基于人工触发闪电试验雷电流的频谱分析

通过对人工触发闪电试验实测雷电流的初始连续电流、8次回击以及回击间的连续电流等过程的数据进行FFT傅里叶变换,获得雷电流频谱参数,再对频谱参数进行累加分析,得出频谱特征,为雷电流频谱研究提供参考。分析结果表明实测雷电流幅值和能谱主要集中在1 MHz以下频段,在0~100 kHz频段与标准雷电波形8/20(μs)频谱很接近,均为50%以上。对于通信系统,可通过LC分流法阻止1 MHz以下频率的电波侵入,能消除掉90%以上的闪电电涌能量。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

山东人工引发雷电综合观测实验及回击电流特征

山东人工引发雷电实验 （SHATLE) 自2005年开始, 六年来共成功引发负极性雷电22次, 包含大电流回击过程88次, 实验获取了包括雷电放电通道底部电流、近距离电磁场、 高速摄像等在内的高质量同步观测资料。对36次实测回击电流的统计分析表明, 回击峰值电流的几何平均值为12.1 kA, 最大值为41.6 kA, 最小值为4.4 kA。回击电流波形的半峰值宽度范围在1～68 μs之间, 电流10%～90%峰值的上升时间几何平均值为1.9 μs, 中和电荷量为0.86 C, 作用积分（action integral, 或称比能量) 为2.6 ×103A2?s。人工触发闪电峰值电流约16.5 kA的回击在30 m处产生的电场变化可达56.0 kV/m, 60 m处的磁场几何平均值为52 μT。一些强烈的M分量可以具有与回击相当的电流峰值和中和电荷量。人工引雷初始阶段上行正先导的发展速度约为0.96×105 m/s。     

基于人工触发闪电的开关型SPD性能试验

基于火箭人工引雷,对安装于低压架空配电线路上的开关型SPD进行性能试验。试验中发现,人工触发闪电的初始连续电流过程和回击过程在低压架空线路上感应出的正、负极性过电压在数值上相当,M过程感应出的正、负极性过电压在数值上差异较大,其中回击过程感应过电压幅值最大,均为10.23 kV。对应初始连续电流过程、回击过程和M过程,开关型SPD动作呈现出明显的点火、电弧、熄弧等过程,泄放雷电流的残压持续时间达毫秒量级。回击过程对应的SPD动作过程中存在明显的工频续流,M过程由于电流和能量都相对较小,工频续流过程不明显。雷击电磁脉冲在架空线路上耦合引起的过电流波的波前时间和波尾时间较实验室采用的8/20μs模拟雷电感应波的波前时间和波尾时间大很多倍,其对SPD的考验更残酷。     

2006—2011年广州人工触发闪电

2006—2011年夏季在广州野外雷电试验基地开展了广东综合闪电观测试验 (GCOELD)。试验期间,针对人工触发闪电进行了近距离声、光、电、磁特征等综合测量,对自动气象站电源线和信号线上产生的感应电压特征进行了观测和分析,并对广东省地闪定位网的探测效率和定位精度与人工触发闪电进行了比对和校验。试验结果表明:人工触发闪电回击峰值电流范围为-31.93~-6.67 kA,回击电流波形的半峰宽度的范围为6.18~74.19 μs,10%—90%的上升时间范围为0.24~2.25 μs。触发闪电的上行正先导的发展速度在104~105 m/s量级;人工触发闪电的回击过程在架空电源线路 (1200 m长,2 m高) 上产生的感应过电压可达十几千伏;广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件的探测效率为95%,平均定位误差为759 m,闪电定位系统反演得到的电流峰值与实际测量的电流峰值平均相对偏差为16.3%。     

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4 %;微波亮温脉冲幅度的最大值约125 K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

一次触发闪电先导头部引起的低压架空线路SPD过电压特征

为了研究闪电先导头部对低压架空线路的感性过电压的影响,在广州野外雷电试验基地架设试验线路,基于一次人工触发闪电,对架设的安装氧化锌SPD的低压架空配电线路的感应过电压和闪电快电场的特征进行分析。通过分析得出如下结论:(1)每次回击在SPD残压前都有明显的初始正极性脉冲出现,脉冲峰值234.8~1 463.5 V,平均值757.3 V;(2)低压架空线路的感应过电压初始正极性脉冲变化可以分成3种不同的类型,分别为波动型、突变型和振荡型,正极性过电压脉冲幅值与先导向地面发展的电场变化密切相关。     

基于LLS的雷电流波头时间分布特征

利用湖北省2007—2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的雷电流相关参数资料,采用数理统计方法,对雷电流波头时间的年、季、月、日变化以及累积概率和概率密度分布进行了统计分析。结果表明,正闪电平均波头时间为4.8μs,负闪和总闪电为3.6μs;一年中,正闪电7月波头时间最短,月变化特征大致呈"V"形;负闪和总闪电5—7月波头时间比其他月份短,月变化特征大致呈"U"形。正闪电波头时间季节、日变化明显,负闪和总闪电季节、日变化不明显。波头时间小于等于10μs时,正闪、负闪和总闪电的波头时间累积概率分别为95.5%、99.7%和99.6%,总闪电95%的波头时间大于1.5μs,50%的大于3.1μs,5%的大于6.0μs。波头时间在2~3μs时,正闪、负闪和总闪电的概率密度最大。气温较低月份,波头时间相对较长,反之,波头时间相对较短,其原因可能与雷电流幅值大小有关,具体原因有待进一步研究。     

一次触发闪电地电位抬升引发的氧化锌电涌保护器损坏事件分析

基于触发闪电开展了电流注入地网后地电位抬升反击氧化锌电涌保护器的试验研究。结合真实雷电环境下测量的电涌保护器两端残压和流经电流的数据, 对一次触发闪电引发的氧化锌电涌保护器损坏事件进行了分析。分析发现, 电流注入地网后, 回击过程瞬间的大能量和长连续电流过程累积的能量相互叠加共同作用损坏了氧化锌电涌保护器。回击发生时, 较大的地电位抬升反击特别是电压的快速上升阶段, 氧化锌电涌保护器内部半导体结构(晶界层或晶粒)很容易遭到局部破坏, 形成穿孔, 电压波沿着破坏的晶界层“漏洞”迅速通过, 氧化锌电阻片失去钳制作用, 而当电压缓慢下降时, 电压在氧化锌电涌保护器内部晶界层的分布趋于均匀, 没有损坏的晶界结构又恢复了氧化锌电涌保护器的钳制功能。长连续电流过程形成的残压较小, 但其持续时间很长, 可达几十甚至上百毫秒, 事件中多次致使SPD钳制功能的失效。4次回击过程地电位抬升反击流经氧化锌电涌保护器的电流峰值最大为7.1 kA, 平均值5.4 kA, 占触发闪电注入电流的28.9%。流经SPD的电量范围0.15~0.58 C, 平均值0.44 C, 其值大于8/20 μs标称放电电流20 kA单脉冲释放的电量(0.37 C)。      

人工触发闪电电流及磁场变化特征对比

对2006年山东人工触发闪电实验中获取的一次传统触发闪电的电流及60 m处的磁感应强度变化波形对比分析的结果表明,Rogowski线圈和磁场测量系统记录到的波形很类似.这次闪电共包含两次回击,回击的时间间隔约为34 ms.两次回击的电流幅值很大,分别为41.6 kA和29.6 kA,在60 m处产生的磁感应强度变化分别为133μT和97μT,通过磁感应强度反演得到两次回击的电流分别为39.8 kA和29.1 kA,与Rogowski线圈的实测结果基本一致.另外,回击之前放电过程中仅出现了两个脉冲,利用所测磁感应强度反演得到两个脉冲对应的电流分别为2.11 kA和2.7 kA,与Rogowski线圈的实测结果2.1 kA和2.8 kA基本一致.     

人工触发闪电不同放电阶段电流特征关系

分析了2019年夏季在广州从化人工引雷试验场获取的14次人工触发闪电通道底部电流数据,以有无回击(RS)和初始连续电流(ICC)持续时间长短2个标准对数据进行分类,研究不同触发闪电和不同放电阶段的差异和规律。研究表明:相比无回击的触发闪电,产生回击的触发闪电具有更大的先驱放电脉冲(PCP)及初始先驱放电脉冲(IPCP)的平均峰值电流、更多的IPCP总体转移电荷量、更大的ICC平均电流和总体转移电荷量以及更长的ICC持续时间;初始连续电流持续时间是回击平均峰值电流大小、首次继后回击转移电荷量大小和首次继后回击峰值电流大小的重要影响因素,且长初始连续电流的触发闪电对应的PCP及IPCP平均峰值电流也更大、平均转移电荷量也更多;PCP和IPCP平均峰值电流与ICC持续时间相关性最强,是决定ICC放电持续时间的重要因素,未能产生初始连续电流的PCP脉冲簇其平均转移电荷量小于初始先驱放电脉冲簇,其转化的关键阈值之一是平均转移电荷量大于25.91 μC。     

闪电定位真实地表修订算法的检验评估

采用2017年中国气象局雷电野外科学试验基地的广东闪电综合观测试验(简称:GCOELD)的人工触发闪电观测数据,对粤港澳大湾区的闪电定位探测误差进行评估,并进一步检验真实地表的地形修订算法的可靠性。结果表明:(1)针对36次人工触发闪电事件的回击过程,粤港澳闪电定位网的探测效率为61.11%;距离探测误差平均值约为348.7 m,雷电流在(0～5 kA]的回击,探测精度最低。(2)利用人工触发闪电数据对真实地表修订算法进行检验,发现真实地表修订算法对闪电定位误差的修订效果明显,平均修正误差为145.7 m,修订后的位置更接近真实的闪电发生的位置。     

广州高建筑物雷电回击光脉冲特征分析

为了深入认识负地闪放电过程中光辐射信号的特性, 对广州高建筑物雷电观测站所获得的回击光脉冲波形进行了分析。对观测到的88例负地闪事件中的184次回击(包括60次下行闪电首次回击、58次下行闪电继后回击、66次上行闪电继后回击)的光脉冲特征进行了统计分析, 结果表明: 下行闪电首次回击光脉冲10%~90%上升时间T₁的算术平均值/中值为32.5/31.4μs, 20%~80%上升时间T₂的算术平均值/中值为22.6/22.4μs, 半峰宽度T₃的算术平均值/中值为131.1/117.0μs。下行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为30.4/27.7μs, T₂的算术平均值/中值为19.5/17.6μs, T₃的算术平均值/中值为153.6/142.6μs。在21例下行多回击负地闪事件中, 光脉冲回击间隔时间在12.6~368.6 ms范围之间, 算术平均值为78.7 ms, 有14%闪电事件存在继后回击光脉冲峰值大于首次回击的情况。上行闪电继后回击光脉冲T₁的算术平均值/中值为27.5/24.3μs, T₂的算术平均值/中值为17.0/15.7μs, T₃的算术平均值/中值为132.2/124.5μs。总体上, 下行闪电首次回击的光脉冲上升时间最长、下行闪电继后回击次之、上行闪电继后回击最小; 下行闪电继后回击脉冲半峰宽度比下行闪电首次回击及上行闪电继后回击的更大。      

人工触发闪电中的M分量特征

利用2005-2008年期间在山东开展的人工触发闪电试验中所观测到的通道底部电流、不同距离垂直电场及高速摄像光学资料,对人工触发闪电10次回击之后的33次M分量电流波形进行了分析.结果表明,典型的M分量电流波形具有较对称的结构特征,峰值电流的几何平均值为743 A(标准偏差为0.55);波形10%～90%上升时间的几何...     

基于高时间分辨率快电场变化资料的北京地区地闪回击统计特征

利用2014年北京闪电网观测到的4站及以上同步高时间分辨率闪电快电场变化资料,对北京地区5次雷暴过程中304次正地闪和1467次负地闪的回击特征进行了统计分析,主要包括:回击次数、10%~90%上升时间、下降时间、半峰值宽度、回击间隔、回击峰值电场强度、回击间隔和回击序数的关系等。结果表明,正、负地闪中单回击地闪所占比例分别为91.1%和24.2%,单次负地闪的平均回击次数为3.8次,观测到的最大回击数可达20次。304次正地闪首次回击的10%~90%上升时间、下降时间和半峰值宽度的算术平均值分别为4.2μs、14.5μs和6.2μs;29次正地闪继后回击对应值分别为3.6μs、12.6μs和5.7μs;1467次负首次回击的对应值分别为2.4μs、23.9μs和5.3μs;4109次负继后回击的对应值分别为1.7μs、19.5μs和3.4μs。正、负地闪回击间隔的几何平均值分别为106 ms和59 ms。负地闪回击间隔呈对数正态分布,平均回击间隔随着回击序数的增加有逐渐减小的趋势。最后,还对70次正回击、421次负首次回击和789次负继后回击峰值电场进行了统计,将其归一化到100 km的平均值分别为11.2 V/m、7.2 V/m和5.0 V/m。平均来看,负地闪首次回击峰值电场比继后回击峰值电场大1.4倍,但是有23.5%的继后回击峰值电场大于其对应的首次回击。     

低压弱电系统浪涌保护器的选择

1　雷电波特征　　雷击时的能量主要集中体现在首次雷击波对应的库仑量或焦耳量,因此GB50057—94把首次雷击波形(即10/350μs)作为雷电流的波形,而8/20μs波形并非自然界所具有的波形,它是对碳化硅(SiC)压敏电阻做绝缘冲击电压实验时,短路电流近似于8/20μs波形,故把8/20μs定为模拟测试波形。雷电波是行进波,存在波阻抗,波形在传输过程中半波时间只会被展宽而不是变窄,8/20μs波形,不是感应雷波形,在选用SPD时,应尽量选用10/350μs波形测试的SPD的参数为准。而以8/20μs波形测试SPD的各参数不能真实地反映SPD在遭受雷击时的特性。2…     

一次人工触发闪电连续电流特征分析及其在防护工程中的应用

对一次火箭人工触发闪电的连续电流波形特征进行了分析。结果表明,此次人工触发闪电电流不仅包括了初始阶段连续电流过程,还出现了6次明显的回击间连续电流过程。通过分析发现,初始阶段连续电流持续时间为165 ms,最大负极性脉冲为-5.6 k A,中和电量约26.0 C。回击间连续电流过程持续时间最大值为330 ms,中和电量最大能达到51.1 C,相当于标准中的长时间雷击,其产生的热效应和危害更应值得关注。此外,在分析回击间连续电流时发现,回击后出现了较为明显的中间电流和连续电流过程,也就是标准中对应的B过程和C过程。     

深圳市气象观测梯度塔雷电流测量配置及初步结果

深圳市气象观测梯度塔自然闪电观测平台开展雷电流采集系统、高速摄像系统、大气平均电场测量、磁场测量、快慢电场测量等多要素的观测实验。主要介绍雷电流测量配置及前期测量遇到的问题,并提出了对采集系统进行浮地处理以及针对雷电测量设计的防护隔离解决方案,初步分析了测量结果、具体分析了雷电流C20170504-1的波形特征,指出该次自然雷击电流陡度较大且继后回击强度显著高于IEC62305给出的防雷设计的雷电流参数值。     

广东地区野外雷电观测和人工引发雷电试验获得成功

为促进雷电科研和业务的发展，中国气象科学研究院雷电物理与防护工程实验室与广东气象局联合于2006年7月3日至8月31日在广东从化地区进行了野外雷电观测和人工引雷试验。试验在3个场地同时进行，其中两个场地以人工引雷及其观测为主，另一个场地以自然闪电观测为主，同时在远距离对人工引雷试验进行辅助观测。试验中利用了大量先进的观测及采集设备，对自然闪电和人工触发闪电的电场、磁场、电流、辐射场、频谱和光学等特征进行了同步测量，