FDTD仿真在雷電防護教學中的應用

王身云　梅永

摘 要：在雷電防護的教學內容中，雷電的間接危險主要是由雷電產生的電磁輻射引起的。因此，了解雷電產生的電磁輻射機理及其與被害事物之間的相互作用過程非常重要。雷電的本質是大氣的瞬態(tài)放電過程，在此過程中會產生較強的電磁脈沖輻射。將基于電磁場FDTD仿真結果以圖片或動畫的形式引入教學過程，可以增強學生對雷電磁輻射過程的直觀感受，進而深入理解雷電磁脈沖的傳播機理及其與敏感體的相互作用過程。實踐表明，這種教學方法能讓學生看到雷電的虛擬過程，激發(fā)學生的學習興趣。

關鍵詞： 雷電間接效應；時域有限差分方法；教學改革

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.251

1 引言

南京信息信工程大學作為一所氣象特色高等院校，開設了雷電防護科學與技術專業(yè)[1]，并在其他理工類專業(yè)開設了氣象專業(yè)特色課程《雷電防護》。在非專業(yè)雷電防護課程教學中，主要教學內容包括了雷電機理、分類、危害及防護幾個方面的內容[2]。雷電的危害可以歸屬為電磁兼容問題，主要分為直接危害和間接危害。直接危害主要是由于雷電流作用于建筑物、電子電氣設備甚至人畜產生熱效應、電磁干擾效應或電擊效應，也包括雷電流通過電網(wǎng)、通信線纜等金屬導線注入室內引發(fā)燃燒、爆炸或高壓電擊效應；間接危害主要包括雷電產生的電磁脈沖輻射與其他事物相互作用產生的危害[3]。因為雷電流具有極大的峰值和快速的上升沿，從而可以輻射出瞬態(tài)電磁脈沖，在周圍一定的空間內，處在這種瞬變脈沖電磁場中的導體會感應出較大的感應電動勢，特別是各類電子電氣設備，由于雷電電磁感應會產生強烈的電磁干擾，相應地會產生通信串擾、甚至在過電流情況下產生永久性損壞。當然，雷電危害通常是兩種方式并存，甚至相互轉化。例如，建筑物外部的接閃裝置接閃后，雷電電流沿引下線傳輸?shù)浇拥伢w，最后散入大地。當室內有導體或電力/通信線路靠近引下線時，可能會產生雷電反擊效應，從而再以電流傳導方式危害內室的電氣或通信系統(tǒng)[4]。要了解雷電電磁脈沖的時空分布規(guī)律，人們可以在雷電發(fā)生區(qū)域布置許多電場探頭來獲得，但由于自然雷電的不可預測性，給這種實驗帶來相當大的困難。在非防雷專業(yè)的雷電防護教學過程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)理工科專業(yè)學生缺乏電磁場與電磁波方面的理論知識，在講述雷電危害，特別是間接危害時，不能給學生一個比較清晰的物理圖像。因此，我們引入了一個重要的方法是將電磁理論與數(shù)值計算相給合，計算出雷電電磁場時空分布，直接以圖片和動畫的形式展現(xiàn)給學生，從而可以有效激發(fā)學生好奇感和學習興趣。雷電是一個瞬態(tài)放電過程，因此我們采用了電磁場時域有限差分算法（FDTD）來模擬雷電典型的輻射場分布[5]。

2 教學實例

在雷電磁脈沖仿真過程中，利用基于FDTD算法的商業(yè)軟件XFDTD6.3對雷電發(fā)生的環(huán)境進行建模，設置相關的雷電流參數(shù)并進行仿真計算即可以得到雷電周圍空間的電磁場隨時間的變化。在閃電分類中，云地閃電中的線狀閃電是最常見的一種閃電。為了幫助學生更好地理解這種閃電產生的雷電電磁輻射過程，我們建立一種相對理想的環(huán)境下的垂直線狀閃電放電模型， 如圖1所示。

雷電電流參數(shù)可以設置成由統(tǒng)計結果擬合得到的雙指數(shù)模型。仿真過程中，我們將電壓源在閃電通道適當?shù)奈恢靡搿?/p>

圖2給出在不同時間的雷電電磁脈沖在地表面的空間分布?？梢钥吹?，雷電電流注入到大地表面時，會在周圍一定空間產生較強的電磁輻射，其原理類似于單極子天線。利用這種垂直閃電的輻射電磁脈沖傳播特性，可以對周圍的建筑、電子電氣設備進行有效的電磁干擾防護，比如根據(jù)雷電電磁脈沖的頻譜分析，有效設計法拉弟籠的網(wǎng)格尺寸或機箱屏蔽體的開孔方向和大小等。另外，還可以利用這種輻射電磁脈沖傳播特性，對雷電位置進行有效定位[6]。目前采用的時差定位法、磁向法及寬帶干涉法等定位方法都依賴于雷電產生的電磁脈沖輻射特性。因此，讓學生對雷電磁波在空間的傳播特性有一個清晰的物理圖像，對雷電防護后續(xù)教學內容的理解尤為重要。對于更加復雜的雷電環(huán)境，亦可用上述類似的方法，建立復雜的環(huán)境模型，比如環(huán)境中存在地面上的建筑物體、人畜[7]、輸電設備等，并對雷電電磁脈沖進行三維仿真計算。圖3給出了復雜環(huán)境中雷擊架空輸電線后的過電流傳輸和電磁泄露輻射圖像，并應用于分析地面建筑物和人體的雷電電磁感應過程。

3 結論

本文將FDTD仿真應用于雷電電磁脈沖輻射與傳播過程分析，并將結果以圖片或動畫的形式在雷電防護課程教學中展示，加深學生對雷電電磁感應危害過程的理解。實踐表明，這種將虛擬雷電仿真引入到教學過程中，能激發(fā)學生的學習興趣，增強對專業(yè)知識的理解，特別是后續(xù)教學內容或課程學習的理解程度。

參考文獻：

[1]楊仲江.雷電防護科學與技術專業(yè)課程設置研究[J].中國科教創(chuàng)新導刊，2008（03）：96-97.

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[5]葛德彪，閆玉波.電磁波時域有限差分方法[M].西安電子科技大學出版社，2005.

[6]銀燕，楊仲江，郭鳳霞，張其林譯.防雷技術與科學[M].氣象出版社，2011.

[7]王身云，許燕.雷電磁脈沖與人體相互作用的極化率分段線性遞歸FDTD算法研究[J].全國天線年會，2013：16-19.

作者簡介：王身云 （1981-），男，土家族，湖北利川人，主要從事：生物電磁學、電磁脈沖防護及無線輸能等方向的研究。

*通信作者：王身云endprint