摘
要
针对新型动车在司机室采用碳纤维复合材料的车况下尚无雷击防护措施的问题，通过仿真分析了雷击环境下不同导电性能碳纤维司机室的信息系统电路耦合响应。仿真结果表明：在较高导电性能的车况下，车内信息系统耦合的脉冲上升沿达到纳秒级，超出传统防护措施的响应时间；在弱导电性能的车况下，车内耦合脉冲峰值超出传统防护措施的通流能力。实际工程中则基本采用折中方案，即导电性能介于二者之间的复合碳纤维。针对复合碳纤维车况，设计了一种四级脉冲防护电路，并通过脉冲注入试验进行了验证。结果表明，该防护设计能够有效为新型动车信息系统提供防护。
关键词：新型动车；碳纤维增强复合材料；雷击仿真；信息系统电磁防护
00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。
01
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，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，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。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，然后利用归一化系数K进行反归一化变换，计算方法如下：
02
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8 000 S/m。
图1 动车直击雷仿真模型
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为20 m）和司机操控台弯折线缆
（长度为2 m）。
（长度
当车体采用普通碳纤维结构，搭接电阻率为电压和频谱如图2和图3所示。
时，车内信息系统所耦合的感应
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
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，搭接电阻率为互连线缆的感应电压和频谱如图4和图5所示。
时，信息系统
雷击环境下新型动车信息系统防护设计
