架空导线耦合雷电电磁波实验与分析

通过传输线模型的理论分析,利用理论推导与实验相结合的方法,采用架空导线耦合模拟雷电进行实验。结果表明,当雷电回击通道中雷电流在5~29 kA范围时,架空导线耦合雷电电磁波形成的过电压幅值随雷电流的增大呈线性增加;耦合的能量随雷电流的增大呈幂函数关系增加;并且随导线长度的增加,耦合到的过电压和能量均减小;随导线截面积的增大,耦合到的过电压和能量均增大。     

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。     

地闪回击辐射场波形的重构及地闪放电参量的估算

根据地闪回击传输线电流模式重新确立了地闪回击辐射场与电流之间的关系式,并在观测实验的基础上,重构了不同距离范围内(15～50km,50～100km,100～150km)的地闪回击辐射场波形,重构波形与实测波形之间有很好的一致性。同时在合理的假定下,将回击辐射电场与电流之间的关系进一步推广到先导过程,并估算了地闪先导放电过程中的三个参量。发现首次回击前最后一个先导脉冲电流为2.7kA,通道的电荷密度为(0.135～1.35)×10-3C·m-1,负地闪回击过程中和电荷量为2.06C。     

一种雷电感应过电压的快速算法及其精度检验

本文基于B-P方程、Rusck方程和Agrwal耦合模型,开发出一种架空线雷电感应过电压的时域快速算法.利用该算法研究了不同参数对雷电感应过电压的影响,并利用2-DFDTD算法对其计算精度进行全面检验.结果表明:①首次回击电流产生的感应过电压的峰值较大,波头陡度小;继后回击电流产生的感应过电压的峰值较小,而波头陡度更大...     

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。     

揭阳地区雷电流幅值特征及累积概率公式分析

为研究揭阳地区雷电流幅值特征,本文利用2017－2020年揭阳地区雷电流数据,通过数理统计和matlab拟合工具箱,研究分析了雷电流幅值时间分布规律及幅值累积概率特征。结果表明：近4年揭阳地区共发生地闪回击62806次,其中0－200 kA幅值的回击次数占比约为99.81 %,正、负地闪回击频次随雷电流幅值变化整体呈现先增加后减少趋势。正地闪回击幅值大值区月份出现在3月和11月,负地闪回击幅值大值区月份为3月和10月,随着季节的推移,正地闪回击幅值大值区的出现时段逐渐推迟;负地闪回击电流幅值的大值区多出现在00:00－10:00。对比分析了IEEE和DL/T幅值累积概率推荐公式曲线,IEEE推荐公式曲线与实际值分布曲线基本重合,并得出了揭阳地区雷电流幅值累积概率拟合公式,与实际值的误差值介于-0.006－0.0005,为揭阳地区的防雷减灾工作提供参考。     

0.1~40 MHz地闪、 云闪及NBE事件的辐射场频谱特征分析

利用宽带傅立叶分析法对2008年7月30日和8月4日两次雷暴过程中, 距离观测点5~20 km范围内的55次负地闪回击过程, 33次云内闪电过程以及20次双极性窄脉冲事件（NBE）的电磁辐射信号进行了观测分析, 得到地闪回击、 云闪放电初始阶段以及双极性窄脉冲事件在0.1~40 MHz频带宽度下的电磁辐射能量谱密度。结果表明, 这三类闪电放电过程的辐射频谱波形均呈现出随频率增加、 幅值减小的趋势, 但在辐射强度和衰减速率上存在一定的差异。负地闪回击幅频波形在6~28 MHz频段上衰减速率相对缓慢; 云闪初始阶段在全频带上始终遵循f-1.2~f-1.4之间的衰减率递减, 且其频谱幅值与地闪回击的辐射能量谱幅值相差不大; NBE事件在0.1~40 MHz频带中辐射能量谱幅值基本都明显大于其他两类闪电放电过程, 特别是在10 MHz以上的HF、 VHF频带上其差异可达到20 dB。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

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。     

架空线路雷电感应过电压估算与分析

根据雷击时雷电电磁场作用于架空线路的特点,通过建立计算模型推导出雷击点距架空线路任意位置的雷电感应过电压估算公式,对架空线路高度、架空线路距雷击点距离、架空线路旁被雷击物体的高度,以及上升先导长度等各类参数对雷电感应过电压的影响进行了分析,研究了与DL/T620-1997＂交流电器装置的过电压保护和绝缘配合＂标准中架空线路上的雷电过电压估算公式的关系,试图为建筑物内电子和电气设备损坏的原因进行定量分析以及更好地进行线路上的雷电防护设计提供帮助。     

湖北省地形特征对雷电参数的影响

根据2007—2019年湖北省地闪监测数据、地表覆盖数据以及数字地形高程数据，采用数理统计方法，分析研究了地表覆盖类型、海拔、坡向、坡度4类地形信息数据与闪电频数、正闪比例、地闪回击强度、地闪回击陡度等雷电参数的关系。结果表明：①建成区单位面积闪电频数和小幅值地闪比例较高，分别为87.1 次/km2和8.6％；②耕地区和水域区地闪回击陡度值较高；③湖北省地闪回击主要集中在海拔0～700 m、坡度0.5°～35°，地闪回击密度随海拔增加呈减少趋势，地闪回击强度平均值随海拔增加呈现先增加后减少的趋势，地闪回击陡度平均值随海拔增加而减少；④坡向朝南或朝东地闪回击密度较高，坡向朝南或朝北地闪回击强度平均值较高；⑤不同坡度区间和海拔区间雷电参数的变化规律较为一致。     

闪电通道垂直假定引起回击辐射场峰值计算误差分析

利用高速摄像系统观测的闪电通道和利用分形方法模拟的闪电通道,分析了通道的垂直假定对回击辐射场峰值计算的影响。结果表明,回击电磁场随方位角的变化非常明显,在距闪电通道几百米距离,误差可达2倍;在1km处,闪电通道的垂直假定对时域回击辐射场峰值计算的相对误差最大为50%左右,平均小于10%。随距离的增加,误差逐渐减小。     

大兴安岭林区负地闪电荷源的反演

在中国东北大兴安岭林区进行了基于全球定位系统(GPS)时间同步的闪电地面电场变化多站观测.利用2010年7月14日一次过境雷暴多站同步的闪电电场变化资料,采用非线性最小二乘拟合法对雷暴成熟阶段的15次负地闪(包含57次回击和8次连续电流过程)中和的电荷源进行了拟合.大兴安岭林区负地闪单次回击中和的电荷量平均为1.0C(范围为0.1-5.0C),20%的继后回击中和电荷量大于首次回击,继后回击与首次回击中和电荷量的比为0.1-6.1,平均为0.8±1.0.单次连续电流中和的电荷量平均为3.8C(范围为0.4-7.3C),连续电流期间通道中的平均电流估计为25.3A(范围4.9-50.8A),一次负地闪中和的总电荷量平均为6.4C(范围为1.4-12.4C).负地闪回击和连续电流中和电荷源的高度分布与雷暴云的发展有关,对应的环境温度为-10--25℃.在雷暴成熟阶段前期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的高度从5.0km缓慢上升至10.5km;在雷暴成熟阶段后期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的平均高度从9.0km下降到6.0km,单次回击中和的电荷量也较前期减小约一个量级.与雷达回波的叠加显示,负地闪回击和连续电流中和的电荷源主要位于大于40dBz的强对流中心区,部分位于30-40dBz的强回波区边缘或较弱的回波区.     

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%。     

合肥地区地闪特征

根据观测资料 ,分析了利用闪电辐射场信号大容量采集系统观测到的合肥地区地闪回击特征。结果表明 ,每次地闪回击数频率分布并不表现为简单的指数衰减特征 ,回击数在 5次以下的各回击数出现频率几乎相当 ,单次回击地闪的比重只有约 1 5 %。平均地闪回击数为 4 .2次 ,观测到的最大回击数为 1 6次。地闪回击归一化电场强度近似服从对数正态分布。 1 69例首次回击平均电场强度为 9.3V·m- 1 (归一化到 1 0 0km ,下同 ) ,485例继后回击的平均电场强度只有 4 .5V·m- 1 。 480例继后回击与首次回击场强之比平均为 0 .6 ,有 1 8%地闪过程至少有一次比首次回击强的继后回击。相邻两次回击间隔时间呈现对数正态分布特征。观测到的最短回击间隔为 1 .6ms ,约 30 %的回击间隔 >1 0 0ms,在40～ 1 0 0ms之间的回击间隔比重约为 50 %。回击间隔时间与间隔前后回击相对强弱之间存在系统性的变化趋势 ,当两次回击间隔在 40ms以下时总是以‘前强后弱’的回击组合占主导地位 ,相反 ,当回击间隔时间增加到 >1 0 0ms时 ,约 55 %的回击间隔表现为‘前弱后强’的回击组合。     

广东一次雷暴过程负地闪先导的电学特征分析

利用 0 .0 8μs时间分辨率的大容量慢天线电场变化测量系统在广东从化地区一次雷暴过程中观测得到的 44次负地闪电场变化波形 ,对负地闪回击前 2 0 0 μs内的先导电场变化波形进行了分析。发现负地闪首次回击前的先导电场变化波形 ,按最后一个先导脉冲与相应回击间电场变化特征大致可分为三类。通常负地闪先导过程由若干脉冲式变化组成 ,首次回击前先导脉冲间的平均时间间隔为 1 5.8μs(均方差 5.3μs) ;继后回击前直窜 -梯级先导脉冲间的平均时间间隔为 9.4μs(均方差 5.5μs)。首次回击前最后一个先导脉冲与首次回击间的平均时间间隔为 1 2 .7μs(均方差 7.8μs) ,最后一个先导脉冲幅值与回击峰值之比的平均值为0 .1 (均方差 0 .0 4 ) ,且两者之间有很好的相关性 ,并用回击传输线模式对这一关系进行了解释。     

基于LLS的多回击地闪及其雷电流幅值分布特征

为进一步研究多回击地闪参数分布特征, 以便为雷电防护工程设计和雷电物理研究提供参考, 根据湖北省雷电定位系统(LLS)2007年1月—2018年12月监测资料, 采用计算机编程处理和数理统计方法, 对多回击地闪次数、多重回击次数和不同类型多回击地闪雷电流幅值等参数进行了统计分析。结果表明: 多回击正地闪、负地闪和总地闪次数占其地闪总数的百分比分别为2.06%、34.76%和32.64%, 多重回击次数分别占其回击总数的0.01%、0.42%和0.40%, 多回击负地闪回击次数占多回击总地闪回击总数的99.69%。首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪分别占多回击地闪总数的82.52%和57.87%;在多回击地闪后续回击中, 正地闪约有9%的后续回击强度大于首次回击强度, 负地闪约有20%的后续回击强度大于首次回击强度。多回击正地闪和负地闪中值电流分别为59.30 kA和35.10 kA, 首次回击分别为90.90 kA和40.00 kA, 后续回击中分别为43.90 kA和33.00 kA。首次回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率分别为44.06%和4.64%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值大于100 kA的累积概率最大分别为52.21%和7.94%;后续回击中, 多回击正地闪和负地闪雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率分别为41.80%和69.92%, 首次回击强度大于后续回击强度的多回击负地闪, 雷电流幅值小于等于40 kA的累积概率最大为77.71%。多回击正地闪和负地闪后续回击与首次回击中值电流的比值分别为0.48和0.83。拟合得出的不同类型的多回击正地闪和负地闪雷电流幅值累积概率公式, 拟合效果显著; 拟合公式中a值附近的雷电流幅值累积概率与b值呈显著正相关关系。      

平凉黄土高原地闪VHF辐射特征分析

利用亚微秒级时间分辨率的VHF辐射接收系统与快电场变化测量仪,对甘肃平凉黄土高原雷暴过程中地闪VHF辐射及相应电场变化特征进行了分析研究,发现负地闪回击前VHF辐射与快电场变化在时间上有很好的对应关系。回击前后300μs内的VHF辐射波形可以归纳为三种类型,90%的负地闪首次回击过程VHF辐射波形属于第三类,表现为连续脉冲贯穿回击过程,平均持续时间为600μs;同负地闪相比,正地闪回击过程产生的连续辐射持续时间较长。统计表明,负地闪首次回击过程辐射峰值出现在回击启动后10~100μs,算术平均值为45μs;继后回击启动后10~260μs辐射达到峰值,算术平均值为91μs。首次回击过程辐射峰值强度往往大于梯级先导过程,与回击主峰后主通道分支产生的电磁辐射较强有关。     

基于FDTD的不同土壤类型及湿度对雷电电磁场传播影响的研究

为深入研究土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播效应的影响, 首次将工程勘察领域研究得出的土壤湿度和电导率计算关系应用到雷电电磁场模拟计算中。基于Heidler雷电通道基电流函数模型和MTLL回击模型, 在Mur一阶边界条件下, 利用2D-FDTD计算粘土、粉土和砂土这三种具有代表性土壤在不同土壤湿度和观测距离下的雷电电磁场。研究结果表明: 相比于粉土和砂土, 雷电电磁场沿粘土地表传播过程中产生的水平电场更容易受土壤湿度的影响, 特别是土壤湿度较低时, 即土壤湿度从5%到6%变化过程中, 水平电场峰值的波动幅度达39.86%;当土壤类型为粘土时, 水平电场E_r、垂直电场E_z和磁场H_φ受土壤湿度影响等级为E_z > H_φ; 随着闪电电磁辐射传播距离和土壤湿度的增大, 场幅值减小, 波形的波头上升沿时间变慢。研究结果为准确评估和量化不同土壤类型和土壤湿度对雷电电磁场传播的影响以及优化闪电站网定位提供了重要的科学依据。      

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。