地閃回擊脈沖電磁場空間分布規(guī)律研究.pdf

1、閃電脈沖電磁場(LEMP)作為一種全球范圍隨機發(fā)生的高功率輻射源,能夠?qū)﹄娮与姎庠O備、輸電線路和通信電纜等造成干擾、故障或損壞。但是因為多數(shù)與人類日常生活相關的設備、線纜和傳感器等都被布置在地表附近空間,所以多數(shù)關于LEMP的研究都集中在地表附近空間。然而,隨著特高壓輸電網(wǎng)、低空飛行器、巨型建筑和埋地線纜等越來越多的出現(xiàn)在空中和地下,將對LEMP的研究范圍擴展到整個地上與地下空間就顯得十分必要。另一方面,由于巨大的計算量和存儲量,現(xiàn)有關

2、于LEMP的研究都通過對比個別離散點上的LEMP波形來推測其在空間中粗略的分布。而這顯然不能對LEMP防護設計和標準制定提供有力的支持。
　　基于以上原因,本文以閃電過程中危害最大的地閃回擊LEMP為對象,通過自創(chuàng)的改進型時域有限差分(FDTD)方法,得到了LEMP在整個空間中各個特征參量的詳細分布。并通過計算多種工程實用參數(shù)條件下的LEMP空間分布,給出了不同情況下LEMP空間分布的變化特點。較為系統(tǒng)和完整的給出了地閃回擊脈沖電

3、磁場在整個空間中的分布規(guī)律。
　　首先,本文通過在FDTD程序的時間步進間加入了一種“處理窗”程序,提出了一種高效的改進型FDTD方法——PWFDTD算法。與其他方法相比,它避免了計算所有位置上LEMP各個參量所需的巨大計算量和存儲量,能夠方便快速的計算出整個空間每個位置上LEMP的各個特征參量。這也使得獲取LEMP在全空間中的詳細分布成為可能。通過對比PWFDTD方法在不同空間位置上、不同參數(shù)條件下與多種LEMP計算方法以及實際

4、測量的數(shù)據(jù),新算法的計算精度和準確性得到了很好的驗證。
　　其次,本文通過新的PWFDTD方法計算得到了LEMP在地閃周圍數(shù)千米范圍內(nèi)每一個網(wǎng)格上的特征參量,獲得了它們的詳細空間分布圖。其中的特征參量包含LEMP峰值、電磁場變化率峰值、相應功率密度峰值和能量密度的分布,以及LEMP上升時間T10％-90%(10%極值點至90%極值點的時間)與電磁場變化率的T10%-90%和T50%-50%(50%極值點至50%極值點的時間,即脈沖

5、寬度)。通過對這些特征參量空間分布圖的歸納和抽樣,從多角度對LEMP在全空間中的分布基本規(guī)律進行了總結(jié)。
　　第三,本文分別討論了工程實用條件下(多種通道模型、多種底部基電流、多種回擊速度、多種大地電參數(shù)、大地水平和垂直分層情況以及起伏大地情況)LEMP各特征參量空間分布的變化。通過對比這些結(jié)果,本文總結(jié)并給出了每種參數(shù)對于LEMP空間分布的影響特點,比較系統(tǒng)和全面的勾勒出了工程實際應用時不同情況下LEMP在全空間中分布的變化特性

6、。
　　最后,本文計算了雷擊建筑物時整個周圍空間中每一個網(wǎng)格上的LEMP,并得出了其各個特征參量的空間分布規(guī)律。并且通過計算不同建筑物頂部反射率、不同建筑物底部反射率和不同建筑物高度情況時的LEMP,討論了LEMP各個特征參量在周圍空間中分布的變化特點。還給出了導致周圍空間中LEMP各參量增強的主要原因和規(guī)律。
　　文中較為系統(tǒng)和完整的給出了各種情況下LEMP各特征參量在全空間中分布的規(guī)律。這些分布圖與規(guī)律均未在國內(nèi)外研究中