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1、雷电电藏躲：幸螽奠鹅舍臻灸 雷电电磁脉冲及其耦合研究 闫璧华 南京解藏军璃工大学 、蓟羹阂的毁伤效应 1 ) 云陡与避雕 自然雷电分为云闪和地闪。云闪是指发生在云中、云酥嗣：l 云与空气闻的闪电，其发生概率在自 然闪电中占2 3 以上，不接触地面，对地面上物体影响小。地闪是指发生在云与大地间的闪电，对 于建嚣辫近A 类的生存环襞危害极大。 2 地闺酶蠹揍毁伤效应与闼接毁伤效应 地闪放电的峰值电流平均高于3 0 k A ，最高达几十万安培，瞬时功率为( 1 1 0 0 0 ) G W 。因此， 在雷击点周围可产生严重的效应，造成人员伤亡、物体燃烧、爆炸、腐蚀、变形和结构性破坏，并 形成足以致命的
2、按魑电压和跨步电压等，这类蛮接与黉电主放电遴道接融两产生的破1 坏被称为雷电 的直接毁伤效应。同时，雷电流还伴随产生很强的电磁辐射，即雷电电磁脉冲( L E M P ，L i g h t n i n g E l e e t r o m a g n e t i cP u l s e ) ，在半径达2 k m 的范阐内可严重毁伤电子、电气设备，对信息网络设旋和 电子、电力系统的安全运行构成威胁。这裁是瞻雷暾电磁脉冲场与设备魏系统之闯穗互作用弓| 起熬 间接毁伤效应。 3 ) 地闪雷电电磁脉冲场及其对电缆的耦合 经数蕊分柝，淫值为l O O k A 一安培的雷电流所产生的L E M P 场在距离酗击
3、通道l k m 处，峰值场强高 达2 0 k V m ，2 k m 处仍然可达8 k V m 。电磁嚣承冲熊量经各种勰合途径可进入电子、电力系缆，在其设 备的输入、输出端口以及元器件的端对上形成过电压和过电流。旦元器件两端的过电压( 电流) 超 过其损伤阂值，蠢可造成永久性损伤，霞设备停上t 运行。 计算结果表明，长度近西米的电缆嚣端，L E M P 的感应电压峰值可达几万伏，这数馕远远超过 了电缆终端设备能够承受的电压幅度。同时，随着微电子设备的广泛使用以及微电子器件集成度的 不断撬高，设备的易损性增加，于是，因L E M P 豹毁伤效应丽造成的后栗越来越严重。一次雷击在其 周围形成的电磁毁
4、伤半径约为2 k m 。 二j 雷电电磁脉冲与离功率媳磁学 离功率电磁学( H P E M ，l 。l i g h P o w e rE l e c t r o m a g n e t i c s ) 通常用以描述一种峰值电场和峰值磁场 很强的瞬变电磁环境，即高功率电磁环境。雷电闪击附近的电磁场、静电放电近旁的电磁场、核爆 炸产生麓电磁脉冲和雷达系统产生的电磁场等都是其研究的典型电磁环境。 如前所述，L E M P 作为自然界产生的种高功率电磁环境，可以造成电子、电气设备及系统的运 行中断或损伤，或使之受到干扰。 三、地闵k E M P 场的数值分祈 i ) L E I 场计算方法琵较 理想近
5、似法一大地势非理想导体，不适予计算地嚣附近的水平电场。 1O 雷电电z 茬砾：呻厦奠榀舍研究 最速下降法一仅适于计算回击通道起点高度大于零、距通道几百米以的L E M P 。 N o r t o n 法一仅在埘0 0 0 1 S m 时，计算距回击通道( 1 0 0 1 0 0 0 ) m 范围内的场，有一定精度。 斜波法一仅适用于计算距回击通道几千米远的地面水平电场。 表面阻抗法仅适用于计算距回击通道2 0 0 m 以远的地面水平电场。 2 ) 杨春山在计算L E M P 场方面的贡献之一提出了计算L E l V I P 场的F D T D 法、近似镜像法 适于计算大地电导率比较低时距回击通
6、道几十米范围内的L E M Po 提出了混合法( “近似镜像法+ 表面阻抗法”) 不受大地电参数约束，适于计算距地闪回击电流几十米范围之内的水平电场。 首次分析了大地色散对L E M P 场的影响4 若：垮大地近似看作非色散媒质，即口，、为常数，计算水平磁场及地面以上垂直电场误 差不大，但对水平电场及地面以下的垂直电场而言，误差可能会很大。 术C h u n s h a nY a n g ，B i h u aZ h o u C a l c u l a t i o nM e t h o d so fE 1 e c t r o m a g n e t i cF i e l d sV e r yC
7、l o s e t oL i g h t n i n g 3 ) 杨春山在计算L E M P 场方面的贡献之二一一提出了改进的工程模型” 总结了检验回击模型有效性的基准，提出了简单工程模型的改进方法。分析了回击速度、电流 上升沿对L E M P 波形典型特征的影响。由于引入了电流上升沿衰减因子及回击速度衰减因子，所有的 改进的工程模型都能重现回击过程的光学测量特征，而且初始模型不能产生的一些特征如近场电场 t： 。 的鼍斜坡善、特征、远场的“过零点”特征等都因此而产生了。 术：l ：C h u n s h a n Y a n g ， B i h u a Z h o u ，L i h u aS
8、h i ， a n dC h e n gG a o M o d i f i c a t i o no f E n g i n e e r i n g R e t u r n S t r o k eM o d e l St oI n c l u d eD i s p e r s i o nE f f e c t s I E E ET r a n s E M C ，2 0 0 4 ，4 6 ( 3 ) 4 9 3 、4 9 6 四、地闪L E M P 研究的最新进展 1 ) L E l v I P 对架空电力线的耦合计算+ 通过建立回击通道、大地和电缆系统一体化模型，采用F D T D 法计算得出
9、雷击通道附近L E M P 场 的各分量，将各场分量代入离散后的传输线耦合差分方程，计算了架空电力线终端的感应过电压。 由于场值已转化为一维传输线差分方程中的激励源项，使得用F D T D 法研究L E M P 对较长架空线的耦 合成为可能。计算了三种结构架空线上的感应电压，一为单导体线位于地面上方1 0m 高度处放置； 二为架空三导体线沿同一垂直轴线架设，位于地面不同高度处；三为架空三导体线位于地面上同一 水平高度，导体半径均为9 1 4m m ，- 长i 0 0 0m ，端接匹配负载。雷击点距架空线中点5 0m 且与导线 两端等距。对于这三种结构，由于其它导体的存在，致使相同高度处多导体两
10、端的感应电压峰值比 单一导体两端的感应电压峰值下降1 0 2 0 。对垂直结构，最小感应电压产生在距离地面最近的导 体上：而水平结构，最小感应电压产生在中间导体上。 2 ) 闪电击中高塔时架空电力线上的感应电压研究 露电惫石螽菇砷受麓鹅会缉究 采用二维F D T D 法计算了闪电击中离塔时絮空线上的感应电压，计算结粱与实渊数据和用三维 F D T D 法麴计算结粱一致。该成果表明，闪电击中高塔对在l 转近架空电力线上产生熬感应电压是鏖接 击中平地时的( 1 5 2 ) 倍，塔高增加，感应电压很快增加，但当塔高超过定值后( 本计算为5 0 m ) ，感应电压的增加有减小的趋势。 3 ) 魂闪回击
11、电流近场对开孔屏蔽室的藕合研究” 首先用F D T B 法在二维柱坐标系中计算出地闪固击电流的近区辐射场，经坐标转换将场变换军三 维真角坐标系中，采用经过改进的算法大大的节省了对计算机内存的机时的需求，在三维直角坐标 系中算出了开孔屏蔽室驹耦合场。计算结果表瞬，屏蔽室内谐振波的谱振频率只与屏蔽室尺寸有关， 屏蔽室开孔大小照接影“岛屡蔽室的屏蔽效能。若源垂直入射屏蔽室开孔面，则屏蔽室内耦合场不再 具有源的特征；若源为平行于屏蔽室开孔面，则屏蔽室内的耦合场为具有源特征的波分避与屏蔽室 谐振波翡叠加。 4 1 R e nH M ，Z h o uB H ，e ta l ，C a l c u l a t
12、 i o no f l i g h t n i n g i n d u c e dv o l t a g eo na no v e r h e a dl i n e I n t e r n a t i o n a lS y m p o s i u mo nm i c r o w a v e ，a n t e n n a ，P r o p a g a t i o na n dE M C T e c h n o l o g i e sf o rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s ，P r o c e e d i n g s ，V o l s1a
13、n d2 ：7 4 8 7 51 ，2 0 0 5 2 R e nH M ，Z h o uB H C a l c u l a t i o no fl i g h t n i n gi n d u c e dv o l t a g e so nal i n eo v e r f i n i t e l yc o n d u c t i n g g r o u n d A s i a + P a c i f i cC o n f e r e n c eo nE n v i r o n m e n t a lE l e c t i o m a g n e t i c s ，V o l s1a n d
14、2 ，P r o c e e d i n g s ：3 8 4 2 ， 2 0 0 6 3 。任含明，周璧华：余同彬等雷电电磁脉冲对架空电力线麴糕合效应强激光与粒子束，2 0 0 5 ， 1 7 ( 1 0 ) ：1 5 3 9 15 4 3 8 枣X i a n - j i nL i , B i h u aZ h o u ，T o n g b i nY u ，e ta l 。，C o u p l e dF i e l dI n s i d e 。S h i e l d i n g 。E n c l o s u r eW i t h a n A p e r t u r eD u e t oN e a r b yL i g h t n i n g I E E ET r a n s E M C ，2 0 0 7 ，4 9 ( 1 ) ：1 3 3 1 4 2 12
