基于FDTD的雷電電磁環境評估軟件的設計與實現

蔡 然，郭宏博，陸 濤，劉敦訓，張 峻

(1.廣東省深圳市氣象服務中心，廣東 深圳 518000；2.香港理工大學屋宇設備工程學系)

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基于FDTD的雷電電磁環境評估軟件的設計與實現

蔡 然1，郭宏博1，陸 濤2，劉敦訓1，張 峻1

(1.廣東省深圳市氣象服務中心，廣東 深圳 518000；2.香港理工大學屋宇設備工程學系)

該文采用時域有限差分法(FDTD)，研究了雷電電磁環境評估的新方法，并開發出軟件，投入本地業務應用，該軟件也填補了國內業務應用建筑物雷電電磁環境評估軟件的空白，對該領域的深入研究有著重要的參考價值。

雷電；電磁環境；FDTD；評估；軟件

1 引言

近年來因雷電電磁脈沖引起損壞的系統及設備大幅上升，雷電電磁脈沖不僅造成設備永久性損壞，重要的是計算機系統中斷和癱瘓會造成不可估量的直接與間接的巨大經濟損失和影響[1-3]。目前，國內在這方面的研究主要是采用國外開發的一些成熟軟件，如CDEGS、IES等，來進行一些雷電電磁環境分析[4-7]。這些軟件對硬件的要求高，建模的過程復雜，運行的時間長，不能滿足正常業務工作的需求。研究一種簡單、快捷的直擊雷情況下的電磁環境評估方法很有必要，也迫在眉睫。本文正是從這種思路來進行新方法的研究和軟件開發。

2 理論與方法介紹

時域有限差分法(FDTD)在電磁場數值計算中占有重要的地位。本文主要采用FDTD對上述問題進行研究。

在FDTD方法中，時間和空間都被離散劃分。空間被劃分成箱形的單元，這些單元的長度必須小于波長(一般限制在最短波長的1/10)。激勵源可以在FDTD的計算空間中任意位置引入。在每個時間節點，電壓或者電流源的值從給定的波形輸入再疊加到對應的網格的電場或者磁場上，周圍網格的電磁場的值則會在計算過程中自動更新和傳播。通過對仿真結果的統計與整理能夠算出在不同情況下目標位置產生的感應電磁場，從而得到更加準確的電磁環境評估結論，為進一步分析此條件下各種精密設備的易受損程度等，提出改進意見提供依據。

在FDTD的模擬仿真試驗中，網格精度越小，仿真結果精確度越高[8]。本研究采用的模擬雷電流為8/20和10/350波形，根據文獻[9]記載，波形的上限頻率不到1 MHz，對應的最短波長的十分之一也有40 m。而在本研究中模擬的空間網格是0.5 m。足夠表征雷電流的特征。

3 軟件的實現

3.1 軟件功能模快

基于研究項目的特征，系統采用基于組件的二次開發模式，鑒于.Net框架強大的功能和C#的高效性、健壯性，充分考慮到系統對時效、穩定性的高要求，開發語言采用MS C#.NET。軟件總體開發路線為.NET+C#+Winform，其中主要有以下幾個功能模塊：

①電磁環境評估對象參數控制模塊，可以根據被評估對象的長、寬、高以及房間數量、樓層間距等參數設定仿真計算模型。如圖1、圖2所示。

圖1 評估對象模型示意圖Fig.1 Diagram of a building model

圖2 評估對象參數控制界面Fig.2 Geometric parameters input interface of building model

②雷電流特性控制模塊，可根據沖擊雷電流的波形及幅值進行不同的選擇，選擇界面如圖3所示。

圖3 雷電流特性控制界面Fig.3 Lighting current definition interface

③后臺數據庫，經過多次計算建立后臺存儲數據庫，使用者可根據條件快速讀取相應數據。如圖4所示。

圖4 數據庫資料讀取界面Fig.4 Data export interface

④圖形顯示及處理模塊，根據評估的前置條件，運用FDTD進行仿真計算，最終給出評估位置的電流、電場、磁場、磁場空間分布等產品。如圖5所示。

圖5 電磁環境水平分布圖(單位：A/m)Fig.5 Magnetic field intensity magnitude distribution through a plane

3.2 軟件仿真產品

首先，進入軟件首頁，點擊“開始評估”按鈕進入評估軟件。軟件首頁如圖6所示：

圖6 電磁評估軟件首頁Fig.6 Front cover of software

當使用者選擇常規模型評估時，軟件可根據設定的前置條件快速讀取數據庫內相應的數據。而當使用者選擇自選模型評估時，依次對建筑物模型、場采樣坐標、電流采樣坐標、沖擊電流共4個參數化模塊進行設定，通過軟件運算，最終給出本次評估中對應采集點的電流、電場、磁場隨時間的變化曲線，同時給出對應采集點水平層面的磁場分布圖供使用者進行分析，相關產品示例見圖7～圖8。

圖7 電流隨時間變化曲線Fig.7 Curves of current

圖8 電場隨時間變化曲線Fig.8 Curves of electric-field

4 結果分析及比對

4.1 算法比對

本研究對比了當雷擊點在塔頂部，地下的接地沒有做延伸處理時，FDTD與加拿大SES公司開發的電磁計算軟件CDEGS的仿真結果，證明本研究算法的準確性。圖9中綠色的線表示這種情況下測量點的磁場變化。可以看到磁場峰值不到5 000 A/M。 共振頻率在1.5 MHz左右。

圖9 CDEGS中的磁場計算波形Fig.9 Magnetic field waveform in CDEGS

圖10 FDTD 計算出的磁場波形Fig.10 Magnetic field waveform in FDTD

圖10是FDTD計算的測量點的磁場變化。兩者對比發現峰值強度比較一致，震蕩頻率也是接近1.5 MHz。5 μs內震蕩了7～8次。 這是因為塔高50 m，而1.5 MHz的共振頻率對應的波長的1/4正好是50 m，這符合基本的天線理論。CDEGS的震蕩相對FDTD來說持續時間略長，一直持續到10 μs以后，而FDTD的結果只震蕩到5 μs左右。這里認為，CDEGS是在分立的頻率點上計算，一共是96個頻率點，從頻域反傅立葉變換到時域，本身會引起一些波動。

通過比對發現，FDTD的計算結果與CDEGS軟件自帶的結果有良好的一致性，證明了本研究的理論及算法的正確性。

4.2 仿真結果比對

IES的高頻軟件采用了強大的矩量法(MOM)、有限元法(FEM)與物理光學(PO)理論，全面解決高頻領域內的各種問題。國內已有單位引進該軟件用于建筑物內部暫態磁場計算，下面將用其同樣的前置條件計算，進行結果比對，如表1所示：

表1 IES軟件與本軟件仿真結果比對

通過表1可以看到，兩個軟件在電流值方面表現出較好的一致性，但磁場強度本軟件的值偏小，主要原因是由于IES軟件默認每層樓之間僅有外環導線相連，而本軟件認為樓層與樓層之間應有層板隔開，金屬層板的屏蔽作用致使磁場大幅減小[10]。

5 結論與展望

我們利用開發的雷電電磁環境軟件進行建模分析，并與CDEGS、IES等軟件進行了比對，具有較好的一致性，現在該軟件已投入深圳市雷電災害風險評估的日常業務應用中。今后，我們仍打算建立簡單的實物模型，采用實驗室沖擊雷電流測真實值與同等條件下的仿真值相比對的方法，進一步驗證仿真結果的準確性。

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[9] 戴傳友．雷擊金屬結構物時構架電流分布的計算方法[J]．建筑電氣，2001，4: 40-43.

[10]周歧斌，王建初，傅正財,等．裝有金屬平板的建筑物中的雷電磁場[A]．第六屆中國國際防雷論壇．中國，廣州,2007.

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—)，工程師，主要從事雷電防護技術研究與應用工作，E-mail：cairanyoyo@126.com。

深圳市科技計劃項目JCYJ20140731143503817：基于城市綜合觀測的雷電發生機理研究及戒備服務應用。

TP311.52

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