雷电电磁脉冲场建模与仿真

雷电是一种发生频率很高的规模宏大的自然放电现象。发生闪电时，闪电回击通道中的电压可达几百万伏，电流可达几十万安培，电流瞬时变化率很高，在闪电通道周围空间会产生强烈的雷电电磁脉冲(LEMP)。随着微电子技术和信息技术的快速发展，电子信息产品的集成度越来越高，电磁敏感性也越来越高，LEMP对敏感的电子信息设备和系统造成的危害越来越严重，造成的损失逐年增加。本课题着眼这个趋势，对LEMP进行理论和模拟研究。针对目前几种雷电回击电流模型和回击电磁场模型存在的不足，建立新的雷电回击通道底部电流模型和雷电回击电磁场模型，对回击通道周围的电磁场传播规律和分布情况进行计算，分析不同场区LEMP和回击电流之间的关系，对LEMP进行模拟，以便于有针对性地开展电磁敏感设备的敏感性研究和LEMP的防护工作。

随着微电子器件在电子设备中的广泛应用，电子设备的电磁敏感性越来越高，雷电回击电磁场作为一种自然的强电磁危害源，对电子设备的危害日益增强。研究雷电回击电磁场的波形特征与模拟方法对有针对性地开展电子设备的敏感性研究和LEMP防护工作具有重要的指导意义。本项目重点研究了垂直和斜向放电通道下雷电回击电磁场的解析计算模型、波形特征及其模拟技术，取得的主要研究成果包括：1）针对双指数函数模型、Heidler函数底部电流模型及其变通模型在计算回击电磁场时的不足之处，建立了基于脉冲函数的回击通道底部电流函数模型，该脉冲函数既具备函数可积的优点，又在t=0时导数连续，适用于雷电回击电磁场的解析计算。2）建立了垂直放电通道下雷电回击电磁场的计算模型，以实测雷电回击电磁场的四个典型特征为判据，对BG、TL、DU、TCS、MTLE、MTLL六种回击工程模型的有效性进行了分析，在此基础上，通过不同参数下回击电磁场的波形对比，得到了通道高度和回击速度对回击电磁场的影响规律。3）通过变量代换、泰勒近似等方法对基于TL模型的垂直通道雷电回击电磁场精确表达式进行了近似处理，获得了垂直通道下雷电回击电磁场在近、远区范围内的近似表达式，从理论上证明了近区和远区LEMP及其导数波形与雷电回击通道底部电流及其导数波形之间的近似性。4）建立了斜向放电通道下雷电回击电磁场的计算模型，推导了斜向通道雷电回击电磁场的解析表达式，得到了通道倾斜角度、回击速度等回击参数对斜向通道雷电回击电磁场的影响规律以及不同方位角和不同观测点高度处雷电回击电磁场的空间分布规律。5）在斜向通道雷电回击电磁场解析表达式的基础上，通过近似处理获得了斜向通道下雷电回击电磁场在近、远区范围内的近似表达式，并给出了不同场区电磁场及其导数近似表达式的适用范围。6）基于LEMP与雷电回击通道底部电流波形之间的近似特性，提出了不同场区雷电回击电场和磁场的模拟方法，利用冲击电压发生器和GTEM室组合、雷电浪涌发生器和脉冲磁场线圈组合研制成功模拟范围为0～300kV/m（电场）、0～3000A/m（磁场）的场强连续可调的雷电回击电场和磁场模拟系统。基于本项目共发表论文15篇，其中，SCI收录1篇、EI收录11篇；申请国家发明专利5项；培养硕士生2名。