场线耦合的感应电流分布特性及抑制研究

摘要

随着科学技术的快速发展，各种电子、电气设备广泛应用于国民经济的各个领域。虽然这些电子电气设备给我们的生活带来了便利，但同时它们也是电磁干扰源，这是因为设备在正常工作时，会产生一些有用或无用的电磁能量，其可能对其他设备的运行造成影响，导致电磁环境日益复杂。例如，高空核爆电磁脉冲（High-altitude Nuclear-burst Electromagnetic Pulse，HEMP）就是一种十分严重的电磁干扰源，其频谱范围很宽，可从甚低频到几百兆赫兹；场强很大，可达40kV/m或更高；作用范围很广，可达数千千米。与此同时，在电力、电子和通信等很多领域中，我们用电缆作为系统之间能量与信息的有效传输媒介。由于这些电缆极易与外界电磁场耦合，成为引进电磁干扰的主要途径，因此场线耦合问题的研究已成为近年电磁兼容学科的一个重要研究内容。 本文围绕着场线耦合的感应电流分布特性及抑制这一主线进行研究，论文的主要工作可归纳为： （1）从麦克斯韦方程组出发，推导了Taylor、Agrawal、Rachidi和Vance这四种传输线模型的电报方程，并根据电报方程及边界条件画出这四种模型的等效电路；然后推导了负载响应的频域Baum-Liu-Tesche（BLT）方程，将四种模型的激励源表达式分别代入BLT方程中得到各自模型在平面波激励下的负载响应解析解；继而从电报方程、微分变量、边界条件、激励源和负载响应这五个方面对四种模型进行了比较分析。 （2）基于Agrawal模型研究了平面波、HEMP与架空电缆耦合的负载感应电流响应特性，给出了入射波入射角度（包括极化角、入射角和方位角）、电缆架空高度、终端阻抗、大地电导率及大地相对介电常数等参数的变化对负载感应电流的影响；然后推导了平面波正入射时电缆两端架空，电缆一端接地、另一端架空这两种情况下感应电流的解析表达式，分析了其谐振机理，获得了本征谐振频率与电缆长度的关系；最后，当电缆架空高度不满足远远小于电磁波波长这一条件时，针对传输线模型的适用性问题开展实验研究，对纵向阻抗修正后，感应电流理论值和实测值吻合得较好。 （3）针对屏蔽电缆架空在有损大地上这种情况，基于天线理论推导了屏蔽层上传输线模感应电流和天线模感应电流的计算公式，研究了平面波激励下感应电流的分布特性，给出了感应电流分布与电缆架空高度、大地电导率和大地相对介电常数等参数的关系。研究结果能够为大电流注入技术和直接电流注入技术的运用提供数据基础。 （4）考虑铁氧体磁环的材料特性，在频域内建立了屏蔽电缆加载磁环串的非均匀传输线模型来评估磁环对负载感应电流幅值和陡度的抑制效果，推导了负载感应电流频域计算公式，并利用快速傅里叶反变换，得到其时域响应。首先研究了磁环串加载位置和长度对负载感应电流的影响；然后讨论了磁环材料特性与抑制效果之间的关系；最后从能量耦合和波的传播两个角度分析了磁环对负载感应电流的抑制机理。仿真结果表明本文提出的模型是正确的，研究结果能够为磁环的选型提供指导，并节省实验研究的费用。

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