徐 跃，程慧斌，马 谢，宋 滔

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266041；2.中国电子科技网络信息安全有限公司，四川 成都 610045；3.成都新欣神风电子科技有限公司，四川 成都 610045）

0 引言

雷电是一种高电压和大电流的自然放电现象。它的危害可分为直接效应和间接效应。对动车而言，当雷电直接作用于车体时，一方面会由于巨大的雷电流直接作用于车体局部，而弱导电能力的复合材料导流能力不足，形成局部高热而击穿烧毁的直接效应；另一方面会因雷电流在泄放过程中产生线-场耦合和线-线耦合，由电磁传导和辐射形成复杂的电磁环境，从而对车内信息系统形成间接效应。当雷电直接作用于防雷网时，它会对其周围环境形成强电磁场，进而对头车内的人和信息系统带来间接效应危害。因此，雷电对动车组的安全性构成了潜在的安全威胁。为减少损失，需要对动车信息系统的雷电防护设计提出严格的要求，以提升动车组在雷电环境中的安全性。

1 动车信息系统的防雷设计

感应雷对动车信息系统有浪涌过电压和电磁干扰的影响。通常，动车信息系统的防雷设计由滤波电路和瞬态抑制器件构成复合脉冲防护电路[1]，其中无源滤波电路的主要作用是延长雷电的感应脉冲上升沿，使其处于瞬态抑制器件的作用范围内，同时兼具一定的滤波功能，减少电磁干扰。

瞬态抑制电路的设计分为两个部分[2]，一是稳态滤波设计，二是电磁脉冲瞬态防护设计。它以常规滤波器的设计思路为基础进行稳态滤波电路设计，并在此基础上进行电磁脉冲瞬态防护设计，从而实现对强电磁脉冲的响应。

低通稳态电路的基本原理与低通滤波器相同。设计过程中需要先确定逼近函数类型，再确定低通原型电路的L、C参数[3]。采用不同函数类型所确定的低通滤波电路衰减特性各有不同，其中切比雪夫型低通滤波器因幅频曲线下降更陡，较适合雷电防护方案设计。它的主要参数计算如下：

由于动车信息系统在滤波电路特征阻抗设计方面有要求，因此需将设计所要求的特征阻抗除以基准滤波器特征阻抗获得阻抗归一化系数K[4]，然后利用归一化系数K进行反归一化变换，计算方法如下：

2 雷击脉冲对动车信息系统的耦合仿真

在动车工程领域中，碳纤维材料主要分为普通碳纤维结构和导电性能增强型碳纤维复合材料。根据结构及材质组成的不同，两者在防雷、抗干扰等电磁防护方面的性能差距较大。在实际动车工程中，所采用的复合碳纤维材料通常是成本与性能的折中方案。

通过构建动车司机室模型，分别对普通碳纤维和增强碳纤维车况下的车内信息系统线缆的耦合响应进行分析。仿真雷击电流从车体顶部注入，4 个车轮位置接入大地泄放，如图1 所示。对于车体材料，普通碳纤维设置相对介电常数为4，电导率为10 S/m。增强碳纤维复合材料具有较高的导电性能，电导率为8000 S/m。

其中，车内信息系统设置两根典型线缆，分别为沿车行进方向布设的p1（长度为20 m）和司机操控台弯折线缆p2（长度为2 m）。

当车体采用普通碳纤维结构，搭接电阻率为6×104Ω·m 时，车内信息系统所耦合的感应电压和频谱如图2 和图3 所示。

如此可见，车内信号线缆在雷击环境下的耦合电压上沿约为1.7 μs，峰值达到约11.7 kV，频谱分布主要集中在5～50 kHz。

当车体采用增强型碳纤维复合材料，搭接电阻率为1×10-2Ω·m 时，信息系统互连线缆的感应电压和频谱如图4 和图5 所示。

从结果可知，增强型碳纤维复合材料车体内的线缆感应电压不超过70 V，但感应脉冲电压上升沿变陡，上升沿约为19 ns，且呈现出“线缆越短，上升沿越陡”的态势，具备较多的高次谐波分量，频谱集中在5 kHz～30 MHz。

图1 动车直击雷仿真模型

图2 普通碳纤维车体信号线缆耦合电压

图3 普通碳纤维车体信号线缆耦合频谱分布

图4 增强型碳纤维车体信号线缆耦合电压

图5 增强型碳纤维车体信号线缆耦合频谱分布

因此，对于采用不同导电性能碳纤维材料的动车信息系统，它的雷击防护均需要设计出脉冲响应时间在纳秒级，能承受10 kV 以上的电压冲击，且具备较低插损值的脉冲抑制方案，从而保护电子信息设备。

3 信息系统电磁脉冲防护电路设计

根据上述指标需求，设计了四级防护的综合型瞬态抑制电路[5]。其中，第一级防护电路采用滤波电路，以延时脉冲上升沿；第二级采用耐压较高和通流能力较强的气体放电管（Gas Discharge Tube，GDT），但是GDT 存在击穿电压不稳和尖峰泄露的问题；为了解决第二级的尖峰泄露问题，第三级电路选择耐压高、尖峰吸收能力强的半导体放电管（Thyristor Surge Suppressor，TSS），吸收第二级瞬态抑制电路的尖峰泄露[6]；第四级选择具有皮秒级响应能力的瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS），如图6 所示。对该电磁脉冲防护电路的插损和驻波进行仿真分析，结果如图7 所示。

可见，在30 MHz 内，该防护电路的驻波最大值为1.419，插入损耗最大为0.133 dB，符合低损耗的要求。

图6 脉冲防护电路PSPICE 电路模型

图7 脉冲防护电路驻波与插入损耗仿真结果

4 防护设计性能验证

为验证脉冲防护电路的防护性能，采用脉冲注入法[7]对其进行防护效能试验。注入脉冲源经过40 dB 定向耦合器和60 dB 衰减器后与示波器相连，示波器上的监测电压即为标定的输入电压。在完成输入电压标定后接入该脉冲防护电路，已标定的电压通过线缆传导注入防护电路，再经过40 dB 衰减定向耦合器和40 dB 衰减器后接入示波器，从而实现对防护电路的输出残压测量。标定输入电压与防护电路输出端口残压测试结果如图8 和图9 所示。通过数据分析，防护电路的测试数据见表1。

通过对比标定输入电压与防护电路输出端口残压可知，该脉冲防护电路对雷击感应脉冲具有43.02 dB 的防护效能，能够大幅降低车内信息系统线缆在雷击环境下的耦合电压，提升动车信息系统电子设备的可靠性。

图8 标定输入电压波形

图9 防护电路输出端口残压波形

表1 电磁脉冲防护效能试验数据表

5 结论

本文通过仿真研究了普通碳纤维与增强型碳纤维复合材料应用于动车时车内信息系统在雷击环境下的内部响应情况，分析得出了新型动车车况下的防雷技术指标要求，并提出了综合运用GDT、TSS、TVS 等瞬态抑制器件和滤波电路组合的四级综合脉冲防护电路，仿真了该电路的综合传输性能，验证了该方案的实际雷电环境防护效能。该防护电路对于信息系统雷电电磁脉冲防护具有广泛的适用性，对提高采用碳纤维车体的新型动车的信息系统有一定的指导意义。