基于脉冲函数电流模型对闪电回击电磁场的计算

基于一种新的描述回击通道底部电流的脉冲函数模型 ,利用偶极子法对距离回击通道底部不同距离处的 LEMP进行了计算。把几种闪电回击的工程模型的计算结果与实测结果进行了比较 ,表明 MTLL模型能够与实际结果更为吻合。

通道高度对雷电回击电磁场的影响研究

主要研究了雷电回击通道高度对回击电磁场的影响 ,同时选取不同通道高度基于BG、TL、MTLE、MULS和TCS五种雷电回击模型计算了雷电回击在不同水平距离产生的地面电磁场。指出了国外文献计算回击电磁场时在选取通道高度方面存在的问题 ,并作出了合理的解释。

核电磁脉冲环境中传输线的电磁干扰

高空核电磁脉冲环境将在传输线上产生电磁干扰,会威胁与之相连的电子设备的安全。为了在理论上对传输导线在核电磁脉冲环境下的响应电流进行分析从而得到电流的响应规律,采用传输线计算模型,在电磁脉冲环境为正入射,地面为有耗介质时,计算了地面附近平行铺设的导线在两端短路、两端接高阻、一端接地一端接电阻、两端接不同电阻等4种状态下的电流响应;并研究了感应电流的幅值、上升沿、半高宽以及电阻上电压降等参数在导线长度增加时的变化情况,结果表明这些参数随传输线长度的变化均有最大值,而且电流幅值随传输线离地高度降低趋于减小。

雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的电磁干扰

为研究雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的干扰情况,研究了雷击大地时近场和远场区脉冲电磁场特性,对比分析了不同回击模型的计算结果;提取雷电脉冲电磁场中的有效干扰分量,与标准规定的电磁兼容阈值进行比较。考虑到设备外壳及墙体的屏蔽效能,结合广东地区雷电活动统计规律,分析了不同距离和通道电流下发生雷击地面时的电磁干扰情况以及发生故障的概率。结果表明,在20 dB屏蔽效能下,距离敏感设备中心300 m外区域发生雷击时,雷电流幅值>150 kA时才可能导致设备外壳端口的电磁干扰超标;考虑距离电站200 km范围内的所有雷电情况,20 dB屏蔽效能下站内敏感设备发生雷电电磁干扰的总电磁干扰超标概率为0.006次/a;40 dB屏蔽效能下的超标概率为2.2×10-5次/a。

雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究

基于BG,TL,MTLL,MTLE和TCS5种模型,研究了雷电回击通道高度、回击速度和大地电容率对雷电回击电磁场的影响。计算中5种模型采用相同的通道基电流波形,通过计算总结了几种参数对回击电磁场的影响。

基于IEC标准雷电后续回击电磁场的计算

基于IEC标准雷电回击电流 ,用击穿电流和电晕电流两种成分对雷电后续回击标准电流进行拆分拟合 .用一种新型脉冲函数表示回击中击穿电流 ,电晕电流用双指数函数表达 .然后基于DU模型 ,合理地选取了两种电流成分的放电时间常数 ,并对雷电标准后续回击电磁场分布进行了计算 ,计算结果比较符合雷电回击电磁场测量波形的四个特征 .

连续波多普勒引信雷电电磁脉冲辐照效应

为了研究雷电电磁脉冲场对连续波多普勒引信安全性能的影响,确定引信的能量耦合通道和效应规律,构建了引信雷电电磁脉冲辐照试验系统,并开展了该引信雷电电磁脉冲辐照效应试验。试验结果表明:受试引信最佳能量耦合姿态为引信竖直向上,弹体轴线与辐射场传播方向垂直,三角环天线平面垂直于辐射场传播方向;主要能量耦合通道为弹体;不同辐照波形下引信的临界干扰场强不同,在配用152 mm弹体时,1.2/50,5.4/70,0.25/100和10/350μs波形的临界干扰场强分别约为74,60,65和75kV/m。雷电电磁脉冲对受试引信的作用机理为:辐射能量通过弹体耦合到执行电路输入端,由于感应信号脉冲宽度满足触发脉冲宽度的最低要求,从而推动引信执行电路误动作。

LEMP空间表达式求解及分布规律研究

利用偶极子理论对Maxwell方程组进行了求解,得到了垂直通道与斜向通道模型的雷电电磁场解析表达式。基于此表达式分析了不同高度处雷电电磁场的空间分布规律。研究结果表明,在垂直通道与斜向通道模型中,垂直电场和磁场受观测点高度的影响随水平距离的增加而减小,但是对水平电场而言,在垂直通道模型中其初始峰值随着观测点高度增加而增加,在斜向通道模型中,当观测点在通道下方时电场峰值随着观测点高度的增加而增加,当观测点在通道上方时高度越高电场峰值越小。

斜向通道地表雷电电磁脉冲场分布规律研究

通过分解电流微元偶极子并求解Maxwell方程组,得到了斜向通道雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse,LMEP)场解析表达式;基于此斜向通道模型,研究了不同方位角和回击速度时的雷电电磁场分布规律.结果显示:近场区电场分量随方位角的变化规律要受到放电通道倾斜程度的影响,但是其他场区的电场分量和任意场区的磁场分量初始峰值均会随方位角的增加而减小;当回击速度改变时近场区电磁场分布规律保持不变,但在中间场和远场区电磁场初始峰值将随回击速度的增大而增大.

基于斜向放电通道的地表雷电电磁场特性分析

为保护敏感设备免受雷电电磁脉冲场的危害并选择合适的防护措施,需要确定斜向放电通道下雷电回击电磁场的场强以及分布规律。为此,将雷电斜向放电通道的电流微元分解为垂直和平行于大地的分量。利用脉冲函数表示通道底部电流,结合回击电磁场的传输线模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到了斜向通道在空间产生电场与磁场的解析表达式。进而研究了通道倾斜程度对不同场区地表回击电磁场的影响以及回击电磁场随观测点位置的变化规律。结果表明:地表电场比磁场更易受到通道倾斜程度和观测点位置的影响,且地表电磁场强度波形峰值在近场、中间场和远场均随斜向通道与地面夹角的增大而减小,在远场和中间场随斜向通道与地面观测点之间方位夹角的增大而减小。

基于斜向通道模型的雷电电磁场近场近似特性

为获得更加接近实际情况的近区雷电电磁脉冲场(LEMP)波形,利用偶极子理论对基于斜向放电通道模型产生的地表LEMP场进行了理论研究。通过近似处理,得到了基于TL模型的地表LEMP近场及其导数的一阶、二阶近似解析表达式。采用脉冲函数表示通道基电流,对比了精确表达式与近似表达式计算的电磁场及其导数波形,结果表明:在距回击通道50m以内,电磁场及其导数波形分别与近似电磁场及其导数波形基本符合;在相同距离内,电场与其一阶近似之间的偏差比磁场与其一阶近似之间的偏差小,电场与其二阶近似之间的偏差比磁场与其二阶近似之间的偏差大,且这些偏差都随着水平距离的增加而增加。

雷电斜向放电通道电磁场建模及计算

基于传输线模型,通过将柱坐标系进行旋转变换,建立了斜向放电通道电磁场模型;采用脉冲函数加双指数函数作为通道底部电流,从垂直放电通道电磁场的表达式中推导出斜向放电通道电磁场的计算公式;基于斜向放电通道电磁场模型,研究了不同角度对不同场区地表回击电磁场的影响,认为雷电放电通道越倾斜,雷电流对地面电磁场的影响就越明显。研究了不同回击速度对不同场区地表回击电磁场的影响,结果表明回击速度对电磁场的影响较为明显。

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。

地表近区雷电回击电磁场的计算与特征分析

为了揭示雷电回击电磁场导数与回击通道底部电流导数之间的内在联系,基于传输线(TL)模型从理论上对地表近区雷电回击电磁场导数和回击通道底部电流导数进行了研究。用偶极子法精确计算电磁场的结果表明,在距离雷电回击通道50m范围内,电场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合;在距离雷电回击通道200m范围内,磁场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合。由此可得出结论:近区回击电磁场导数的波形与雷电回击通道底部电流导数的波形近似。

斜向通道雷电电磁场远场近似特性

为了使雷电电磁场的计算更加接近实际情况,并对远场区雷电电磁脉冲场进行模拟,利用偶极子理论对斜向放电通道雷电电磁场解析表达式进行了求解,用解析方法对地表雷电电磁场及其导数在远场区的一阶、二阶近似表达式进行了推导,得到了电磁场及其导数与通道底部电流及其导数的远场近似关系。采用脉冲函数表示通道基电流,对比了精确表达式与近似表达式计算的电磁场及其导数波形。结果表明在远场区,斜向通道雷电电磁场波形与其近似波形的偏差、电磁场导数波形与其近似导数波形之间的偏差均随着距离的增加而减小,且电磁场导数近似公式要比电磁场近似公式适用范围更加广泛。计算结果验证了解析推导近似的可行性。

雷电电磁场空间分布模型

雷电对航天航空、国防军事等领域的设备、设施有着极大的威胁,但是,国内外的大多数研究都局限于地面建筑物与电子设备的雷电防护。针对这种情况,推导出空间任意场点处的雷电电磁场计算表达式。该表达式反映了雷电电磁场和雷电流回击速度、雷电流大小以及场点高度等多个因素的关系。数值仿真计算了地面场点附近的雷电电磁场,与实际的雷电电磁场的变化规律相吻合,验证了模型的可行性,可作为进一步研究雷电与飞行器在空间的交互作用的理论基础。

弯曲通道长度及倾斜角度对雷电电磁场影响研究

为了得到弯曲通道雷电电磁脉冲场的分布特性,将电流微源偶极子进行水平分解和垂直分解,利用偶极子法对弯曲通道产生电磁场的表达式进行了推导.在此基础上就底部回击通道长度以及上部回击通道倾斜角度对地表电磁场的影响规律进行了相关研究.研究结果表明,弯曲通道的电磁场峰值主要取决于底部放电通道的长度,在中间场和远场区底部通道越长对应的电磁场幅值越小;而倾斜角度对近场区电磁场影响极小,在中间场和远场区电磁场幅值会随着倾斜角度的增加而降低,且距离越远倾斜角度对电磁场幅值的影响越明显.

一种电子设备电磁脉冲响应预测新方法

针对现有机理建模算法普遍存在计算电磁脉冲过于复杂的问题,探索基于实验统计的电磁脉冲响应预测新方法,使用开关电源进行雷击浪涌注入实验,并记录不同注入电压下的输入输出数据。依据系统辨识理论选用ARX模型对开关电源进行建模,并利用最小二乘算法对模型参数进行辨识。通过所建模型预测不同幅值浪涌激励的响应并与实验结果对比,发现该模型能准确预测脉冲响应,验证了系统辨识建模的有效性,并且计算过程得到简化,为电磁防护工程应用提供新的参考方法。

水平分层大地电导率对倾斜通道LEMP场影响研究

为了得到水平分层条件下,放电通道倾斜角度、大地电导率以及分层土壤厚度对倾斜通道雷电电磁脉冲(LEMP)场的影响规律,在差分条件下对三维直角坐标系的倾斜放电通道加源方程进行了推导,在此基础上利用时域有限差分(FDTD)法对倾斜通道雷电电磁场进行了建模。研究结果表明,当放电通道倾斜角度改变时,雷电电磁场峰值会随着倾斜角度的增加而出现明显的上升,同时观测点与雷击点之间的距离越大倾斜角度对电磁场的影响越明显。当电导率发生改变时,上层电导率主要影响电磁场的峰值,而底层土壤电导率主要影响电磁场的下降沿陡度和波尾幅值,对电磁场峰值影响较小,基本可以忽略。此外,电场波形的下降沿陡度随土壤上层电导率的减小而增加,随下层电导率的减小而降低。当上层土壤厚度改变时,在影响深度范围内电场波尾幅值会随着上层厚度的增加而增加,但电磁场峰值基本不受影响,而且随着水平距离的增加表层土壤的影响深度在不断加大。

通道高度对斜向通道雷电电磁场影响研究

由于雷电的突发性和瞬时性,导致其产生的强电磁脉冲场难以直接测量,给雷电电磁场的研究带来了很大的难度。将斜向通道电流微元分解为垂直和平行于大地的分量,利用脉冲函数表示通道底部电流并结合雷电电磁场的TL模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到斜向通道电磁场的解析表达式;基于斜向通道模型,研究了雷电通道高度对不同场区地表回击电磁场的影响。结果表明,通道高度对电磁场的影响随着水平距离的增加而增加,在回击电流达到通道顶部之前,电磁场波形基本完全重合。