王身云　梅永

摘 要：在雷電防護的教學內(nèi)容中，雷電的間接危險主要是由雷電產(chǎn)生的電磁輻射引起的。因此，了解雷電產(chǎn)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(zhì)是大氣的瞬態(tài)放電過程，在此過程中會產(chǎn)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(nèi)容包括了雷電機理、分類、危害及防護幾個方面的內(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生的電磁脈沖輻射與其他事物相互作用產(chǎn)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(nèi)，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(chǎn)生強烈的電磁干擾，相應地會產(chǎn)生通信串擾、甚至在過電流情況下產(chǎn)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(nèi)有導體或電力/通信線路靠近引下線時，可能會產(chǎn)生雷電反擊效應，從而再以電流傳導方式危害內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)容或課程學習的理解程度。

參考文獻：

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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