雷电电磁设计及仿真

雷电是危害性极强的自然放电现象，高电压和大电流是它的两个主要特征。设备遭受雷击基本上都会有电磁效应、电流效应、热效应、受力效应四种效应。不同问题考察不同的效应。这些效应会产生强电磁脉冲、局部强涡流/过热(点火源)、缝隙击穿或打火、线缆耦合、结构破坏等现象 。这些现象都可以通过不同程度的仿真进行评估和考察。 

仿真分析可覆盖雷电附着评估、防雷系统设计、电结构阻性/安全性分析、雷电电磁环境评估、线缆感应评估、防雷设计方案论证等。可在不同阶段进行考察，例如：雷电防护的设计阶段，雷电防护功能的验证阶段，指标性考察阶段。 

对雷电产生的各种物理效应，可以通过不同的仿真手段进行实现。

附着点仿真：

针对雷电防护，首先考察的是雷击的附着点，也就是看雷电先击到那块。通过雷电环境下的电场\电势分布，结合一定的理论模型，就可以有效的仿真雷电的附着点。可以为雷电防护的初步设计提供参考。

图1为附着点仿真，模型的电势分布和电场分布。

                                                                             a模型及路径分析

                                                                  b电势分布                                 c电场分布

                                                                                 图1雷击附着仿真 

强电磁脉冲仿真 ： 

雷电流流过设备，因设备存在一些尖锐金属结构或狭窄缝隙等，会产生强电磁脉冲，对设备内部电磁仪器有造成威胁，严重时会瘫痪电子设备。

考察时对设备内部空间所有地方进行电磁场仿真计算，划分内部电磁场强弱区域及等级。找出强场强区域，分析强场强区域的波形是否突变，若没有突变设计合理；若有突变，分析周围结构、缝隙等是否合理。分析结束后制定相应的防护措施。

图2为某设备内部因雷电产生的强电场脉冲仿真波形。

                                                                             图2某设备内部产生的电场脉冲

局部强涡流/过热(点火源)仿真 ： 

一般由于局部阻抗过高，导流不顺畅，导致电流不能够及时导走，电荷聚集发热，有可能局部温度过高，会对设备局部造成熔蚀或成为燃油蒸汽的点火源多数情况下局部强电流和过热是伴生关系，所以可以一起考察。

可以通过结构的电流分布或温度分布来考察，划分电结构电流密度与温度的区域和等级，分析最强电流密度和温度区域的电流和温度大小，判断是否会造成局部熔蚀或成为点火源，进而分析结构是否需要优化及其相应的防护措施。

图3为某型号金属网遭雷电时电流仿真及温度仿真。

                                                       a电流分布                                 b温度分布

                                                       图3某型号金属网遭雷击的电流分布和温度分布

缝隙击穿或打火仿真： 

缝隙击穿或打火是由于时变电流集肤效应引起的，时变电流分布主要聚集在金属材料的边缘或表面，缝隙这种特有的结构极容易使其电流在缝隙两边大量聚集，致使有大量电荷聚集，造成缝隙两边有较强的电势差，电势差大到一定程度就会出现击穿或打火现象。 

可以考察空间电场，分析所有缝隙之间电场强度，积分计算可以产生的电势差，判断是否可以击穿或者打火，成为点火源。进而判断是否需要对结构进行优化。也可以考察因结构失效（制造偏差、老化、磨损、腐蚀以及可能的损伤）是否会产生的击穿或者打火。

图4为典型开缝金属板雷电流流过后的电流分布和电场分布。

                                                       图4典型开缝金属板通雷电流后的金属板的电流分布和空间电场分布

线缆耦合仿真： 

雷电直击飞机，电流从飞机的金属表面流过，在设备内产生一定的空间电磁场，空间电磁场对内部线缆有一定的耦合作用。由于雷电流时变特性，导致雷电流有一定的集肤效应，大部分电流会沿着设备的外表面进行传导，只有部分低频电流分量会传导到设备的内部，产生一定的电磁场。若设备有一定的开口，雷电流在空间产生的电磁场也会通过开口绕射到设备内部，改变设备内部电磁场分布。因此内部空间电磁场的大小与机载设备的材料厚度，设备的封闭性有关，进而影响内部线缆的感应电流和电压。 

通过计算出来的空间电磁场分布以及线缆耦合理论，计算分析不同线缆结构、不同线缆位置、不同线缆长度的感应电流和电压。划分危害等级制定相应的防护措施。

图5为筒段舱段内外的电流分布。

                                                        a 内外电流分布                 b金属切面电流分布

                                                                          图5筒段舱段电流分布

图6为全封闭筒段舱段与舱段上有孔的磁场线分布。

                                                      a 封闭舱段（雷电直击）        b孔缝耦合（雷电直击）

                                                       a 封闭舱段（雷电闪落）    b孔缝耦合（雷电闪落）

                                                                         图6雷电的孔缝耦合机理

图7为不同筒厚度内部线缆的感应电压和感应电流。

                                                                             图7舱段内的线缆感应电流和电压

受力仿真：

结构在遭受雷击时，在电流效应时常常伴随有电磁力的作用对结构进行破坏。图8金属结构打结后的受力分布。

                                                                              图8金属结构打结后的受力分布

小结：

仿真目的是致力于解决实际的工程问题，仿真与试验紧密结合，不断追求趋近真实的求解，可以有效的解决各类雷电防护实际问题。 

仿真结果可以帮助我们缩短试验周期、减少试验次数、完善系统设计、优化或验证设计方案等，可直接降低试验成本、提高研发效率、缩短研发周期、减小研发成本等，亦可对防雷系统/产品提供强大的理论支撑。 

来源：爱邦电磁