蔡 然,郭宏博,陆 涛,刘敦训,张 峻
(1.广东省深圳市气象服务中心,广东 深圳 518000;2.香港理工大学屋宇设备工程学系)
基于FDTD的雷电电磁环境评估软件的设计与实现
蔡 然1,郭宏博1,陆 涛2,刘敦训1,张 峻1
(1.广东省深圳市气象服务中心,广东 深圳 518000;2.香港理工大学屋宇设备工程学系)
该文采用时域有限差分法(FDTD),研究了雷电电磁环境评估的新方法,并开发出软件,投入本地业务应用,该软件也填补了国内业务应用建筑物雷电电磁环境评估软件的空白,对该领域的深入研究有着重要的参考价值。
雷电;电磁环境;FDTD;评估;软件
近年来因雷电电磁脉冲引起损坏的系统及设备大幅上升,雷电电磁脉冲不仅造成设备永久性损坏,重要的是计算机系统中断和瘫痪会造成不可估量的直接与间接的巨大经济损失和影响[1-3]。目前,国内在这方面的研究主要是采用国外开发的一些成熟软件,如CDEGS、IES等,来进行一些雷电电磁环境分析[4-7]。这些软件对硬件的要求高,建模的过程复杂,运行的时间长,不能满足正常业务工作的需求。研究一种简单、快捷的直击雷情况下的电磁环境评估方法很有必要,也迫在眉睫。本文正是从这种思路来进行新方法的研究和软件开发。
时域有限差分法(FDTD)在电磁场数值计算中占有重要的地位。本文主要采用FDTD对上述问题进行研究。
在FDTD方法中,时间和空间都被离散划分。空间被划分成箱形的单元,这些单元的长度必须小于波长(一般限制在最短波长的1/10)。激励源可以在FDTD的计算空间中任意位置引入。在每个时间节点,电压或者电流源的值从给定的波形输入再叠加到对应的网格的电场或者磁场上,周围网格的电磁场的值则会在计算过程中自动更新和传播。通过对仿真结果的统计与整理能够算出在不同情况下目标位置产生的感应电磁场,从而得到更加准确的电磁环境评估结论,为进一步分析此条件下各种精密设备的易受损程度等,提出改进意见提供依据。
在FDTD的模拟仿真试验中,网格精度越小,仿真结果精确度越高[8]。本研究采用的模拟雷电流为8/20和10/350波形,根据文献[9]记载,波形的上限频率不到1 MHz,对应的最短波长的十分之一也有40 m。而在本研究中模拟的空间网格是0.5 m。足够表征雷电流的特征。
3.1 软件功能模快
基于研究项目的特征,系统采用基于组件的二次开发模式,鉴于.Net框架强大的功能和C#的高效性、健壮性,充分考虑到系统对时效、稳定性的高要求,开发语言采用MS C#.NET。软件总体开发路线为.NET+C#+Winform,其中主要有以下几个功能模块:
①电磁环境评估对象参数控制模块,可以根据被评估对象的长、宽、高以及房间数量、楼层间距等参数设定仿真计算模型。如图1、图2所示。
图1 评估对象模型示意图Fig.1 Diagram of a building model
图2 评估对象参数控制界面Fig.2 Geometric parameters input interface of building model
②雷电流特性控制模块,可根据冲击雷电流的波形及幅值进行不同的选择,选择界面如图3所示。
图3 雷电流特性控制界面Fig.3 Lighting current definition interface
③后台数据库,经过多次计算建立后台存储数据库,使用者可根据条件快速读取相应数据。如图4所示。
图4 数据库资料读取界面Fig.4 Data export interface
④图形显示及处理模块,根据评估的前置条件,运用FDTD进行仿真计算,最终给出评估位置的电流、电场、磁场、磁场空间分布等产品。如图5所示。
图5 电磁环境水平分布图(单位:A/m)Fig.5 Magnetic field intensity magnitude distribution through a plane
3.2 软件仿真产品
首先,进入软件首页,点击“开始评估”按钮进入评估软件。软件首页如图6所示:
图6 电磁评估软件首页Fig.6 Front cover of software
当使用者选择常规模型评估时,软件可根据设定的前置条件快速读取数据库内相应的数据。而当使用者选择自选模型评估时,依次对建筑物模型、场采样坐标、电流采样坐标、冲击电流共4个参数化模块进行设定,通过软件运算,最终给出本次评估中对应采集点的电流、电场、磁场随时间的变化曲线,同时给出对应采集点水平层面的磁场分布图供使用者进行分析,相关产品示例见图7~图8。
图7 电流随时间变化曲线Fig.7 Curves of current
图8 电场随时间变化曲线Fig.8 Curves of electric-field
4.1 算法比对
本研究对比了当雷击点在塔顶部,地下的接地没有做延伸处理时,FDTD与加拿大SES公司开发的电磁计算软件CDEGS的仿真结果,证明本研究算法的准确性。图9中绿色的线表示这种情况下测量点的磁场变化。可以看到磁场峰值不到5 000 A/M。 共振频率在1.5 MHz左右。
图9 CDEGS中的磁场计算波形Fig.9 Magnetic field waveform in CDEGS
图10 FDTD 计算出的磁场波形Fig.10 Magnetic field waveform in FDTD
图10是FDTD计算的测量点的磁场变化。两者对比发现峰值强度比较一致,震荡频率也是接近1.5 MHz。5 μs内震荡了7~8次。 这是因为塔高50 m,而1.5 MHz的共振频率对应的波长的1/4正好是50 m,这符合基本的天线理论。CDEGS的震荡相对FDTD来说持续时间略长,一直持续到10 μs以后,而FDTD的结果只震荡到5 μs左右。这里认为,CDEGS是在分立的频率点上计算,一共是96个频率点,从频域反傅立叶变换到时域,本身会引起一些波动。
通过比对发现,FDTD的计算结果与CDEGS软件自带的结果有良好的一致性,证明了本研究的理论及算法的正确性。
4.2 仿真结果比对
IES的高频软件采用了强大的矩量法(MOM)、有限元法(FEM)与物理光学(PO)理论,全面解决高频领域内的各种问题。国内已有单位引进该软件用于建筑物内部暂态磁场计算,下面将用其同样的前置条件计算,进行结果比对,如表1所示:
表1 IES软件与本软件仿真结果比对
通过表1可以看到,两个软件在电流值方面表现出较好的一致性,但磁场强度本软件的值偏小,主要原因是由于IES软件默认每层楼之间仅有外环导线相连,而本软件认为楼层与楼层之间应有层板隔开,金属层板的屏蔽作用致使磁场大幅减小[10]。
我们利用开发的雷电电磁环境软件进行建模分析,并与CDEGS、IES等软件进行了比对,具有较好的一致性,现在该软件已投入深圳市雷电灾害风险评估的日常业务应用中。今后,我们仍打算建立简单的实物模型,采用实验室冲击雷电流测真实值与同等条件下的仿真值相比对的方法,进一步验证仿真结果的准确性。
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Design and implementation of the lightning electromagnetic environment evaluation software based on FDTD
CAI Ran1,GUO Hongbo1,LU Tao2,LIU Dunxun1,ZHANG Jun1
(1.Shenzhen Meteorological Service Center, Shenzhen 518000, China; 2.Department of Building Services Engineering,the Hong Kong Polytechnic University,Hung Hom,Kowloon,Hong Kong,China)
The finite-difference time-domain (FDTD) was adopted to explore a new method for lightning electromagnetic environment assessment. A software was developed, which was applied in local evaluation services. This software fills the vacancy of business application software, providing great reference on this area.
lightning; electromagnetic environment;FDTD; assessment; software
1003-6598(2016)05-0069-04
2016-06-01
蔡然(1987—),工程师,主要从事雷电防护技术研究与应用工作,E-mail:cairanyoyo@126.com。
深圳市科技计划项目JCYJ20140731143503817:基于城市综合观测的雷电发生机理研究及戒备服务应用。
TP311.52
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