先导—回击模型与人工触发闪电特征参数计算

在关于地闪通道的“先导模型”和“同击模型”基础上，建立了“先导-回击模型”，并利用该模型对2005年8月2日3次人工触发闪电中观测到的12次直窜先导和继后回击过程的慢电场变化资料进行了闪电通道特征参量的计算。计算结果发现：3次人工触发刚电的高度分别在8．68、4．48和10．59km；直窜先导过程的电荷线密度范围为49．3～130．05μC／m；先导发展平均速度范围为0．23×10^7-1．48×10^7m／s：先导平均电流范同为0．14～1．87kA；先导通道电压范围为7．94-20．33Mv；继后同击中和的电荷量范围为0．16～1．21C：继后回击过程的回击平均速度范围为2．61×10^7～11．86×10^7m／s；回击平均电流范围为1．56—12．59kA。分析表明，“先导-同击模型”降低了对观测点站数和观测环境的要求，同时对通道具有较强的计算能力。

几种闪电回击模型

介绍了 5种闪电回击模型 ,并在指定通道底部电流情况下对其进行了分析、比较。在这些模型的基础上 ,当设定底部电流波形时 ,可计算通道中的电流和电荷的分布以及由其产生的电磁场。

两种雷电回击模型的比较性研究

应用时域有限差分法(FDTD)计算了传输线模型(TL)和细导线模型这两种雷电回击模型的雷电通道中的电流分布及周围的雷电电磁脉冲(LEMP).两种模型得到的结果都与相关文献中其他作者的结论进行比较,另外对这两种模型下的计算结果进行对比讨论,得到了一些有用的结果.

基于FDTD算法的分布式串联电感雷电回击模型特性研究

雷电通道模型被广泛用于低电离层的瞬态光学发射、雷电高能辐射、地球电磁环境以及雷电与各种对象的相互作用的研究中。介绍基于麦克斯维尔方程组的串联分布式电感模型,通过采用时域有限差分法(FDTD)对麦克斯韦方程进行数值求解以获得雷电通道的电流分布。为了获得所期望的雷电波传播速度及回击通道等效阻抗,在空气介质中的回击通道路径上加载离散化的电感。计算结果表明,在一定范围内合理选择分布式电感参数可以使雷电回击模型呈现获得所期望的电磁特性。

天线回击模型计算回击过程通道附近磁场的实验验证

前人已将基于天线理论建立的闪电回击模型(AT)就回击过程的远区电磁场计算结果与其他回击模型,如传输线模型等及实验数据进行了详细的对比验证,得到较为吻合的结果。但针对闪电通道附近磁场并未进行实验验证,为验证AT模型在该距离上磁场计算的有效性,2015年在山东滨州中国科学院大气物理研究所的野外人工触发闪电实验基地设计并实施了相关实验,为了数据的可靠,在距离闪电通道55 m和78 m两点分别设置了磁天线采集闪电回击磁场。基于2015年夏天的一次成功人工触发闪电实验中采集的距离闪电通道55 m和78 m的磁场数据,与基于CST Studio建立的AT模型的仿真磁场(55 m和78 m)在时域和频域上对比,都得到较好的吻合结果,从而说明在AT模型在闪电通道近区针对回击过程磁场环境的仿真计算是可靠的。

基于脉冲函数电流模型对闪电回击电磁场的计算

基于一种新的描述回击通道底部电流的脉冲函数模型 ,利用偶极子法对距离回击通道底部不同距离处的 LEMP进行了计算。把几种闪电回击的工程模型的计算结果与实测结果进行了比较 ,表明 MTLL模型能够与实际结果更为吻合。

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。

基于分布式串联电感雷电回击电磁模型的电流分布及辐射电磁场研究

雷电通道模型被广泛用于低电离层的瞬态光学发射、雷电高能辐射、地球电磁环境以及雷电与各种对象的相互作用的研究中,以确定电磁辐射源。雷电回击电磁模型采用麦克斯韦尔方程组进行全波求解,计算结果具有自洽性。本文对基于串联分布式电感雷电回击模型进行了研究,采用时域有限差分法(FDTD)获得通道中电流的时空分布,通过偶极子法计算相应的辐射电磁场。计算结果表明,分布电感值在2~10μH/m范围时,雷电流传播速度在c/3~2c/3范围之间;分布电感值越大,则雷电流传播速度越小,近区的辐射电场强度越高,同时其电场强度随距离的衰减也越剧烈;辐射磁场对分布电感值变化不敏感。

雷电回击DU模型等效电路仿真

从雷电对系统产生影响的实际出发,研究了国际上较通用的雷电回击模型,将其归纳为两大类,指出了雷电回击模型的共性特点及建立理想雷击模型的基本要求。以DU模型(由Deindorfer和Uman在1990年提出的一种雷电回击模型)为基础,建立雷电通道的等效电路,在PSCAD/EMTDC上进行仿真运行,重构了雷电回击电流波形曲线,将仿真得到的对地雷电流波形与原始实测电流波形特征参数比较,证明了该等效电路用于雷电研究的有效性。

雷电回击的工程模型

雷电防护的研究必须归根于雷电本身,即雷电物理学的理论研究。同时又要注重将这些理论成果转化为雷电防护工程的依据,以适用于工程的数学形式表达。本文参考国内外关于雷电放电及其回击通道模型文献,介绍了负地闪的雷电回击模型概念,主要论述了其中各常用的工程模型。工程模型是在对自然雷电观测基础上,忽略其中的次要特性,注重用数学语言来近似表达雷电一方面的特征。这就简化了模型的复杂程度,便于利用到雷电防护工程设计及其防护器件的研究中。

雷电回击参数对回击电磁场计算的影响研究

基于BG,TL,MTLL,MTLE和TCS5种模型,研究了雷电回击通道高度、回击速度和大地电容率对雷电回击电磁场的影响。计算中5种模型采用相同的通道基电流波形,通过计算总结了几种参数对回击电磁场的影响。

基于斜向通道模型的雷电电磁场近场近似特性

为获得更加接近实际情况的近区雷电电磁脉冲场(LEMP)波形,利用偶极子理论对基于斜向放电通道模型产生的地表LEMP场进行了理论研究。通过近似处理,得到了基于TL模型的地表LEMP近场及其导数的一阶、二阶近似解析表达式。采用脉冲函数表示通道基电流,对比了精确表达式与近似表达式计算的电磁场及其导数波形,结果表明:在距回击通道50m以内,电磁场及其导数波形分别与近似电磁场及其导数波形基本符合;在相同距离内,电场与其一阶近似之间的偏差比磁场与其一阶近似之间的偏差小,电场与其二阶近似之间的偏差比磁场与其二阶近似之间的偏差大,且这些偏差都随着水平距离的增加而增加。

地表近区雷电回击电磁场的计算与特征分析

为了揭示雷电回击电磁场导数与回击通道底部电流导数之间的内在联系,基于传输线(TL)模型从理论上对地表近区雷电回击电磁场导数和回击通道底部电流导数进行了研究。用偶极子法精确计算电磁场的结果表明,在距离雷电回击通道50m范围内,电场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合;在距离雷电回击通道200m范围内,磁场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合。由此可得出结论:近区回击电磁场导数的波形与雷电回击通道底部电流导数的波形近似。

地表近场LEMP与回击电流的近似性

由于闪电近区电磁场的瞬时性和高强度的特点,致使其不易测试,其波形也难以捕捉。为了对闪电近场电磁波进行模拟,从理论上对雷电电磁脉冲(LEMP)的地表近区波形和回击通道底部电流的波形进行了探索。用解析方法近似推导近区LEMP的表达式得出,近区LEMP波形与回击通道底部电流波形近似;用偶极子法精确计算近区LEMP的结果表明,在100 m以内磁场波形与近似计算结果基本吻合,在50 m以内,电场波形与近似计算结果基本吻合。计算结果验证了解析推导近似的可行性,证明<50 m的地表近区,LEMP场波形与回击通道底部电流波形相似。这为闪电地表近场电磁波的模拟提供了理论依据。

雷电回击通道电流影响因子仿真分析

雷电回击模型是雷电电磁场研究领域的重要环节,为了能够更深层次的研究雷电电磁场,着重介绍了雷电回击模型中的工程模型,并结合目前电磁兼容领域应用最广泛的通道电流随高度变化呈指数衰减(MTLE),选取Heidler函数为雷电回击通道底部电流波形,运用MATLAB进行仿真分析,改变模型中的参数,观察仿真波形,总结MTLE模型的特点及雷电回击通道电流的影响因子,有助于雷电防护事业的进一步探讨。

地面建筑物(群)对地闪回击电磁环境的影响

为了研究地闪回击电磁辐射受周边建筑的影响,进而提高闪电探测效率,建立建筑、闪电通道空间一体化计算模型,基于TL雷电回击电流模式,采用时域有限差分法对单建筑和多建筑的情况进行数值计算。结果显示：对有无环境建筑存在磁场的变化不明显,而电场的变化十分显著;建筑的存在对建筑前后电场存在一定削弱作用,尤其是多建筑时,处于中间区域的电场减少的更为显著;无论单建筑还是多建筑建筑顶端的电场明显增大,并且当建筑高度一定时该增大比例在一个较为稳定的区间。

雷电电磁场空间分布模型

雷电对航天航空、国防军事等领域的设备、设施有着极大的威胁,但是,国内外的大多数研究都局限于地面建筑物与电子设备的雷电防护。针对这种情况,推导出空间任意场点处的雷电电磁场计算表达式。该表达式反映了雷电电磁场和雷电流回击速度、雷电流大小以及场点高度等多个因素的关系。数值仿真计算了地面场点附近的雷电电磁场,与实际的雷电电磁场的变化规律相吻合,验证了模型的可行性,可作为进一步研究雷电与飞行器在空间的交互作用的理论基础。

雷电回击速度非单调变化对电场波形的影响分析

针对回击速度的非单调变化,采用回击通道分段的思想,建立了速度非单调变化条件下的回击工程模型,并检验了该模型的有效性与准确性.基于变速度的回击工程模型,分析了回击速度非单调变化对电场的影响,发现回击速度主要通过影响电场辐射场分量来改变回击电场波形,并导致回击电场出现次峰现象.文中还分析了回击速度的不同变化趋势对电场波形的影响和速度峰值所在高度不同时电场的变化规律.结果表明:当速度峰值所对应高度不变的情况下,回击速度增长越快,电场曲线次峰的上升段越陡;速度衰减越慢,次峰之后的凹陷程度越不明显;速度峰值所在高度越低,电场次峰出现越早,表明回击速度的变化对回击波形的精细结构有显著影响.通过建立变速度的回击工程模型,可加强对电场波形精细结构的理解与认识.

雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的电磁干扰

为研究雷电脉冲电磁场对电站敏感设备的干扰情况,研究了雷击大地时近场和远场区脉冲电磁场特性,对比分析了不同回击模型的计算结果;提取雷电脉冲电磁场中的有效干扰分量,与标准规定的电磁兼容阈值进行比较。考虑到设备外壳及墙体的屏蔽效能,结合广东地区雷电活动统计规律,分析了不同距离和通道电流下发生雷击地面时的电磁干扰情况以及发生故障的概率。结果表明,在20 dB屏蔽效能下,距离敏感设备中心300 m外区域发生雷击时,雷电流幅值>150 kA时才可能导致设备外壳端口的电磁干扰超标;考虑距离电站200 km范围内的所有雷电情况,20 dB屏蔽效能下站内敏感设备发生雷电电磁干扰的总电磁干扰超标概率为0.006次/a;40 dB屏蔽效能下的超标概率为2.2×10-5次/a。

LEMP空间表达式求解及分布规律研究

利用偶极子理论对Maxwell方程组进行了求解,得到了垂直通道与斜向通道模型的雷电电磁场解析表达式。基于此表达式分析了不同高度处雷电电磁场的空间分布规律。研究结果表明,在垂直通道与斜向通道模型中,垂直电场和磁场受观测点高度的影响随水平距离的增加而减小,但是对水平电场而言,在垂直通道模型中其初始峰值随着观测点高度增加而增加,在斜向通道模型中,当观测点在通道下方时电场峰值随着观测点高度的增加而增加,当观测点在通道上方时高度越高电场峰值越小。