屏蔽室接地位置不同對其屏蔽效能的影響研究

王建寶 周璧華 楊 波

(解放軍理工大學工程兵工程學院，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)等高功率電磁環境對電子、電氣設備及系統的安全運行構成嚴重威脅，屏蔽和接地則是有效的電磁防護手段。外部電磁場通過屏蔽體上的門、窗和孔縫在屏蔽室內部產生耦合場，進而影響內部敏感設備的正常工作[1-3]。前人曾對屏蔽室孔縫耦合問題做過不少研究[4-7]，但涉及屏蔽室不同接地位置對其屏蔽效能影響的文獻并不多見。

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],亦可將接地系統理解為在電氣、電子設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接地和后點接地，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離孔口的屏蔽體下方。

為分析屏蔽室不同接地位置對其屏蔽效能的影響，采用并行時域有限差分算法，分別計算了屏蔽室在前點接地和后點接地兩種情況下與LEMP和HEMP的耦合問題。LEMP耦合計算中所涉及的雷電流放電通道尺寸為千米級，如將地閃回擊通道和開孔屏蔽室置于同一三維區域進行計算，將占用極大的計算空間。為減小對計算機內存和計算時間的需求，將地閃回擊通道和開孔屏蔽室分置于兩個計算區域[7]，回擊電流輻射場的計算在柱坐標中完成，而對開孔屏蔽室的耦合計算，則在直角坐標系中進行。為進一步提高效率，并行算法得以采用，將原始計算區域根據處理器的數量進行一維區域分解，每個處理器只需計算問題區域的一部分[8-9]，這將大大縮短計算時間。

1. 計算模型和方法

1.1 屏蔽室接地模型

屏蔽室模型如圖1所示，為邊長a=3 m的正方體，在與來波方向垂直的屏蔽體前壁面中心位置，開有尺寸為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2.5 m,其上端距地面0.8 m，通過引上線與屏蔽體相連接。點A、B為計算過程中的取值點，兩點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 激勵源

國際電工委員會標準IEC 61000-2-13[10]將電場強度超過100 V/m的電磁環境稱為高功率電磁環境。為比較不同帶寬入射波條件下接地位置對屏蔽室內部耦合場的影響，計算中涉及到兩種高功率電磁環境：LEMP和HEMP，其數學表達式和參數選擇如下

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 計算方法

高功率電磁環境對于開孔屏蔽室的耦合屬電磁散射問題，用FDTD法計算散射問題時通常將計算區域劃分為總場區和散射場區。根據等效原理，在總場區和散射場區的連接邊界上設置入射波電磁場的切向分量可保證入射波只引入總場區。對于空氣-大地分層介質中的散射問題，見圖2，由于受地面的影響，不能簡單地將自由空間中的初始入射波加在連接邊界上。應利用電磁波反射、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-大地分層介質總場/散射場

對于HEMP，在地面附近一般可看作平面波[2]，連接邊界加入源時按上述方法分地上地下兩部分處理。對于產生LEMP的地閃，將地閃回擊通道和開孔屏蔽室分置于兩個計算區域。在二維柱坐標系下計算回擊電流近場[5]，如圖3所示。利用旋轉對稱性，并通過坐標變換轉換為三維直角坐標系下的數據，而后加至三維直角坐標計算區域的連接邊界上，從而算出屏蔽室內部的耦合場。為進一步提高效率，在二維柱坐標計算區域中采取漸變網格技術，即：在與屏蔽室三維計算區域對應的二維柱坐標系中，網格尺寸設置為小網格以提高計算精度，在非對應區域采用漸變網格技術用大網格以提高計算效率。

圖3 開孔屏蔽室與LEMP耦合計算模型

2. 計算結果及分析

大地介電常數和電導率分別取εr=10和σ=10-3S/m.為滿足穩定性條件、色散及計算精度要求，空間步長和時間步長分別取為，LEMP：δ=0.02 m，Δt=1/3×10-10s；HEMP：δ=0.01 m，Δt=1/6×10-10s.

2.1 算法驗證

為驗證算法有效性，將試驗測得波形與計算所得波形進行對比。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，開孔尺寸為0.25 m×0.25 m，激勵源采用600 kV雙指數高壓脈沖源，在屏蔽室內與孔心距離為0.2 m處測得的垂直電場波形如圖4(a)所示；采用FDTD法模擬相同情況得相同位置電場波形示于圖4(b).

比較圖4(a)和(b)可以發現，計算波形與實測波形一致性較好，反映了本算法的有效性。為進一步驗證，對內部耦合場做頻域分析，見圖5.可以看出計算所得諧振點與理論諧振點相同，這從另一側面同樣反映了本算法合理有效。

(a) 實驗測得

(b) 計算得出圖4 屏蔽室內距孔心0.2 m處垂直電場波形

(a) 與LEMP耦合時

(b) 與HEMP耦合時圖5 屏蔽室內部耦合場頻域波形 與理論諧振點對比

2.2 不同接地位置對屏蔽效能的影響

為比較不同接地位置對屏蔽室屏蔽效能的影響，分別計算了LEMP和HEMP入射下屏蔽室前點接地和后點接地時其內部耦合場。因屏蔽室內部大多水平布線，這里取點A、B處的水平電場分量Ex、Ey波形進行分析。

由圖6～9可以看出：屏蔽室不同接地位置條件下其內部耦合場會發生變化且具有規律性。屏蔽室在前點接地時，內部耦合場大于其后點接地情況，即：接地位置距開孔近則內部耦合強，屏蔽效能差；遠則弱，屏蔽效能改善。

2.2.1 入射波為LEMP時屏蔽室在不同接地位置條件下內部耦合場對比

(a) Ex

(b) Ey圖6 屏蔽室內部A點電場強度對比

(a) Ex

(b) Ey圖7 屏蔽室內部B點電場強度對比

2.2.2 入射波為HEMP時屏蔽室在不同接地位置條件下內部耦合場對比

(a) Ex

(b) Ey圖8 屏蔽室內部A點電場強度對比

(a) Ex

(b) Ey圖9 屏蔽室內部B點電場強度對比

3. 結 論

采用Parallel FDTD技術，計算了在兩種覆蓋頻段不同的高功率電磁環境中屏蔽室接地位置對其屏蔽效能的影響。所得結果表明：屏蔽室對于高功率電磁環境的屏蔽效能與其接地位置有一定關系，屏蔽室接地位置與開孔距離近，屏蔽效能差，接地位置遠離開孔在一定程度上能改善屏蔽室的屏蔽效能。以上結論對指導屏蔽室接地體的安裝具有一定的工程應用價值。

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