雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性研究

雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性的研究（申请华北电力大学工学博士学位论文）国家自然科学基金资助项目（60601013）培养单位：电气与电子工程学院一级学科：电气工程专业名称：电工理论与新技术研究生：张明霞指导教师：崔翔教授二○○九年十二月雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性的研究（申请华北电力大学工学博士学位论文）国家自然科学基金资助项目（60601013）培养单位：电气与电子工程学院一级学科：电气工程专业名称：电工理论与新技术研究生：张明霞指导教师：崔翔教授二○○九年十二月ResearchontheCalculationMethodandPropagationalongGroundSurfaceofLightningElectromagneticFieldDissertationSubmittedtoNorthChinaElectricPowerUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyin（ElectricalEngineering）byZHANGMINGXIASupervisedbyProf.CUIXIANGSchoolofElectricalandElectronicEngineeringDecember2009声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性的研究》，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：日期：关于学位论文使用授权的说明本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。（涉密的学位论文在解密后遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：日期：华北电力大学博士学位论文摘要摘要雷电辐射电磁场在大尺度复杂环境内传播规律的研究对于了解雷电现象、掌握雷电本质、实现对雷电的预警、防护具有重要意义。本文结合国家自然科学基金项目“雷电电磁场广域传播规律和雷电流反演计算方法的研究”（60601013），主要研究了单层有损土壤、电离层、地球曲率、水平和垂直分层土壤、建筑物、山体对雷电辐射磁场传播的影响，在通过与测量结果、其他文献的计算结果进行对比，验证本文方法和公式正确性的基础上，分析总结了多种因素对雷电辐射磁场传播规律的影响。本文取得的主要研究成果如下：（1）推导了单层有损土壤情况下电偶极子辐射电磁场的计算公式，并获得了在单层有损土壤地表雷电辐射磁场的计算方法。基于上述公式和完纯导体地面上雷电辐射场的计算公式分析了雷电通道高度、观测点高度、土壤电导率对雷电磁场传播的影响，并分析了目前常用的依据雷电磁场反演雷电流强度的公式的有效性，提出了考虑土壤电导率情况下的修正方法。（2）基于多层镜像和导体球镜像方法推导了考虑电离层和地球球形曲率情况下雷电辐射电磁场的计算公式，分析了电离层高度、地球球形曲率对雷电磁场的影响，并结合实际测量结果分析了实际电离层对雷电辐射磁场的影响。（3）利用赫兹位结合递推方法，推导了水平多层土壤上方雷电辐射磁场的计算公式。重点分析了两层土壤模型情况下，上下层土壤电导率的变化对雷电磁场传播的影响规律。（4）基于两层垂直分层土壤构成的混合路径上电偶极子辐射场的计算公式，结合递推方法，获得了三层垂直分层土壤的混合路径上电偶极子辐射场的计算公式，分析了土壤垂直分层对雷电磁场的影响规律。（5）提出了分析面单元在完纯导体地面上方电磁散射的时域积分方程法。应用上述方法分析了建筑物对置于其附近和顶部的雷电磁场测量探头的影响，得出了建筑物宽度和高度对其附近区域磁场的影响曲线。（6）以介质体内电场强度的总场作为待求量，结合点匹配法建立求解方程，提出了分析有损介质体散射的频域体积分方程法。应用该方法建立山体分块有损介质模型，结合傅里叶变换，分析了山体高度、雷击点和观测点与山体距离对雷电辐射磁场峰值和上升时间的影响。关键词：雷电，电磁场，矩量法，电磁散射，时域积分方程法华北电力大学博士学位论文摘要ABSTRACTResearchonthepropagationofthelightningradiationelectromagneticfieldundercomplicatedconditioninlargescaleisofgreatsignificance,foraccuracyknowledgeoflightningphenomenaandmechanism,aswellastheprewarningandprotectionoflightning.SupportedbytheNationalNatureScienceFund（60601013）,thisthesisisfocusedonlightningradiationelectromagneticfieldpropagatingalonggroundunderthecasesoflossyground,ionosphere,earthcurvature,horizontally-stratifiedandvertically-stratifiedsoil,buildingandmountaintakenintoaccountrespectively.Basedontheproposedmethodandformula,whichisvalidatedthroughthecomparisonwithcorrespondingresultsfrommeasurementandotherliterature,theroleofvariousfactorsplayinginthepropagationoflightningradiationfieldisinvestigatedandsummarized.Themainachievementsareasfollows:（1）thecalculationformulafortheradiationfieldfromelectricdipoleoverlossygroundaswellasthatforlightningradiationmagneticfieldonlossygroundsurfaceisdeduced.Basedontheproposedformulaandthecalculationformulaofthelightningradiationfieldaboveperfectground,theeffectofsoilresistivityandtheheightoflightningchannelandobservationpointarealldiscussed.Themodifiedmethodispresentedfortheinversionoflightningcurrentfromlightningmagneticfield.（2）byusingmulti-layerimagemethodandconductorglobeimagemethod,thecalculationformulaforthelightningradiationelectromagneticfieldwiththeionosphereandearthcurvaturetakenintoaccountisdeducedrespectivelytoaccountfortheeffectsoftheionosphereheightandearthcurvature.Measuredresultisalsoprovidedtoillustratetheeffectofionosphere.（3）basedonHertzpotential,theformulaforthecalculationoflightningradiationmagneticfieldabovehorizontally-stratifiedsoilisdeducedusingmethodofrecursion.Theusuallytwo-layermodelisconsideredandtheeffectoftheupperanddownsoilwithsameordifferentisdiscussedingreatdetial.（4）basedonthecalculationoftheradiationfieldofelectricdipoleabovetwo-vertical-layersoil,theexpressionfortheradiationfieldofelectricdipolepropagatingalongthree-vertical-layermixedpathisobtainedthroughrecursion.Thedifferencebetweenthelightningradiaitonfieldabovevertically-stratifiedsoilandthataboveperfectgroundisanalysed.（5）time-domainintegralequationmethodapplicabletotheelectromagneticscatteringfromsurfaceelementaboveperfectgroundispresented,basedonwhichtheeffectofbuildingonthelightningmagneticfieldsensorplacedonitstopornearbyisinvestigated.Theimprovedapproachtoreducetheeffectofbuildingonsurroundingmagneticfieldisgivenaccordingtothecurveofmagneticfieldversusbuildingheightandwidth.（6）withthetotalelectricfieldinsidethedielectricbodytakenasunkonwnvariables,thefrequency-domainvolumnintegralequationmethodispresentedtoanalyzethescatteringoflossydielectricbody.Pointmatchingmethodisusedtosolvetheequation.Byusingtheproposedmethod,theeffectofmountainheightandthedistancefromlighningpointandobservationpointtothemountainareinvestigatedandsignificanttesultisobtained.Keywords:lightning,electromagneticfield,MOM，scattering，time-domainintegralequationmethod华北电力大学博士学位论文目录I目录中文摘要英文摘要第一章引言...............................................11.1选题的背景与意义.............................................11.2国内外对雷电的研究概况...............