对雷电电磁场的栅格型屏蔽模型的研究：频域实验外文翻译资料

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对雷电电磁场的栅格型屏蔽模型的研究：频域实验

Tomasz Maksimowicz and Karol Aniserowicz, Member, IEEE

摘要：本文介绍了暴露于雷电作用下的格状空间屏蔽模型的磁场和电场屏蔽效能的频域测量。 提出了附近和直接雷击的放大实验模型。 检查两种不同网格宽度的单层和双层线屏蔽的型号。 讨论了磁场和电场屏蔽效能的差异。 将测量结果与数值模拟结果进行比较。

索引术语： 栅格空间屏蔽，雷电电磁脉冲（LEMP），测量，数值模拟，屏蔽效能。

一：介绍

雷电电磁脉冲可引起导电或者是浪涌进而导致电子设备的故障或者永久性的损坏，防雷击是电磁兼容（EMC）最重要的问题之一。 这里有许多关于防雷的出版物和防雷的标准。雷电保护系统（lps）的开发是用于在直击雷发生的时候，拦截，传到并且分散雷电流到地面。但是对于电磁场，雷电保护系统以及其他丝网结构的作用尚未被充分的研究。这样的网格状空间对于直击雷和附近的雷击都可以显着降低LEMP的影响。

丝网的电磁屏蔽效果不如实心金属板结构高; 但是，丝网具有其他显着的优点：它们比实心金属屏蔽件便宜，它们可以用于保护整个房间甚至整个建筑物，不存在通风，蒸气冷凝和照明的问题。网格可以成功地嵌入混凝土墙壁，并且能够哦抵抗腐蚀。

IEC （国际电工委员会）62305-4标准描述了空间网状屏蔽的基本特性，包括雷电磁场屏蔽效能的公式。 但是，雷电电场屏蔽没有被描述。

雷电电磁场的防护和网状结构的开发是电磁兼容的最新任务。栅格对雷电电磁脉冲的数学分析主要基于计算机模拟.例如，在[2] - [18]中可以发现关于电磁场分布和示例性防雷系统或格栅屏蔽的屏蔽效果的研究结果。 在出版物中考虑了直接和附近的雷击。可以用于这种模拟的软件的比较。

近年来也发表了对缩小的雷电保护系统实验模型进行的测量结果，Mazzetti等人 [20]分析了在附近雷击下有着不同数量的下导体的常规雷电保护系统模型。Kern等 [21] Zischank et al [22]和Metwally等人 [23]提出了直击雷下的雷电保护系统相似模型。这些作者在与他人的合作中也研究了[24]和[25]中的双栅格屏障。Mardiguian [26]对建筑加固模型进行了检验，并且提供了直击雷和附近雷击的实验结果。[26]中还分析了位于由附加电线屏蔽围绕的腔室内LPZ2区的性质。前面提到的论文的作者只描述了时域中的磁场测量。 并没有提出频谱分析。

Rakov et al在[27]，[28]提出了触发的闪电击中的实体雷电保护系统中时的雷电流分布的实验结果

研究表明栅格屏蔽的特征与闪电没有直接关系。Nyffeler et al。 [29]描述了不同空间网状的频率特性的测量。Bihua 等人[30], 和Yun-fen 等人[31]. 通过对不同网格密度和网格线半径确定屏蔽效能。

在这项研究中，在电场和磁场的频域中确定了单层和双层网状网的屏蔽效能，分析了附近和直接雷击的模型，将测量结果与数值模拟结果进行比较。 还描述了完全尺寸的LPS的计算。

前面提到的大部分论文中的实验都采用了相对较低高度的雷电通道模型，与分析的建筑尺寸相当，这会对最终结果有相当大的影响。采用高度不足的雷电通道模型导致了对分析建筑物的雷电电磁脉冲耦合的低估，这已经在[9]和[32]中讨论过。 从作者的经验可以看出，闪电通道的模型应该比分析对象的最大尺寸长（至少四到五倍）。 考虑到上述缺点，本文的作者构建了一个高度相对较高的雷电通道模型（见图1和图2）。 高度较高模型有两个优点：1）避免由于雷电通道模型的长度较短而造成的错误2）通过较高天线在低频下辐射较强的信号。

图1：附近雷击配置

图2：直击雷配置

大批研究人员将闪电通道视为由其下端的电压源供电的直立垂直天线。Rakov和Uman [33]以及Baba和Rakov [34] [35]等出版了不同天线理论模型的比较。 其中一个天线理论模型是Podgorski和Landt提出的简单的单极子模型[36]。 本次研究采用该模型进行实验。

二：实验模型

雷电通道模型由长30米，直径0.8毫米的垂直铜线制成。它的顶端附着在链接两个11层建筑的屋顶之间的绳索,一个可调谐正弦发生器连接到电线的底端（见图1和图2）。 雷电通道模型比这里检查的格栅式防护罩的模型高16倍以上。

钢框架被用作公共的基础，用来确定接地网是否和大地有着良好的接触。频谱分析仪及其电源位于框架下面的凹坑中，以达到与被检测线路的电磁耦合最小化[见图 3（a）]。

这里需要检查单层和双层屏蔽网格[见图 3（b）]。 外网格和内网格之间的距离为15厘米。两个钢笼边长1.8米，网格宽度分别为30和15厘米，被作为外部防护网格的两个模型，笼子的线是由直径为2.8毫米的线做成的，笼边缘由横截面为40mmtimes;40mmtimes;4mm的钢角钢杆构成。将笼子的线焊接并且将壁边缘用螺栓连接。一个尺寸为1.5mtimes;1.5mtimes;1.65m的较小的笼，网格宽度为30厘米，作为内部的屏蔽笼。

测量设备由发射机组和接收机组成。 每套设备都由自己的ups供电，以避免导电耦合。发射组件由通过信号发生器IFR 2023B（最大输出为13 dBm）供电的闪电通道模型组成。接收器由用于测量磁场的频谱分析仪HP 8591EM和环形天线EMCO 6507，或用于电场测量的单极天线EMCO 3301B（长度为105厘米）组成。环形天线位于木架上，环的中心处于0.65m的高度[见图3（b）]。单极子的平衡位于地面上。

在屏蔽不存在下测量的参考值H0和E0以及在笼内测量HS和ES的值确定屏蔽效能：

其中分贝称为频谱分析仪指示的1mu;V。 这意味着作者没有直接以伏特/米或每米安培测量场强。 结果是在频谱分析仪输入端测量的电压。

对于电场在10kHz至200MHz的频带以及对于磁场为100kHz至200MHz的频带中进行了测量，其间隔不同：对于fle;100kHz，Delta;f= 10kHz，Delta;f= 100kHz 对于fle;1MHz，对于fle;36MHz，Delta;f= 1MHz，对于fle;100MHz，Delta;f= 2MHz，对于fle;200MHz，Delta;f= 4MHz。 我们的测量设备不可能确定较低频率下的屏蔽效能，因为在笼内测量的信号电平低于噪声水平。

图3：（a）用于笼中不存在的电场测量的设备的布置，（b）双层笼内的磁场测量设备的布置

实验笼是第V节分析的全尺寸结构的缩小模型，缩放因子为5.56。 因此，对于全尺寸模型，200MHz的频带对于36MHz是足够的。 在分析频带的下端，10 kHz相当于1.8 kHz。 如果考虑较大的建筑物，则缩放因子可能大于10.因此，我们的实验结果适用于全尺寸建筑物的千赫兹到几十兆赫兹。

三：数字模拟

我们将实验结果与计算机模拟结果进行了比较。 在计算机分析过程中，所有的建筑尺寸都保持不变。 假设金属元件和接地平面完全导通。 我们通过考虑测量的土壤电阻率进行了额外的模拟。 我们没有发现在完全和不完全导电的地面计算的屏蔽特性之间的可见差异。

雷电通道模型是其下端施加理想电压源。笼子的数值模型使用FEKO制备的[37]。 计算方法是基于时刻的方法。

笼子模型由15厘米长的段构成。 外笼的模型分别由696和1416段组成，宽度分别为30和15 cm。 内笼模型由604段组成。 雷电通道模型分为30厘米段。

磁场屏蔽效率

是由对应于环形天线的中心的点P（0.9m，0.9m，0.65m）处确定。这意味着距离笼壁的距离为0.9米，距地面0.65米。 使用在单极天线模型中感应的电流来计算电场屏蔽效能：

在上述公式中，下标0表示在屏蔽不存在时计算的参考值，下标S是在笼内同一点处计算的值。计算过程中分析的频带与测量期间的频带相同。 低于1MHz的频谱样本之间的步长Delta;f不变、1MHz以上的频带中，Delta;f步长被假设为恒定并且等于1MHz。

计算由英特尔Core2duo处理器（2.26 GHz）进行。 所有频率样本的计算时间在18分钟到1小时40分钟之间，这取决于所分析的配置（单个样本的计算时间在5到28秒之间）。

四：测量和模拟结果

在后面的图中，为了可读性，屏蔽效能的特点绘制在频率轴的对数尺度和线性尺度上，具有对数频率尺度的数字被标记为“a”，具有线性频率尺度的数据标记为 “b”。使用对数刻度可以强调在较低频带的特征，这能够发现闪电频谱的最重要的部分。

在这里，实线表示测量结果，虚线表示计算结果。

1. 附近雷击测量的模型

附近雷击的模型的分析分为四种方式：

1）A1：单层外部屏蔽网，w = 30厘米;

2）A2：单层外部屏蔽网，w = 15厘米;

3）A3：单层内部屏蔽网，w = 30厘米;

4）A4：双层屏蔽网，两层w = 30厘米。

图4：附近雷击条件下SH测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式A1（w = 30厘米）和A2（w = 15厘米）。

图5：附近雷击条件下SE测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式A1（w = 30厘米）和A2（w = 15厘米）。

方式A1和A2的特性如图4和5所示。电场和磁场的屏蔽效能在相对较宽的低频范围内是规则的（几乎恒定的）。磁场的屏蔽效能相对规则的频带范围要比电场宽。

低频下SH（omega;）和SE（omega;）的平均值可以称为屏蔽因子[1]：SFH和SFE分别用于磁场和电场。以对数尺度表示的数字有助于确定屏蔽因素。

只有磁场屏蔽因子是定义在SF在IEC 62305标准[1]中的。 它是从等式导出的。

其中H0 / max和H1 / max分别是屏蔽不存在和存在的磁场的最大值（在本文中，使用索引“S”而不是“1”）。

因子SFH已被计算为低频带（3）的平均值，其中SH（omega;）被认为是常数，该频带内的频谱分量对于雷电电磁脉冲的最大值至关重要。在[1]中已经说明，首次和后续雷击的磁场的前部可以分别由25kHz和1MHz的正弦信号表征。（3）或（5）的应用均不会对结果产生明显的影响。

对于SFH的测量值分别为12.3和17.3 dB，网格宽度w 分别为 30和15厘米，那么SFE的相应值为22.6和30.0 dB。 因此，电场的还原效应明显大于磁场的还原效应。 Bihua等人报道了类似的结果 [30]。

网格密度的增加导致屏蔽效能的提高：对于SFH和SFE，模型A1和A2之间的差异分别为5和7.4 dB。当网格宽度w变化时，SH（omega;）和SE（omega;）的常数值的频带仍然保持不变。

在一定频率以上，SH（omega;）和SE（omega;）的特性变得谐振。 在较高频率下，SH（omega;）和SE（omega;）的值之间的差异仍然很大。

双层网格的屏蔽性能可以基于A1，A3和A4模型的结果来进行讨论（见图6和图7），外壳（A1）和内笼（A3）的屏蔽效果已经被测量了出来，根据[1]中列出的公式，A1和A3设置的屏蔽因子将保持不变，因为它们有相同的网格宽度。然而，较小的屏蔽笼（A3）表现出较低的屏蔽效率：SFH的差异为1.6 dB，SFE的差异为0.9 dB。 [38]和[39]已经表明，网格状空间结构的屏蔽效果不仅取决于网格宽度，还取决于其外部尺寸。

图6：附近雷击条件下SH测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式A1，A3和A4（w = 30厘米）

图7：附近雷击条件下SE测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式A1，A3和A4（w = 30厘米）

参考IEC[1]的标准，双层屏蔽的屏蔽系数应等于每层屏蔽因子（A1 A3）之和，预期磁场为23.0dB，电场为44.1dB。然而，网格层之间的距离应大于网格宽度w。 实验用的笼子不满足这一要求，所以方式A4的测量值明显较小：SFH = 17.1 dB，SFE = 32.7 dB。

注意，测量双层网格（A4）的屏蔽因子接近网格宽度为w（A2）的单层网格的屏蔽因子。

B．测量直击雷的模型

信号发生器放置在笼的上角和模拟直击雷雷电通道垂线的底端（见图2），在参考值H0和E0的测量期间，发生器连接到线和笼底的角落之间[见图 3（a）]。

对于直击雷的模型分析有三种方式：

1）B1：单层外部屏蔽网，w = 30厘米;

2）B2：单层外部屏蔽网，w = 15厘米;

3) B3：双层屏蔽网，两层w = 30厘米。

这些方式的结果在图8-11中给出

方式B1（SFH = 26.7dB，SFE = 29.3dB）和B2（SFH = 32.9dB，SFE = 35.4dB）对于直击雷的单层屏蔽的屏蔽因子大于方式A1（SFH = 12.3dB ，SFE = 22.6dB）和A2（SFH = 17.3dB，SFE = 30.0dB）的。 然而，由于距离雷电通道模型较小的距离，线缆笼内测量的磁场和点场较大。

图8：直击雷条件下SH测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式B1（w = 30厘米）和B2（w = 15厘米）。

图9：直击雷条件下SE测量结果（实线）和计算结果（虚线），方式B1（w = 30厘米）和B2（w = 15厘米）。

图1

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