆及设备上较大的浪涌电压、电流可通过采用加装浪涌保护器方式配合良好接地防护。

特种车辆处于工况2情况下，易遭受雷电间接电磁效应损伤，结合上述仿真结果，针对雷电间接效应引发的雷电感应电磁场，应采用屏蔽及浪涌防护方式，其中屏蔽防护手段可以将雷电感应电磁环境与被保护设备隔绝，雷电感应电磁场主要集中在低频磁场方面，主要采用磁导率较高的材料作为屏蔽材料，提高整体舱室结构屏蔽效能。除此之外，针对无法将雷电感应电磁场完全屏蔽的情况，舱室内部同样会有感应电磁场，在设备线缆上将产生瞬间感应电压、电流，屏蔽线缆能够取得良好的防护效果，再结合浪涌保护方式进行防护。

4 结束语

特种车辆在空旷场地执行任务时在雷电环境下根据使用工况不同，雷电直接效应与电磁耦合效应均将对特种车辆正常使用流程产生威胁。针对不同使用工况下雷电威胁，应采用不同的雷电防护手段，从而提高特种车辆环境适应性。