一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法技术

本发明专利技术公开一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法，通过Barbosa

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法


[0001]本专利技术涉及一种电磁空间感应分析
，具体为一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法。

技术介绍

[0002]雷电以脉冲形式产生强雷电流，使周围空间的磁场发生变化，引起很强的电磁辐射，对电力、通讯、石油化工、铁道交通等领域的电子设施造成不同程度的损坏。利用计算方法来计算脉冲空间对目标设备产生的感应过电压，为保护电子设备提供理论依据，计算出的过电压数值结果可为脉冲防护提供参考数据，如此达到预防和减少脉冲感应过电压对电子设备造成损失的目的。
[0003]由麦克斯韦方程组得出的电磁场来计算目标位置空间感应过电压的方法存在计算过程复杂，时域计算量大，计算时间长的问题。后对麦克斯韦方程组进行二维时域有限差分算法(2D FDTD)的简化和其他学者的修正后，空间感应过电压的计算时间由几小时缩短至十几秒。虽然计算结果准确且计算速度获得明显提升，但是仍然存在计算迭代量大，计算过程复杂的问题，十几秒的计算速度仍不利于该算法在工业领域的实际应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中为保护电子设备而计算出的因雷电产生的过电压数值，其计算速度慢仍不利于该算法在工业领域的实际应用等不足，本专利技术解决的技术问题是提供一种可提高该算法的工业实用性的脉冲空间感应过电压时域快速计算方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法，包括以下步骤：
[0007]1)通过Barbosa
‑
Pailino方程计算出脉冲信息在目标位置的水平电场参数；通过Rusck方程计算出脉冲信息在目标位置的垂直电场参数；利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压进行时域计算；
[0008]2)对Agrawal电场耦合模型进行新的换算、假设和推导，形成时域有限差分中值迭代计算方法，并验证计算速度。
[0009]步骤2)对Agrawal电场耦合模型进行新的换算、假设和推导，具体为：
[0010]201)对步骤1)中利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压的时域计算公式进行化简；
[0011]202)假设在
△
x步长下传输线缆的等效阻抗为
△
Zg，将同空间条件等时间步长的电压与电流相除，将相除后商值近似等于传输线缆阻抗的假设条件，并将电流步长逆电流方向位移半个空间步长，补充至与电流步长相对应；
[0012]203)通过边界函数确定传输线缆两端点电压。
[0013]201)对步骤1)中利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压的时域计算公式进行化简，具体为：
[0014][0015]化简得：
[0016][0017][0018]其中，A和B为化简量，Δt为时域离散后的时间步长，Δx为时域离散后的空间步长，为时域离散后的空间n点在k时间点的电流，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的电流，为时域离散后的空间n点在
△
k时间差的电流差，为时域离散后的空间n
‑
1点在k时间点的电流，为时域离散后的空间步长
△
n点在k时间差的电流差，为时域离散后的空间n点在k时间点的电压，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的电压，为时域离散后的空间n点在
△
k时间步长差的电压差，为时域离散后的空间n+1点在k时间点的电压，为时域离散后的空间步长
△
n在k时间点的电压差，L0为单位长度传输线缆的电感值，C0为单位长度传输线缆的电容值，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的水平电场分量，为时域离散后的空间n点在k时间点的水平电场分量，k为时域离散后空间点，n为时域离散后时间点，为以水平电场为自变量的化简函数，E
n
为化简函数的自变量。
[0019]步骤202)具体为：
[0020]假设在
△
x步长下传输线缆的等效阻抗为
△
Zg，将表达式(22)与表达式(23)相除，得：
[0021][0022]采用表达式(24)中相除后商值近似约等于传输线缆阻抗的假设条件，并将电流步长逆电流方向位移半个空间步长，补充至与电流步长相对应，即得出表达式：
[0023][0024]对上式变换可得：
[0025][0026]将和展开整理可得：
[0027][0028][0029]204)将电流位移半个步长，由此得出同一时间和空间步长下的n
‑
1，n和n+1三个点的电压值关系，如下：
[0030][0031]步骤203)通过边界函数确定传输线缆两端点电压，边界函数如下：
[0032][0033]其中，Z0为传输线近雷端阻抗，Z
L
为传输线远雷端阻抗，近雷端感应过电压由近雷端感应过电流和近雷端入射电压U
inc
(0)计算得出，远雷端同理；
[0034]利用Agrawal场线耦合理论构建BLT方程可得：
[0035][0036]其中Γ0为近雷端信号反射系数，Γ
L
为远雷端信号反射系数：
[0037][0038]Z
C
为传输线特性阻抗，Z
C
＝120
·
log(2h/r
′
)；
[0039]和为激励源，其表达式为：
[0040][0041]上式中，e为自然常数；γ为传输线缆传播常数；由此，可以求出通过矩阵计算，得出和
[0042]随后将化简参数代入
[0043][0044]并进行逐步长迭代，可得：
[0045][0046]推导出
[0047][0048]其中，为迭代计算中的n次迭代量，n＝1,2,
……
L
‑
1；
[0049]通过逐层推导出所有点在k步长时刻的电压值。
[0050]本专利技术方法还包括以下步骤：
[0051]采用中值计算的方法，对公式(34)直接利用边界条件进行步长L
′
/2计算：
[0052][0053]初次计算时
[0054][0055]多次计算后得出：
[0056][0057]或
[0058]如此进行反复计算，直至L
′
等于需要计算的位置，对计算结果进行线性幅值修正，即可算出感应位置的感应过电压U(x)。
[0059]本专利技术具有以下有益效果及优点：
[0060]1.本专利技术算法通过时域有限差分中值迭代计算方法解决了同类算法中多项式迭代次数多，迭代参数冗余，迭代计算量大的缺点，减少了迭代计算次数，提高计算速度，且算法的编程更易于实现，由此提高了该算法的工业实用性。
附图说明
[0061]图1为时域离散差分后参数空间分布图示；
[0062]图2为时域离散差分后电流步长逆电流方向位移半本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲空间感应过电压时域快速计算方法，其特征在于包括以下步骤：1)通过Barbosa
‑
Pailino方程计算出脉冲信息在目标位置的水平电场参数；通过Rusck方程计算出脉冲信息在目标位置的垂直电场参数；利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压进行时域计算；2)对Agrawal电场耦合模型进行新的换算、假设和推导，形成时域有限差分中值迭代计算方法，并验证计算速度。2.根据权利要求1所述的脉冲空间感应过电压时域快速计算方法，其特征在于：步骤2)对Agrawal电场耦合模型进行新的换算、假设和推导，具体为：201)对步骤1)中利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压的时域计算公式进行化简；202)假设在
△
x步长下传输线缆的等效阻抗为
△
Zg，将同空间条件等时间步长的电压与电流相除，将相除后商值近似等于传输线缆阻抗的假设条件，并将电流步长逆电流方向位移半个空间步长，补充至与电流步长相对应；203)通过边界函数确定传输线缆两端点电压。3.根据权利要求2所述的脉冲空间感应过电压时域快速计算方法，其特征在于：201)对步骤1)中利用Agrawal电场耦合模型对感应过电压的时域计算公式进行化简，具体为：化简得：化简得：其中，A和B为化简量，Δt为时域离散后的时间步长，Δx为时域离散后的空间步长，为时域离散后的空间n点在k时间点的电流，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的电流，为时域离散后的空间n点在
△
k时间差的电流差，为时域离散后的空间n
‑
1点在k时间点的电流，为时域离散后的空间步长
△
n点在k时间差的电流差，为时域离散后的空间n点在k时间点的电压，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的电压，为时域离散后的空间n点在
△
k时间步长差的电压差，为时域离散后的空间n+1点在k时间
点的电压，为时域离散后的空间步长
△
n在k时间点的电压差，L0为单位长度传输线缆的电感值，C0为单位长度传输线缆的电容值，为时域离散后的空间n点在k+1时间点的水平电场分量，为时域离散后的空间n点在k时间点的水平电场分量，k为时域离散后空间点，n为时域离散后时间点，为...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾怡帅，肖茂波，王洪涛，杨力，陈聪，程恩伏，王友章，刘志刚，单聚榕，田浚，关庆阳，刘浩，
申请(专利权)人：沈阳铁路信号有限责任公司，
类型：发明
国别省市：