生物电磁场（共5篇）
生物电磁场 篇1
随着现代科学技术的发展, 生物磁学受到了科学家的关注, 它是研究物质磁性、磁场与生物特性之间相互联系和相互影响的科学。很多学者在磁场处理农作物种子及其产生的生物效应方面进行了许多探索性工作[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]。也有许多学者提出外加磁场处理农作物种子是农作物增产的有效途径[11], 磁场处理种子可产生磁致生长效应和遗传效应, 提高种子萌发率, 促进根系生长, 增加吸水肥能力, 缩短生育期及增加穗粒数和千粒重等[12]。Jae Duk Moon等用1000 G磁场处理番茄种子15~60 s其发芽率提高1.1~2.8倍[13]。Masafumi Muraji等研究表明交变磁场可促进玉米根系生长[14]。本试验研究了外加磁场处理大豆、玉米和大蒜种子后对其苗期生物效应的影响, 为寻求磁场处理不同种子的最佳强度和时间提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料:大豆种子 (东农248, 由东北农业大学大豆研究所提供) 、玉米种子 (龙单59由黑龙江省农业科学院玉米研究所选育) 、大蒜种子 (市售品种) 。作物种子不同磁场强度处理在东北农业大学进行。
1.2 试验方法
试验设等级100、200、290 G的磁场处理, 各等级处理时间分别是0 (CK) 、30、60、90 min。
盆栽试验:取东北农业大学园艺站土壤过筛备用。把经磁场处理的大豆和玉米种子浸种20 h, 大蒜种子分别播种在直径20 cm的小盆中, 每盆播7粒, 4次重复。置于玻璃温室中, 每3 d浇1次水, 培养3周后测量其根长和株高, 并称量玉米和大豆的根鲜重。
2 结果与分析
2.1 磁场作用对玉米苗期生物效应的影响
用不同磁场强度处理玉米种子不同时间, 盆栽培养3周后, 测量其根系和株高状况, 结果见表1。由表1可知, 不同磁场强度处理不同时间对玉米苗期都具有一定的影响, 整体表现为促进作用。磁场强度100 G处理60 min以上对玉米的根长有显著影响, 90 min最高为42.72%, 对株高在处理60 min时影响显著, 为40.03%;磁场强度200 G处理90 min在根长和株高上都有显著影响, 分别为54.66%和58.61%;磁场强度290 G在根长和株高上都有显著影响, 根长60 min最高达59.33%, 株高60 min最高达99.83%。
注:同列不同小写字母表示0.05水平差异显著。下同。
2.2 磁场作用对大豆苗期生物效应的影响
用不同磁场强度处理大豆种子不同时间, 盆栽培养3周后, 测量其根系和株高状况, 结果见表2。由表2可知, 不同磁场强度处理不同时间对大豆苗期都具有一定的影响, 整体表现为促进作用。磁场强度100 G处理60 min以上对大豆的根长和株高都有显著影响, 90 min最高分别为41.77%和49.26%;磁场强度200 G在根长和株高上都有显著影响, 90 min最高分别为40.51%和47.93%;磁场强度290 G在根长和株高上都有显著影响, 不同处理时间之间 (30~90 min) 影响不显著, 90 min最高分别为65.06%和53.95%;不同的磁场强度之间对株高的促进作用差异不大。
2.3 磁场作用对大蒜苗期生物效应的影响
用不同磁场强度处理大蒜种子不同时间, 盆栽培养3周后, 测量其根系和株高状况, 结果见表3。由表3可知, 不同磁场强度处理不同时间对大蒜苗期都具有一定的影响, 整体表现为促进作用。磁场强度100 G处理90 min对大蒜的根长有显著影响, 为26.07%。但对株高的影响不显著, 90 min最高为13.92%;磁场强度200G在根长和株高上都有显著影响, 不同处理时间 (30~90 min) 对根长影响不显著, 根长30 min最高为30.36%, 株高30 min为20.68%;磁场强度290 G在根长和株高上都有显著影响 (株高在处理30 min时除外) , 不同处理时间 (30~90 min) 对根长影响不显著, 处理90 min与处理60 min对株高影响不显著, 60 min对根长促进作用最大达30.71%, 90 min对株高促进作用最大达27.56%。磁场强度对大蒜苗期根长的促进作用大于株高, 不同的磁场强度之间对株高的促进作用差异不大。
2.4 磁场处理对作物苗期根鲜重的影响
用不同的磁场强度处理玉米、大豆种子不同时间后, 盆栽培养3周后, 测量其根鲜重状况, 具体结果见图1和图2。由图1、图2可知, 不同磁场强度处理玉米种子不同时间对其根鲜重影响显著。各处理对玉米根鲜重都有明显的促进作用, 并均达到显著水平。低磁场强度处理不同时间之间差异显著。磁场强度290 G处理影响最大, 但不同时间之间差异不显著, 处理30 min增加150.00%, 处理90 min最高达167.00%。
不同磁场强度处理大豆种子不同时间对其根鲜重影响显著。各处理对玉米根鲜重都有明显的促进作用。磁场强度100、200 G之间差异不显著。磁场强度290 G处理30 min影响最大, 增加达44.10%, 随处理时间的增长而下降。各磁场强度处理90 min的增长率基本相同。
3 结论与讨论
试验结果表明, 不同作物种子经磁场处理后, 在其苗期的生物效应表现各不相同。磁场对不同作物苗期根系和株高的影响也不尽相同;不同磁场强度对不同作物的影响差异很大。磁场强度290 G处理60 min对玉米的根长和株高促进率最高, 分别达59.33%和99.83%;磁场强度290 G处理90 min对大豆的根长和株高促进率最高, 分别达65.06%和53.95%;磁场强度290 G处理60 min对大蒜根长促进作用最大, 达30.71%, 90 min对株高促进作用最大, 达27.56%。值得注意的是大豆和大蒜磁场强度290 G处理60 min同处理90 min之间对其根长和株高的差异不显著。
本研究认为磁场强度290 G处理60 min对3种作物苗期的根长和株高促进作用都达到了比较理想的水平。但磁场处理农作物的结果并非都对生产有利, 故农业生产中采用磁场处理技术前必须经过多次严格的重复试验[15]。
生物电磁场 篇2
在开始学习“电磁场与电磁波”之前，当我听到其学科名称的时候就产生了一种高深莫测的感觉，觉得电磁场应该是比较难的。但是出于对知识的渴望我怀着一颗求知的心投入了这个“新奇的”知识海洋。
当接触了“电磁场与电磁波”并开始学习的时候这种所谓的惧怕感还是依旧存在。每当读到某个科学家经过了反复的实验从而发现了一个著名的定理或是公式的时候我都非常向往，无疑这些名人事迹提高了我的学习兴趣。但是每当看到一个个繁杂的公式与难于理解的论证的时候，这都让我感到这门课程的难度之高。然而每当专心下来仔细思考，一点一点的从基础公式去推演论证的时候，我又能感受到其在科学与生活方面的独特魅力。
纵观电磁波发展史，人们很早就接触到电和磁的现象，并知道磁棒有南北两极。在18世纪，发现电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上，力的大小和它们之间的距离的平方成反比。但长期以来，人们只是发现了电和磁的现象，并没有发现电和磁之间的联系。后来奥斯特、安培、法拉第等人的研究又使人类又电磁波的认识进步了一个阶梯，19世纪中叶伟大的理论物理学家麦克斯韦总结了前人关于电磁学的研究成果，建立了完整的电磁场理论。这使得人们对电磁波的有了相对成熟的认识。
可以说电磁场理论是工科电类专业的一门重要的技术基础课。它在物理电磁学的基础上，进一步研究了宏观电磁现象的基本规律和分析方法，是深入理解和分析工程实际中电磁问题所必须掌握的基本知识。它的地位我觉得就像英语中的语法，用来分析句子和文章的成分结构，没有它我们只能死记硬背一些公式与结论，而利用了电磁理论就能很容易的分析一些实质性的问题从而有更加深刻的体会。很多实际工程问题只有通过电磁场才能揭示其本质。对电磁场的学习使我认识很多物理现象的本质。电磁场由相互依存的电磁和磁场的总和构成的一种物理场。电场随时间变化时产生磁场，磁场随时间变化时又产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，电流会产生磁场，变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁场与电磁波在实际生产、生活、医学、军事等领域有着广泛的应用，具有不可替代的作用。如果没有发现电磁波，现在的社会生活将是无法想象的。
生物电磁场 篇3
（一）生物电
生物电是指生命过程中产生的电流或电压。不仅动物，所有生命都有生物电，有研究发现植物叶片上也存在电信号，这也证明了生物电是自然界普遍存在的一种电现象。如在可兴奋组织(如神经和肌肉)的细胞膜内、外，存在着不同的带电离子，膜外呈正电，膜内呈负电，存在着一定的电位差，称为膜电位(membrane potential);活组织的完整部位与损伤部位之间存在着电位差，称为损伤电位(injury potential);可兴奋组织在兴奋时所产生的生物电活动 (生理学上将那些兴奋较强的组织，如神经、肌肉和腺体等统称为可兴奋组织) 引起的电位差，称为动作电位(action potential)。
（二）生物磁
1. 由生物体内电荷运动产生的磁场。
如人体组织，器官，神经的活动，脑组织的自发和诱发活动，心脏肌肉的周期性收缩和舒张往往伴随着微弱的生物电流，凡是能产生生物电流的组织，必定会同时产生生物磁场。如神经磁场，脑磁场，心磁场等。
2. 由生物磁性材料产生的感应磁场。
组成人体组织的物质具有一定的磁性，称作“生物磁性材料”，如血红蛋白中的Fe，维生素B12中的Co，血蓝蛋白和肝铜蛋白中的Cu，以及V, Mn, Mo等过渡族元素。它们在地磁场及其他外界磁场的作用下会产生感应磁场，如脾，肝等器官所呈现的磁场。
3. 由侵入人体体内的强磁性物质产生的剩余磁场。
例如，铁磁矿粉末通过呼吸道进入肺部或通过食物进入胃肠系统后，这些强磁性粉末在外磁场作用下被磁化，从而产生剩余磁场，如肺磁场。
（三）生物电磁效应的广泛应用
生物电信号通常包括脑电信号 (EEG) 、肌电信号 (EMG) 、眼电信号 (EOG) 和心电信号 (ECG) 等。在这些信号中，ECG被用于人体心脏功能的监测与诊断已是广为人知;EOG主要用于眼睛状况，特别是眨眼睛的监测;EMG信号有直接反映人手活动的功能，是一种用于机器人手控制的非常合适的信号;而EEG信号自1924年被拾取以后，主要用于大脑疾病和精神病的监测诊断分析。生物电不仅应用于诊断疾病，而且在疾病治疗方面也发挥了很重要的作用。医学上的“睡眠疗法”就是利用生物电原理提出的。另有医学研究表明，生物电磁场可以提升人体免疫功能，改善人体心肌缺血，对人体抗衰老与保健也有明显效果。
在人体医学中，生物体发生病变后, 其磁性与正常生物体的磁性不一样，产生的磁场也会有所变化。这些十分微小的变化可以用于病理研究和疾病诊断。例如，与医学中常用的心电图、脑电图相似，现在人们正在用心磁图、脑磁图等人体磁图技术进行相关部位的病情诊断。另外，利用磁石治病早在我过西汉时期的《史记》中就有记载，我过明代大药物学家李时珍，在他的药物学巨著《本草纲目》中，利用磁石或以磁石为主的药物治疗的病名达十多种，目前在我国最普遍的应用是磁疗。
磁场读生物的影响在医学上也有重要应用。现在物理学家的研究成果表明，可以制造多路系统——特殊的磁衣，穿上它并接通电子计算机，不仅能获得个别器官的、而且能获得整个机体的生命活动图，了解生物复杂的生理动态过程。
长期的研究发现，许多生物受处界磁场影响而改变其生长情况、生命活动和行为习性等。例如，在古生物研究中，曾观察到地磁场减弱时，地球的一些生物大量减少，甚至灭绝。早在19世纪，就有学者认为鸟类的定向和磁场信息的获得是相关的。鸽子“认家”的本领就是它的体内有生物磁体，通过与地磁场的相互作用辨认方向。实验发现，把果蝇的卵或幼虫放在不均匀强磁场中一段时间，磁场对果蝇的发育、形态和繁殖能力都有影响。除此以外，人们还发现，如果把老鼠置于磁屏蔽 (去掉地磁) 的环境中，老鼠的寿命会显著缩短。
在农业、养殖业等方面，磁场也有重要应用研究。例如，对农作物的种子用适当强度的磁场进行处理，可以促进种子萌发和幼苗生长，提高产量。用进过磁场处理的水饲养一些家畜和饲养鱼类，可以增强家畜的抗病能力、鱼类耐恶劣环境的能力。
生物电磁效应的应用还有如利用微生物磁效应处理废水，改善环境等。
（四）生物电磁效应在生命搜索中的应用
人体内部存在电磁场，既可以测量电场也可以测量磁场，而生物磁测量与生物电测量相比存在以下优点：1.测量生物磁场的探测器可以不与生物体接触，能避免接触引起的电磁干扰。2.生物磁测量能同时得到恒定的和交变的磁场数据;3.磁探头可以在空间改变位置和方向，获得磁场的三维空间分布，通过体外磁场分布和强度的测量，了解体内强磁性物质的分布和含量，有助于诊断和检查某些疾病。人体生物磁场的信号是很微弱的 (表1) ，一般为地球磁场的10-6倍。另外，由于我们生活在一个电磁污染严重的社会中，常见都市电磁噪声一般为人体生物磁场的103倍 (表1) ，所以对人体生物磁场进行测量，意味着从百万倍的强磁噪声环境检测出微弱磁信号，必需特殊的技术和设备。运用高灵敏度的磁强计能成功地测量生物和人体磁场。所以，在生命搜索中一般采用超导量子干涉仪 (SQUID, Superconducting Quantum Interface Device) 来进行人体磁测量。SQUID实质上是一种通量一电压变换器，它能将磁通量的微弱变化转换成电压。
生命信号搜索中主要是能透过障碍物探测人，而目前能透过障碍物探测人的技术主要有三种：利用静电场原理、利用超低频电磁能和利用多普勒雷达技术。
利用静电场原理“看人”：美国宾夕法尼亚州蒙哥马利市的WindGap探测系统公司的第六感觉分公司已研制出一种叫“探人器”的装置。这种装备可以探测人产生的静电场。它是利用人体本身存在的静电场和两个极性相反的静电场之间存在吸引力的原理来工作的。该装置已在美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室和弗吉尼亚州的比尔沃堡等处进行了实验和演示。实验表明：它的探测距离与遮蔽物性质及操作手的变动有关。由于每个人产生的静电场不同，因此不同的操作手，其探测效果也会略有差别。它能探测到120～140m距离内的位于墙壁后的人员。
利用超低频电磁能“看人”：美国1997年“部队防护设备展览会”上展出的华盛顿绝缘材料实验室生产的“生命卫士”装置，是另一种可探测人的装置。它通过探测由跳动的心脏产生的超低频电磁能，可以透过金属门、沙地和深水确定人的准确位置。在动物园进行的试验表明：这种装置能区分人和灵长目动物产生的低频信号。它能在无混杂信号的环境中探测到距离达500m的敌人。
利用“手电筒式雷达”“看人”：美国佐治亚技术研究所的科学家已研制出一种叫作“手电筒式雷达”的系统。该系统可以探测出隐蔽在水泥墙、木墙和钢门后面的人。“手电筒式雷达”系统将多普勒雷达技术与高速信号处理技术相结合，使得可以用比较低的费用实现快速傅立叶变换和频率响应曲线很陡的滤波功能，这样就可从杂乱的回波信号中提取出人所特有的信号。“手电筒式雷达”可探测由于心跳或呼吸而产生的人胸部的微小运动。
（五）结语
生物电磁场的广泛应用越来越受到人们的关注，在医学方面已经取得了举世曙目的成果。把生物电磁场效应应用到生命信号探测上面，既符合实际需要又是众望所归。在利用生物体本身的电磁场来实现被动探测这点上，国内的发展比国外的发展起步较晚，还有很大的发展空间，这就需要我们更多的努力与关注。
参考文献
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电磁场小论文 篇4
随着电力电子技术自动控制技术、测试技术、微机等高新技术的发展, 磁悬浮技术,特别是可控磁悬浮技术取得较大发展, 显示出广阔的应用前景, 可控磁悬浮技术已由宇航军事等领域的应用开始向一般工业应用转化。本论文简要介绍了磁悬浮技术原理的分类方式和应用范畴，首先对电磁吸引控制悬浮（EMS），永久磁铁斥力悬浮（PRS），感应斥力方(EDS)三方面对其原理进行简单介绍，然后对磁悬浮技术的在生活中的应用进行了简单的介绍。
关键字：磁悬浮原理 EMS PRS EDS 磁悬浮的应用
1.磁悬浮技术原理
磁悬浮装置由传感器、控制回路电磁铁、功率放大器等部份组成(图1)利用电磁力, 将某些物体无机械接触地悬浮起来, 由传感器检测悬浮体偏差信号, 通过反馈控制回路调节, 发出控制信号, 经功率放大器控制电磁铁中的电流, 从而控制电磁铁产生的磁场和作用于悬浮体的电磁力, 使之保持在正确位置。
图（1）磁悬浮原理图
2磁悬浮技术的分类
2.1按电磁铁种类可以分为常导吸引型和超导排斥型两大类。
2.1.1常导吸引型
常导吸引型磁悬浮列车是以常导磁铁和导轨作为导磁体，用气隙传感器来调节列车与线路之间的悬浮间隙大小，在一般情况下，其悬浮间隙大小在10 mm 左右，这种磁悬浮列车的运行速度通常在300~500 km/h 范围内，适合于城际及市郊的交通运输。2.1.2超导排斥型 超导排斥型磁悬浮列车是利用超导磁铁和低温技术，来实现列车与线路之间悬浮运行，其悬浮间隙大小一般在100 mm 左右，这种磁悬浮列车低速时并不悬浮，当速度达到100 km/h时才悬浮起来。它的最高运行速度可以达到1 000km/h，当然其建造技术和成本要比常导吸引型磁悬浮列车高得多。
2.2按悬浮方式磁悬浮列车按悬浮方式有电磁吸引式悬浮(EMS)和永磁力悬浮(PRS)及感应斥力悬浮方式(EDS)2.2.1电磁吸引控制悬浮方式EMS(Electromagnetic Suspension)电磁吸引控制悬浮方式,如图2(a)。这种方式利用了导磁材料与电磁铁之间的吸引力,几乎绝大部分磁悬浮技术采用该方式。虽然原理上这种吸引力是一种不稳定的力,但通过控制电磁铁电流的大小,可以将悬浮气隙保持在一定的数值上。随着现代控制理论的发展和驱动元器件的高性能、低价格化, EMS方式得到了广泛的应用。在此基础上,也有众多的研究人员提出了把需要大电流励磁的电磁铁部分替换成可控型永久磁铁的方案,并深入地进行了研究和开发工作。该方案可以大幅度地降低励磁损耗,甚至在额定悬浮高度时几乎不需要能量,是一种非常值得注目的新技术。
图2（a）EMS方式 2.2.2永久磁铁斥力悬浮方式(Permanent Repulsive Suspension)如图2(b),这是最简单的一种方案,它利用永久磁铁同极间的斥力, 一般产生的斥力为1kg /cm2 ,所以被称为永久磁铁斥力悬浮方式。当然,根据所用的磁性材料的不同, 其产生的斥力相应变化。但是,由于横向移位的不稳定因素,需要从力学角度安排磁铁的位置。近年来,开始出现了一些采用PRS方式的产品,例如日本1999年4月公开的专利中,就有关于PRS配置方案的内容。随着稀土材料的普及, PRS方式将会被更多地应用于各个领域。
图2（b）PRS方式
2.2.3感应斥力方式EDS(ElectrodynamicsSuspension)此方式利用了磁铁或励磁线圈和短路线圈之间产生的斥力,简称感应斥力方式。如图2(c),为了得到斥力,励磁线圈和短路线圈之间必须有相对运动。EDS方式的斥力来自相对运动,相对运动的速度越快斥力就越大。而另一方面,斥力又随悬浮气隙变化,气隙越大斥力就越小。因此,在相对运动达到一定速度以上时,斥力与重力会自然地平衡在某个气隙上这种方式主要被应用于超导磁悬浮列车的悬浮装置上。但是,在低速时由于得不到足够的悬浮力,因而需要有车轮来支撑停止或低速时的车身。从原理上而言, EDS很少被应用于低速传动机构。
图2（c）EDS方式
3电磁吸引控制悬浮方式EMS列车的运行方式
利用装在车辆两侧转向架上的常导电磁铁(悬浮电磁铁)和铺设在线路导轨上的磁铁，在磁场作用下产生的吸引力使车辆浮起，见图3所示。车辆和轨面之间的间隙与吸引力的大小成反比。为了保证这种悬浮的可靠性和列车运行的平稳，使直线电机有较高的功率，必须精确地控制电磁铁中的电流，使磁场保持稳定的强度和悬浮力，使车体与导轨之间保持大约10 mm 的间隙。通常采用测量间隙用的气隙传感器来进行系统的反馈控制。这种悬浮方式不需要设置专用的着地支撑装置和辅助的着地车轮，对控制系统的要求也可以稍低一些。
图3 电磁吸引控制悬浮原理图
在图2(a)所示的典型电磁悬浮系统中,悬浮物体的上下运动方程式可用式(1)表示。
d2Wi M2Mgkifd（1）
dtW2同时,励磁电路的电路方程式如式(2)所示
ed(Li)Ri（2）dt式中 M—— 悬浮物体质量 W—— 悬浮气隙长度 i— — 励磁电流
ki— — 电磁铁吸引力系数
fd —— 外力 e—— 外加电压 R— — 励磁绕组电阻 L—— 励磁绕组电感
4磁悬浮在现代工业中的应用
4.1磁悬浮轴承
磁悬浮轴承(Magnetic Bearing)是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触。其原理是磁感应线与磁浮线成垂直，轴芯与磁浮线是平行的，所以转子的重量就固定在运转的轨道上，利用几乎是无负载的轴芯往反磁浮线方向顶撑，形成整个转子悬空，在固定运转轨道上.与传统的滚珠轴承、滑动轴承以及油膜轴承相比，磁轴承不存在机械接触，转子可以运行到很高的转速，具有机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等优点，特别适用于高速、真空、超净等特殊环境中。磁悬浮事实上只是一种辅助功能，并非是独立的轴承形式，具体应用还得配合其它的轴承形式，例如磁悬浮+滚珠轴承、磁悬浮+含油轴承、磁悬浮+汽化轴承等等 4.2磁悬浮列车
对于磁悬浮列车的研究由来已久，其依靠电磁吸力或电磁斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的速度可达每小时400公里以上，比轮轨高速列车的380多公里还要快。4.3磁悬浮隔振器
由于磁悬浮隔振器的磁场力大小与两个极板之间的距离呈非线性关系，从而使得磁悬浮隔振具有良好的非线性隔振性能。
4.4磁悬浮工作台
随着对加工和测量装备精度要求的不断提高，有关长行程、超精密运动控制的研究引起了人们越来越多的兴趣。已有研究表明，影响长行程、超精密运动控制精度的最主要因素是摩擦力非线性。而磁悬浮正是一种实现长行程、超精密运动控制的较为理想的方式。
5磁悬浮技术的发展前景
生物电磁场 篇5
雷电电磁脉冲( LEMP) 是伴随雷电放电产生的瞬态电磁现象,例如雷电电磁场、雷电感应电压和感应电流等。随着微电子技术的发展,其通过耦合效应对电子设备及输配电设备造成的危害也日益突出[1,2]。尤其是智能电子设备普遍存在绝缘强度低、过电压和过电流保护能力差、对电磁干扰敏感等弱点,一旦设备遭受雷击,雷电电磁脉冲就会影响电气控制系统正常工作和安全运行,对人身财产安全造成威胁[3]。因此,有必要对雷电电磁脉冲的一些规律进行研究,以减少其危害。
魏明等人[4,5]采用数值计算方法计算了DU模型和TL模型下的雷击电磁场分布,他们将大地视为理想导体,得出雷击时空间电磁场有规律可循,并建议考虑大地有限电导率的影响; 杨栋新等人[6,7,8]采用时域有限差分法分别研究了土壤特征以及雷电回击参数对雷击电磁场的影响,并做了雷击电磁场随距离的变化研究,他们所做的计算都是针对地上雷击电磁场分布,考虑到目前地下场所修建的越来越多,因此有必要对地下雷击时的电磁环境进行研究。针对雷击电磁场耦合问题,余占清等人[9,10,11,12]对配电线路上的雷电感应电压进行了较多研究,而对线路终端负载方面的研究相对缺乏。
本文采用FDTD方法对雷电电磁效应进行模拟,研究雷击时地下空间的电磁场情况; 并对线缆终端负载上产生的感应电流及电压进行探讨,这对易遭受雷击地区和受雷电影响严重行业的防雷工作有重要的应用价值。
1FDTD算法参数设置
雷电流波形是进行雷电电磁场计算的前提, IEC31312 - 1标准规定了直击雷波形为10 /350μs波形,但这只是测试波形,对于某地雷击电磁场的计算,选用当地实测雷电流波形所得结果将更准确。 本文随机选用北京地区实测雷电流波形进行模拟, 其波头时间均值为2. 7μs,波尾时间均值为25. 63μs[13,14]。雷电流表达式的模拟采用10阶Heidler函数[15,16],表示为:
式中,I为所模拟的雷电波幅值。
雷电回击工程模型采用MTLE模型,任意时间t,通道中任一高度z' 的电流i (z',t) 与通道底部电流i(0,t) 的关系为[14]:
式中, u为Heaviside函数;为与高度有关的衰减因子为电流波传播速度;为回击速度。
图1为采用式( 1) 和式( 2) 所作的电流幅值为100k A时,不同高度雷电流波形图,随高度的升高, 电流波幅值降低。
FDTD仿真过程中设置空间步长dx = dy = dz = 5m ,时间步长满足Courant稳定性条件,计算后取dt = 8. 67ns 。雷电回击通道设置在原点处,采用CPML吸收边界,周围无障碍物时电场Ez的等值线如图2所示,可以看出在边界处吸收效果良好。
2雷击时地下空间电磁场仿真计算
本文依据所做课题选取地下油罐空间作为模型,因此在地下做一圆柱形空间,圆柱中心线在y轴正下方,内部为空气,圆柱尺寸如图3所示。
计算模型采用直角坐标系,仿真计算采用式 ( 1) 和式( 2) 所示雷电流模型,雷电流峰值假设为60k A。雷电回击通道位于z轴 ( 如图3 ) ,y轴上方为空气,下方为土壤,其介电常数[7]见表1。
对图3中A、B、C、D、E五点进行取样,得到电磁场各分量如图4 ~ 6,其中Ex,Hy,Hz分量为0。
通过图4 ~ 6可以看出,对于地下空间而言,接近雷击通道以及地面的一侧电磁场的数值偏大。就电场而言,相比于地上空间几百千伏每米的数量级, 地下空间的电场强度明显减小,可见地面起到了一定的屏蔽作用,但屏蔽并不彻底,其最大值仍可达到几千伏到几十千伏。比较同一点的Ey与Ez分量, 可以看到Ey明显大于Ez,因此地下空间中的电场防护以径向为主; 比较五点电磁场可以发现,在地下空间中电磁场横向分布规律与地上相似,而纵向上空间内部电场( 点D) 要大于其与土壤接触位置( 点B,D) 处的电场。
通过以上模拟可以看出土壤并不能完全屏蔽掉雷击产生的电磁场,因此对于地下油罐等存储易燃易爆物品的装置,仍然需要对装置进行防雷设计; 对于地下的一些应用到微电子技术的行业场所,感应雷防护更加不容忽视。
当前的生产生活中为避免建筑物直接遭受雷击,多数采用主动引雷的手段,如避雷针等。连接它们的接地引下线可以近似视为雷电回击通道,这样基本能够确定一个区域的雷击点。根据以上分析, 地下空间建设中对电磁场反应较敏感的元器件应放在下面,且距离接地引下线( 雷击点) 较远的一侧; 对于横向分布的电路应避免与接地引下线成径向, 如不可避免则应在电路入设备端安装相应的器件泄放径向电路中感应的雷电过电压和过电流。
3线缆终端负载的雷电感应电压和电流仿真计算
如今人们的各种活动都离不开电力系统,当发生雷击时,用电设备本身的电气特性会使其对雷击电磁场产生耦合,因此除了连接用电设备的线缆外, 还需要对线缆终端负载进行研究,计算其耦合雷电电磁脉冲所产生的感应电压和感应电流,以便采取措施,减小雷电危害。
本文采用FDTD方法进行仿真,计算模型如图7所示,雷电回击通道位于z轴,线缆垂直雷电通道水平放置,两端采用500Ω 负载接地。仿真计算采用式( 1) 和式( 2) 所示雷电流模型,雷电流幅值设为100k A,线缆直径设为1cm,长度为50m,距离雷电回击通道50m,高度为5m,负载上的雷电感应电压和感应电流如图8所示。
从图8可以看出,雷击点附近线缆终端负载上可以产生很强的电磁耦合,电压可达数百千伏,电流可达到数百安,感应电压或电流达到极值后不像雷电流有一个相对较长的波尾时间,而是迅速下降,在雷电流后期有一个较低水平的振荡过程。一般的防雷手段往往只注意对峰值电压或电流的泄放,对电子器件来说,低水平的振荡过程也可能将其击毁,而防雷器件在较低的电压或电流水平却基本不反应。 因此需要对负载雷击感应进一步研究,以完善设备对于感应雷的防护。
由图8可以看出,感应电压和电流脉冲主要发生在雷电流波头时间段,为研究雷击时负载感应电压和电流大小与雷电流波头时间的关系,本文取1.2μs波头时间的雷电流继续对上述模型进行模拟, 雷电基电流如图9所示,仿真结果如图10所示。
比较图8和图10可以发现,负载感应电压和电流的大小与雷电流波头时间有关。当雷电流幅值相等时,波头时间减小,负载感应电压和电流增大,这一规律对于不同地区的防雷工作具有一定的价值。
4结论
1) 本文采用北京地区实测雷电流进行FDTD仿真,计算雷击时地下圆柱形空间中的电磁状况,得出土壤并不能完全屏蔽掉雷击时产生的电磁场,并得出地下电场分量Ey的强度要大于Ez,地下电场防护以径向为主。
2) 对线缆终端负载进行雷击电磁场耦合,得到了负载上感应电压和感应电流的数值水平,并从感应曲线上看出感应电压和感应电流在尖峰过后会有一个足以对大多数自动化系统产生危害的振荡过程。