屏蔽室接地位置不同對(duì)其屏蔽效能的影響研究

王建寶 周璧華 楊 波

(解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

引 言

眾所周知，雷電電磁脈沖(LEMP)和高空核電磁脈沖(HEMP)等高功率電磁環(huán)境對(duì)電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，屏蔽和接地則是有效的電磁防護(hù)手段。外部電磁場(chǎng)通過(guò)屏蔽體上的門、窗和孔縫在屏蔽室內(nèi)部產(chǎn)生耦合場(chǎng)，進(jìn)而影響內(nèi)部敏感設(shè)備的正常工作[1-3]。前人曾對(duì)屏蔽室孔縫耦合問(wèn)題做過(guò)不少研究[4-7]，但涉及屏蔽室不同接地位置對(duì)其屏蔽效能影響的文獻(xiàn)并不多見(jiàn)。

接地的目的是為了在正常和事故情況下，利用大地作為接地回路的一個(gè)元件，將接地處的電位固定在某一允許值上[1],亦可將接地系統(tǒng)理解為在電氣、電子設(shè)備與大地或低阻抗公共參考面間提供低阻通道[3]。按接地位置的不同，將屏蔽室接地分為前點(diǎn)接地和后點(diǎn)接地，前者代表接地體引上線與屏蔽室連接位置選在門、窗等孔口所在面的屏蔽體下方，后者則為連接位置選在遠(yuǎn)離孔口的屏蔽體下方。

為分析屏蔽室不同接地位置對(duì)其屏蔽效能的影響，采用并行時(shí)域有限差分算法，分別計(jì)算了屏蔽室在前點(diǎn)接地和后點(diǎn)接地兩種情況下與LEMP和HEMP的耦合問(wèn)題。LEMP耦合計(jì)算中所涉及的雷電流放電通道尺寸為千米級(jí)，如將地閃回?fù)敉ǖ篮烷_(kāi)孔屏蔽室置于同一三維區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，將占用極大的計(jì)算空間。為減小對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間的需求，將地閃回?fù)敉ǖ篮烷_(kāi)孔屏蔽室分置于兩個(gè)計(jì)算區(qū)域[7]，回?fù)綦娏鬏椛鋱?chǎng)的計(jì)算在柱坐標(biāo)中完成，而對(duì)開(kāi)孔屏蔽室的耦合計(jì)算，則在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行。為進(jìn)一步提高效率，并行算法得以采用，將原始計(jì)算區(qū)域根據(jù)處理器的數(shù)量進(jìn)行一維區(qū)域分解，每個(gè)處理器只需計(jì)算問(wèn)題區(qū)域的一部分[8-9]，這將大大縮短計(jì)算時(shí)間。

1. 計(jì)算模型和方法

1.1 屏蔽室接地模型

屏蔽室模型如圖1所示，為邊長(zhǎng)a=3 m的正方體，在與來(lái)波方向垂直的屏蔽體前壁面中心位置，開(kāi)有尺寸為0.3 m×0.3 m的方孔，屏蔽室與大地之間的絕緣墊厚0.1 m,接地體長(zhǎng)2.5 m,其上端距地面0.8 m，通過(guò)引上線與屏蔽體相連接。點(diǎn)A、B為計(jì)算過(guò)程中的取值點(diǎn)，兩點(diǎn)與孔口的距離分別取為0.05 m、0.6 m.

圖1 屏蔽室尺寸及接地示意圖

1.2 激勵(lì)源

國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-2-13[10]將電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)100 V/m的電磁環(huán)境稱為高功率電磁環(huán)境。為比較不同帶寬入射波條件下接地位置對(duì)屏蔽室內(nèi)部耦合場(chǎng)的影響，計(jì)算中涉及到兩種高功率電磁環(huán)境：LEMP和HEMP，其數(shù)學(xué)表達(dá)式和參數(shù)選擇如下

LEMP：E=E0(e-α t-e-β t)，α=9.2×105s-1，β=0.5×107s-1；

HEMP：E=kE0(e-α t-e-β t)，α=6×107s-1，β=4×108s-1，k=1.3.

1.3 計(jì)算方法

高功率電磁環(huán)境對(duì)于開(kāi)孔屏蔽室的耦合屬電磁散射問(wèn)題，用FDTD法計(jì)算散射問(wèn)題時(shí)通常將計(jì)算區(qū)域劃分為總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)。根據(jù)等效原理，在總場(chǎng)區(qū)和散射場(chǎng)區(qū)的連接邊界上設(shè)置入射波電磁場(chǎng)的切向分量可保證入射波只引入總場(chǎng)區(qū)。對(duì)于空氣-大地分層介質(zhì)中的散射問(wèn)題，見(jiàn)圖2，由于受地面的影響，不能簡(jiǎn)單地將自由空間中的初始入射波加在連接邊界上。應(yīng)利用電磁波反射、透射原理，連接邊界地上部分引入的入射波是初始入射波和地面反射波的疊加；地下部分則為初始入射波在地下的透射波[11]。

圖2 空氣-大地分層介質(zhì)總場(chǎng)/散射場(chǎng)

對(duì)于HEMP，在地面附近一般可看作平面波[2]，連接邊界加入源時(shí)按上述方法分地上地下兩部分處理。對(duì)于產(chǎn)生LEMP的地閃，將地閃回?fù)敉ǖ篮烷_(kāi)孔屏蔽室分置于兩個(gè)計(jì)算區(qū)域。在二維柱坐標(biāo)系下計(jì)算回?fù)綦娏鹘鼒?chǎng)[5]，如圖3所示。利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，并通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為三維直角坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，而后加至三維直角坐標(biāo)計(jì)算區(qū)域的連接邊界上，從而算出屏蔽室內(nèi)部的耦合場(chǎng)。為進(jìn)一步提高效率，在二維柱坐標(biāo)計(jì)算區(qū)域中采取漸變網(wǎng)格技術(shù)，即：在與屏蔽室三維計(jì)算區(qū)域?qū)?yīng)的二維柱坐標(biāo)系中，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為小網(wǎng)格以提高計(jì)算精度，在非對(duì)應(yīng)區(qū)域采用漸變網(wǎng)格技術(shù)用大網(wǎng)格以提高計(jì)算效率。

圖3 開(kāi)孔屏蔽室與LEMP耦合計(jì)算模型

2. 計(jì)算結(jié)果及分析

大地介電常數(shù)和電導(dǎo)率分別取εr=10和σ=10-3S/m.為滿足穩(wěn)定性條件、色散及計(jì)算精度要求，空間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)分別取為，LEMP：δ=0.02 m，Δt=1/3×10-10s；HEMP：δ=0.01 m，Δt=1/6×10-10s.

2.1 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證算法有效性，將試驗(yàn)測(cè)得波形與計(jì)算所得波形進(jìn)行對(duì)比。將2 m×2 m×2 m全焊接鋼板屏蔽室置于有界波電磁脈沖模擬器中，開(kāi)孔尺寸為0.25 m×0.25 m，激勵(lì)源采用600 kV雙指數(shù)高壓脈沖源，在屏蔽室內(nèi)與孔心距離為0.2 m處測(cè)得的垂直電場(chǎng)波形如圖4(a)所示；采用FDTD法模擬相同情況得相同位置電場(chǎng)波形示于圖4(b).

比較圖4(a)和(b)可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算波形與實(shí)測(cè)波形一致性較好，反映了本算法的有效性。為進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)內(nèi)部耦合場(chǎng)做頻域分析，見(jiàn)圖5.可以看出計(jì)算所得諧振點(diǎn)與理論諧振點(diǎn)相同，這從另一側(cè)面同樣反映了本算法合理有效。

(a) 實(shí)驗(yàn)測(cè)得

(b) 計(jì)算得出圖4 屏蔽室內(nèi)距孔心0.2 m處垂直電場(chǎng)波形

(a) 與LEMP耦合時(shí)

(b) 與HEMP耦合時(shí)圖5 屏蔽室內(nèi)部耦合場(chǎng)頻域波形 與理論諧振點(diǎn)對(duì)比

2.2 不同接地位置對(duì)屏蔽效能的影響

為比較不同接地位置對(duì)屏蔽室屏蔽效能的影響，分別計(jì)算了LEMP和HEMP入射下屏蔽室前點(diǎn)接地和后點(diǎn)接地時(shí)其內(nèi)部耦合場(chǎng)。因屏蔽室內(nèi)部大多水平布線，這里取點(diǎn)A、B處的水平電場(chǎng)分量Ex、Ey波形進(jìn)行分析。

由圖6～9可以看出：屏蔽室不同接地位置條件下其內(nèi)部耦合場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化且具有規(guī)律性。屏蔽室在前點(diǎn)接地時(shí)，內(nèi)部耦合場(chǎng)大于其后點(diǎn)接地情況，即：接地位置距開(kāi)孔近則內(nèi)部耦合強(qiáng)，屏蔽效能差；遠(yuǎn)則弱，屏蔽效能改善。

2.2.1 入射波為L(zhǎng)EMP時(shí)屏蔽室在不同接地位置條件下內(nèi)部耦合場(chǎng)對(duì)比

(a) Ex

(b) Ey圖6 屏蔽室內(nèi)部A點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

(a) Ex

(b) Ey圖7 屏蔽室內(nèi)部B點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

2.2.2 入射波為HEMP時(shí)屏蔽室在不同接地位置條件下內(nèi)部耦合場(chǎng)對(duì)比

(a) Ex

(b) Ey圖8 屏蔽室內(nèi)部A點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

(a) Ex

(b) Ey圖9 屏蔽室內(nèi)部B點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比

3. 結(jié) 論

采用Parallel FDTD技術(shù)，計(jì)算了在兩種覆蓋頻段不同的高功率電磁環(huán)境中屏蔽室接地位置對(duì)其屏蔽效能的影響。所得結(jié)果表明：屏蔽室對(duì)于高功率電磁環(huán)境的屏蔽效能與其接地位置有一定關(guān)系，屏蔽室接地位置與開(kāi)孔距離近，屏蔽效能差，接地位置遠(yuǎn)離開(kāi)孔在一定程度上能改善屏蔽室的屏蔽效能。以上結(jié)論對(duì)指導(dǎo)屏蔽室接地體的安裝具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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