FDTD仿真在雷电防护教学中的应用

王身云　梅永

摘 要：在雷电防护的教学内容中，雷电的间接危险主要是由雷电产生的电磁辐射引起的。因此，了解雷电产生的电磁辐射机理及其与被害事物之间的相互作用过程非常重要。雷电的本质是大气的瞬态放电过程，在此过程中会产生较强的电磁脉冲辐射。将基于电磁场FDTD仿真结果以图片或动画的形式引入教学过程，可以增强学生对雷电磁辐射过程的直观感受，进而深入理解雷电磁脉冲的传播机理及其与敏感体的相互作用过程。实践表明，这种教学方法能让学生看到雷电的虚拟过程，激发学生的学习兴趣。

关键词： 雷电间接效应；时域有限差分方法；教学改革

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

1 引言

南京信息信工程大学作为一所气象特色高等院校，开设了雷电防护科学与技术专业[1]，并在其他理工类专业开设了气象专业特色课程《雷电防护》。在非专业雷电防护课程教学中，主要教学内容包括了雷电机理、分类、危害及防护几个方面的内容[2]。雷电的危害可以归属为电磁兼容问题，主要分为直接危害和间接危害。直接危害主要是由于雷电流作用于建筑物、电子电气设备甚至人畜产生热效应、电磁干扰效应或电击效应，也包括雷电流通过电网、通信线缆等金属导线注入室内引发燃烧、爆炸或高压电击效应；间接危害主要包括雷电产生的电磁脉冲辐射与其他事物相互作用产生的危害[3]。因为雷电流具有极大的峰值和快速的上升沿，从而可以辐射出瞬态电磁脉冲，在周围一定的空间内，处在这种瞬变脉冲电磁场中的导体会感应出较大的感应电动势，特别是各类电子电气设备，由于雷电电磁感应会产生强烈的电磁干扰，相应地会产生通信串扰、甚至在过电流情况下产生永久性损坏。当然，雷电危害通常是两种方式并存，甚至相互转化。例如，建筑物外部的接闪装置接闪后，雷电电流沿引下线传输到接地体，最后散入大地。当室内有导体或电力/通信线路靠近引下线时，可能会产生雷电反击效应，从而再以电流传导方式危害内室的电气或通信系统[4]。要了解雷电电磁脉冲的时空分布规律，人们可以在雷电发生区域布置许多电场探头来获得，但由于自然雷电的不可预测性，给这种实验带来相当大的困难。在非防雷专业的雷电防护教学过程中，我们发现大多数理工科专业学生缺乏电磁场与电磁波方面的理论知识，在讲述雷电危害，特别是间接危害时，不能给学生一个比较清晰的物理图像。因此，我们引入了一个重要的方法是将电磁理论与数值计算相给合，计算出雷电电磁场时空分布，直接以图片和动画的形式展现给学生，从而可以有效激发学生好奇感和学习兴趣。雷电是一个瞬态放电过程，因此我们采用了电磁场时域有限差分算法（FDTD）来模拟雷电典型的辐射场分布[5]。

2 教学实例

在雷电磁脉冲仿真过程中，利用基于FDTD算法的商业软件XFDTD6.3对雷电发生的环境进行建模，设置相关的雷电流参数并进行仿真计算即可以得到雷电周围空间的电磁场随时间的变化。在闪电分类中，云地闪电中的线状闪电是最常见的一种闪电。为了帮助学生更好地理解这种闪电产生的雷电电磁辐射过程，我们建立一种相对理想的环境下的垂直线状闪电放电模型， 如图1所示。

雷电电流参数可以设置成由统计结果拟合得到的双指数模型。仿真过程中，我们将电压源在闪电通道适当的位置引入。

图2给出在不同时间的雷电电磁脉冲在地表面的空间分布。可以看到，雷电电流注入到大地表面时，会在周围一定空间产生较强的电磁辐射，其原理类似于单极子天线。利用这种垂直闪电的辐射电磁脉冲传播特性，可以对周围的建筑、电子电气设备进行有效的电磁干扰防护，比如根据雷电电磁脉冲的频谱分析，有效设计法拉弟笼的网格尺寸或机箱屏蔽体的开孔方向和大小等。另外，还可以利用这种辐射电磁脉冲传播特性，对雷电位置进行有效定位[6]。目前采用的时差定位法、磁向法及宽带干涉法等定位方法都依赖于雷电产生的电磁脉冲辐射特性。因此，让学生对雷电磁波在空间的传播特性有一个清晰的物理图像，对雷电防护后续教学内容的理解尤为重要。对于更加复杂的雷电环境，亦可用上述类似的方法，建立复杂的环境模型，比如环境中存在地面上的建筑物体、人畜[7]、输电设备等，并对雷电电磁脉冲进行三维仿真计算。图3给出了复杂环境中雷击架空输电线后的过电流传输和电磁泄露辐射图像，并应用于分析地面建筑物和人体的雷电电磁感应过程。

3 结论

本文将FDTD仿真应用于雷电电磁脉冲辐射与传播过程分析，并将结果以图片或动画的形式在雷电防护课程教学中展示，加深学生对雷电电磁感应危害过程的理解。实践表明，这种将虚拟雷电仿真引入到教学过程中，能激发学生的学习兴趣，增强对专业知识的理解，特别是后续教学内容或课程学习的理解程度。

参考文献：

[1]杨仲江.雷电防护科学与技术专业课程设置研究[J].中国科教创新导刊，2008（03）：96-97.

[2]肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础[M].气象出版社，2006.

[3]魏明.雷电电磁脉冲及其防护[M].国防工业出版社，2012.

[4]石光其.智能建筑信息系统雷击电磁脉冲LEMP研究与防护设计[D].湖南大学，2004.

[5]葛德彪，闫玉波.电磁波时域有限差分方法[M].西安电子科技大学出版社，2005.

[6]银燕，杨仲江，郭凤霞，张其林译.防雷技术与科学[M].气象出版社，2011.

[7]王身云，许燕.雷电磁脉冲与人体相互作用的极化率分段线性递归FDTD算法研究[J].全国天线年会，2013：16-19.

作者简介：王身云 （1981-），男，土家族，湖北利川人，主要从事：生物电磁学、电磁脉冲防护及无线输能等方向的研究。

*通信作者：王身云endprint