闪电脉冲电磁场及其耦合效应的研究

论文摘要

随着信息和通信系统中微电子器件集成度的不断提高,地闪回击辐射形成的闪电电磁脉冲(LEMP)对电气系统造成的危害日益严重。在讨论闪电回击产生的机理和特征的基础上,分析了地闪回击的六种典型工程实用模型。针对TL类模型和DU模型,采用时域有限差分(FDTD)数值算法,应用MATLAB仿真,计算了地闪回击时距离放电通道1000m范围内的脉冲辐射场,分析了其波形及分布特征,计算结果与国内外文献频域计算结果相吻合。同时建立了不规则地形环境下的地闪回击模型,分别计算了山地、山谷地形环境下闪电电磁场的波形及分布特征,研究结果发现,高地顶端对LEMP产生极强的积聚作用,并且随着高地高度的增加,积聚作用不断加强。而山谷地势两端的脉冲电磁场会出现增强现象。该研究结果对建立复杂地形环境下的LEMP防护标准设计具有重要指导意义。文章研究了回击通道长度对计算结果精度的影响,发现缩减计算长度会对远场计算结果造成误差,而这一因素在数值计算中常被忽略。最后分别计算了闪电击中平地和避雷针时的空间辐射场特征,以及在传输线缆上产生的过电压,并应用FDTD亚网格技术计算了闪电电磁脉冲对建筑物的耦合效应,该方法实现了在较大的计算区域对相对小尺寸结构的精细建模,同时保证了计算通道的长度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 研究背景及国内外现状
• 1.2.1 闪电放电的实验与观测
• 1.2.2 闪电放电的理论
• 1.2.3 闪电防护的研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 地闪回击模型的建立与分析
• 2.1 闪电及闪电的起因
• 2.2 云地闪电的分类及其放电过程
• 2.3 地闪回击的性质及特征
• 2.3.1 地闪回击通道电流的特性
• 2.3.2 地闪回击的统计特征
• 2.4 地闪回击的工程模型
• 2.5 地闪回击基电流
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于FDTD 方法的闪电电磁场计算
• 3.1 引言
• 3.2 时域有限差分法基本原理
• 3.2.1 微商的差商近似
• 3.2.2 Yee 网格算法
• 3.2.3 Maxwell 旋度方程二维柱坐标系下的差分表示
• 3.2.4 FDTD 解的稳定性和吸收边界条件
• 3.3 地闪回击辐射电磁场的计算
• 3.4 通道长度参数对闪电电磁场的影响
• 3.5 闪击避雷针时电磁场的空间分布和变化规律分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 闪电脉冲电磁场对线缆耦合效应的研究
• 4.1 引言
• 4.2 Agrawal 场-线耦合模型的基本原理
• 4.2.1 等效模型的建立
• 4.2.2 应用FDTD 求解Agrawal 方程
• 4.3 FDTD 计算模型及结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于亚网格技术的建筑物内部耦合电磁场的计算
• 5.1 引言
• 5.2 亚网格技术的基本原理
• 5.3 应用亚网格技术计算建筑结构内部耦合电磁场
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢