地闪回击的微秒级辐射场特征及近地面连接过程分析

利用１μｓ时间分辨率的慢天线电场变化仪在甘肃中川地区雷暴过程中测量得到的大量地闪辐射波形资料，对地闪回击辐射场特征及回击的慢前沿过程进行分析，发现１８次正地闪和８５次负地闪首次回击前沿过程上升时间分别为１９．２μｓ（方差６．１μｓ）和９．４μｓ（方差３．９μｓ），８４次负地闪继后回击的前沿过程为４．３μｓ，方差为３．１μｓ；正地闪首次回击的前沿过程占回击峰值的３０％～７０％，负地闪首次回击和继后回击前沿过程分别占回击峰值的２０％～６０％和１０％～３０％。正地闪首次回击的峰值电流和闪击距离均大于负地闪首次回击，前者分别为５６．０８ｋＡ和１３７．２ｍ，后者分别为１６．９２ｋＡ和６２．８ｍ，因此正地闪对地面物体危害较大。对回击前沿过程进行简单分析后，认为它是一个较复杂的过程，可能开始于向下的先导接近地面时连接过程开始的瞬间，之后电流波在连接点处同时沿相反方向上下传播，直到向下的电流波接近地面为止。

计算地闪回击电流水平电场的混合法

提出了一种计算地闪回击电流水平电场的混合法。混合法采用近似镜像法计算接近地面的电流产生的水平电场 ,采用表面阻抗法计算高处电流产生的水平电场 ,有效地克服了雷电水平电场近场计算的困难 ,提高了计算精度 ,扩大了计算范围。数值计算结果验证了混合法的有效性。

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。

基于Biexponential基电流传输线通道模型的地闪回击近场电磁环境

地闪回击过程中产生的雷电电磁脉冲作为一种场强幅度大,频谱分量复杂的高功率电磁脉冲,其在回击近场区会形成极为复杂的电磁环境。随着微电子技术的快速发展,微电子设备电磁敏感度大大提升,从三维空间入侵的雷电电磁脉冲对于电子及电气设备的电磁危害不仅限于干扰其正常工作,更有甚者会造成设备的损毁。利用基于Biexponential基电流函数的传输线通道模型,模拟地闪回击物理过程以研究回击近场区综合电磁环境。研究结果表明:利用基于时域有限差分法的XFDTD电磁场仿真软件,可以便利地获得形象直观的回击近场区三维电磁场分布情况。回击近场区复杂的电磁环境会严重影响电子设备的正常运行,近场区LEMP的电磁危害不可小觑。

基于地闪回击与LLS的OPGW雷击定位精度分析

OPGW雷击监测作为一种较好的输电线路本体雷击监测手段,其雷击定位准确性无法得到现场验证。文章基于OPGW光纤传感雷击监测装置现场实测的雷击数据,通过与雷电定位系统(LLS)结果数据的横比,以及同一雷击多次地闪回击定位结果的纵比,分析OPGW雷击定位的精度与稳定性;并验证导数模极大值波头标定算法用于OPGW雷击定位的有效性。统计结果表明:OPGW雷击定位与LLS定位结果误差基本保持在1~2基塔以内,且多次地闪回击定位结果基本一致。说明OPGW雷击定位具有较高的现场应用参考价值。

地闪回击电磁场分布特征

建立了空间计算模型,利用MATLAB编程实现了时域有限差分法(FDTD)法对闪电回击空间电磁场的计算和分析。结果发现:随着与闪电回击通道距离的增加,垂直电场的幅值有明显的减弱,波形也有明显的变化,在较远处,波形出现明显形态异常变化,随着高度的增加,垂直电场幅值也变小,波形变缓,但在距离较近的时候表征更为明显;水平电场幅值比同距离下垂直电场小很多,随着高度、距离的增加,电场减弱显著,且曲线形态趋于平缓;径向磁场除了随着距离的增加幅值在减小,不管距离远近,高度的高低,波形变化都不明显。

近10年咸宁地闪回击特征分析

以咸宁2007—2017年的雷电定位系统(ADTD)数据为基础,利用数理统计等方法分析了咸宁六个县市区地闪回击次数、回击密度、回击强度的时间和空间变化特征。结果表明,咸宁地闪回击以负极性居多,占总地闪的90%以上。3—9月是雷电集中高发期,午后至傍晚是雷电活动最活跃时段;北部平原地闪回击密度较南部山区高,平均电流强度低于山区;南部山区总地闪回击次数较北部多,通山县年平均回击次数达到8873次。咸宁地闪回击密度的地区差异性分布可能与地形和局地小气候有关。

多回击地闪特征参数及其对直流线路故障的影响研究

基于浙江和西藏两地区的地闪活动观测资料,分析、对比了两地地闪参数的特征,并建立了多回击地闪雷击线路仿真模型,计算分析了地闪特征参数对线路动作特性的影响。结果表明,浙江地区的多回击地闪百分比、地闪回击次数、地闪持续时间、回击时间间隔和地闪回击强度等参数均要大于西藏地区,两地多回击地闪的地闪持续时间大于500ms的比例和后续回击大于首次回击的比例均不可忽视;多回击地闪作用下的线路耐雷水平与单次回击作用下的线路耐雷水平相等,线路的重启失败率随着多回击地闪的地闪回击次数增大和地闪持续时间的延长而呈现先增大后减小的趋势;适当延长线路重启过程的去游离时间以及增加线路重启次数,有助于提高多回击地闪作用下线路的重启成功率。

基于雷电定位系统和实测的多回击地闪雷电流参数及模型分析

多回击地闪可能造成同一输电线路连续遭受多次雷电冲击,进而引起线路重合闸失败,以及变电站内断路器和避雷器等设备事故。传统以单次雷击设计线路和变电站雷电防护的方法已不足以对现有输电线路和变电站进行很好的防护。为此,依据广东省内12年雷电定位系统数据及人工引雷数据,研究多回击地闪雷电流参数及模型,为线路和变电站的雷电防护提供基础参数和模型。广东地区12年内雷电定位数据统计分析表明:多回击地闪占比为52.58%,而负地闪占多回击地闪的96.84%;正负极性多回击地闪平均频次为2.2和4.1次,时间间隔的平均值分别为140 ms和103 ms;对此提出负极性雷电流幅值概率分布公式。最后,结合人工引雷试验的后续雷击雷电流波形参数及拟合函数、IEEE和GB 50057—2010标准等推荐的首次回击的波形参数,提出可以应用于防雷设计的多回击地闪雷电流参数及模型。

基于雷电定位系统的雷电多回击地闪参数统计及影响因素分析

根据2010—2021年广东省雷电定位系统(lightning location system,LLS)数据,以不同定位站数的筛选方式对多回击地闪参数进行统计,发现随着选取的定位站数增加,多回击地闪的占比、雷电流幅值和时间间隔增加,由此指出:开展多回击地闪次数及占比统计时应选取定位站数S≥2,避免大部分小雷被忽略;开展雷电流幅值统计时应选取定位站数S≥3,确保雷电流幅值精度。对比分析人工引雷时LLS测量的雷电流幅值差异,发现雷电流幅值越大,LLS中能监测到雷电流的定位站数越多,此时LLS测量的雷电流幅值与人工引雷测量结果的偏差越小。选取定位站数S≥3,统计分析多回击地闪中首次回击雷电流幅值与后续回击的关系及其变化趋势,发现首次至后续回击雷电流幅值中值依次递减、回击时间间隔依次递增,但随着回击次数的增加,所有后续回击的雷电流幅值大于首次回击的概率呈现先增大后略减小的趋势,由此提出后续回击雷电流幅值大于首次回击雷电流幅值的概率计算公式。

一次多回击闪电过程的物理特性分析

利用西藏那曲无狭缝光栅摄谱仪获得的一次多回击云对地闪电光谱,研究了各放电通道的温度及其变化。结果表明,一次闪电不同回击过程的通道温度有明显差异,闪电前期的温度通常较高,之后呈逐渐降低趋势。将闪电光谱与同步电学观测资料相结合,讨论了光谱特征、通道温度与闪电放电特性、电流热效应的相关性。数据分析显示,光谱总强度与辐射电场的变化幅度成正比;光谱总强度与放电电流的大小成正比;通道温度与回击过程传输的能量为正相关。

多回击负地闪先导通道的辐射和光学特征

利用闪电VHF窄带干涉仪辐射源定位系统和高速摄像系统,对青海大通地区一次有5次回击的负地闪放电过程进行了同步观测,对比分析了通道传输过程的辐射和光学特征。结果表明,光学通道亮度能补充VHF干涉仪定位先导通道的电流特征,VHF干涉仪定位弥补了光学设备拍摄弱放电和云内流光通道的不足;在通道分枝结构上,干涉仪定位的通道和光学通道呈现出很好对应。干涉仪定位分枝通道的辐射源点较明显,但分枝光学通道的出现明显落后于干涉仪定位辐射源通道。对用两种不同观测手段探测的先导通道进行速度计算,发现两者计算的直窜先导和直窜梯级先导速度量级一致,均为106 m·s-1,但干涉仪在时间的获取及精确量化上有优势,干涉仪定位计算先导速度的精确度高于光学通道定位。

基于不同频段的地闪回击脉冲波形的定位结果差异性分析

笔者选取了2018年8月3日发生在南京地区的一次正地闪放电过程,利用6站同步的VLF/LF(甚低频/低频)三维闪电探测数据,重点分析了不同频段的地闪回击脉冲波形的定位结果差异性。首先,针对这次地闪回击的原始时域波形,利用巴特沃斯滤波器进行了回击频域信号的任意提取,分别为10 kHz~50 k Hz、10 k Hz~100 kHz、10 kHz~200 kHz、10 kHz~300 kHz、10 kHz~400 kHz、10 k Hz~500 kHz,从而得到不同频段的回击时域波形。然后,基于上述不同频段的地闪回击时域波形,分别利用互相关、逐峰法、10%峰值法和50%峰值法这4种最常用的TOA(time of arrival)时差定位方法,对比分析这4种不同时间差获取的定位结果的差异性。结果表明:如果以探测站获取的原始波形数据得到的位置作为参考,则利用互相关法和10%峰值法在上述不同频段内的定位结果距离参考位置基本比较接近,互相关法定位结果更优;50%峰值法和逐峰法的定位效果总体上比互相关法和10%峰值法要差一些。

多回击地闪下变电站雷电侵入波的仿真建模及防护

雷击是造成输电线路跳闸的主要原因之一,多回击地闪占总雷击地闪的30%~50%,多回击地闪下可能出现连续多个雷电流侵入线路,造成变电站设备损坏,因此有必要开展雷电多回击地闪参数及波形研究,以及连续雷击下变电站设备雷电侵入波建模及防护方法研究。首先,搭建考虑沿线电压、电流传播特性的人工引雷试验平台,进行人工引雷试验,测量引流杆多回击地闪雷电流波形参数和引出线的电压、电流分布;然后,基于实测多回击地闪雷电流波形,开展线路遭受连续雷击下变电站设备过电压等参数的电磁暂态仿真分析,将仿真结果与实测值进行比较,分析误差范围及原因;基于实测后续回击雷电流波形,针对某220 kV变电站开展多回击地闪雷击下站内设备电压、电流及避雷器能量的仿真分析,研究多回击地闪参数对站内设备绝缘设计的影响,并提出相应的防护措施。

湖北ADTD闪电定位系统监测数据质量分析

为了提高ADTD闪电监测系统监测数据的业务应用质量和效率,使用湖北省2006—2019年该系统闪电监测数据,采用网格法、雷击案例验证法和定性分析法,对多个高层建筑附近地闪分布规律和全省时空分布规律进行了统计分析,并通过雷灾事故对定位精度进行了验证。结果显示:(1)选取的湖北地区4个高层建筑周边地闪回击次数高值区与高层建筑实际位置均有偏差,偏差距离在190~1548 m之间,偏差方位角无固定规律;(2)4个高层建筑参考点和雷灾事故实际雷击点与闪电监测系统对应的定位偏差数据显示,该系统在平原地区定位平均误差为539 m,山区定位平均误差为1384 m,山区定位误差明显大于平原地区;(3)该系统监测数据的时空分布特征与湖北降水特征以及湖北周边省市同类监测系统监测数据的一致性较好,雷电流累积概率特征与IEEE推荐的分布规律拟合度较高,说明该系统监测到的主要参数具有一定的准确性。

香港地区地闪时空分布特征及其影响因素

通过对香港地区2006—2012年闪电定位数据、气象参数和海拔高度等相关数据的统计及相关性分析,对香港地区的地闪活动时空分布特征及其影响因素进行研究。结果表明,香港地区2006—2012年的地闪发生次数最多的是2010年,最少是2011年,每年地闪高发日的天数对地闪活动年际变化起到了关键性作用。地闪活动的发生主要集中在4—9月,逐月地闪回击次数与气温、相对湿度、降雨量及CAPE均呈现显著的正相关关系。地闪活动的日变化特征主要受到地闪高发日闪电活动、海陆热力差异及太阳辐射变化的综合影响,正、负地闪回击次数的日变化峰值均出现在01时。香港西部地区的正地闪回击密度明显高于东部,而负地闪回击密度的高值中心主要集中在海拔较高的山区。香港地区正、负地闪回击密度均随海拔的升高而有所增加,且六座典型山峰周围的负地闪回击密度与海拔高度在空间分布特征上具有很强的相似性。

2011-2021年安徽省闪电时空分布特征分析

利用2011—2021年安徽省地闪资料,对全省闪电时空分布特征进行统计分析。结果表明:负地闪为安徽省地闪主要类型,占地闪总数的94.02%,每年5—9月是闪电活动高发期,8月闪电频次最大,但地闪回击电流峰值最小,正地闪比例随总地闪发生次数的减少而增多。日变化特征中,闪电多发时段为14—19时,与强对流天气活跃时段对应,平均地闪回击电流峰值波动相对较小,最大值出现在06时。全省地闪平均密度为1.72次/(km2·a),空间分布呈南高北低特征,与地闪回击电流峰值分布大致相反。对安徽省总地闪频次进行主成分分析表明,前5个特征向量累计方差贡献达到90.05%,能够全面反映安徽省闪电整体异常结构,全省闪电活动及频次变化趋势基本一致,但南北存在明显差异,空间分布型可划分为全省一致型、大别山区型、江淮东部型、江南江北型和沿淮型,安徽省南部地区的水汽条件、热力条件和触发机制均优于北部地区,更易发生雷暴等强对流天气。

海-陆混合路径对雷电电磁场传播的影响

利用Barrick等效表面阻抗法和Wait近似算法等研究了粗糙海-陆混合路径对雷电电磁场传播的影响。结果表明,当雷电发生在海面,电磁辐射场沿海-陆混合路径传播时,即使在陆地部分的传播长度仅为几十米,对2MHz以上甚高频的衰减也不容忽视,陆地部分对电磁场传播的影响远远大于海面。因此,利用海面对雷电电磁波谱进行测量,需要考虑海-陆混合路径传播的影响。如果关注的频率超过10MHz,还需要考虑海浪的影响。

中国东北地区红色精灵的母体雷暴分析

红色精灵是发生在雷暴云上空的一种瞬态发光事件(Transient Luminous Events,TLEs),它们由地闪回击或与连续电流共同作用产生,这表明了对流层和低电离层之间的直接耦合关系。中国大陆的红色精灵观测研究主要在华北地区开展,为了进一步研究中国中高纬度地区的红色精灵现象,并揭示其与母体雷暴之间的相关性,故2017年夏季在吉林辽源开展了观测实验。本文介绍了利用低光度相机在东北地区捕捉到的26例红色精灵事件,并结合闪电定位、天气雷达等同步观测数据,对红色精灵及其母体雷暴特征进行了分析。结果表明,在26例红色精灵事件中,有17次(约2/3)产生于一次尺度较大的中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS),其余(约1/3)的红色精灵事件分别由三次尺度相对较小的中尺度对流系统诱发产生。红色精灵母体闪电均位于对流核心边缘区域,中尺度对流系统对流区后无大面积层状云降水区。此外,吉林辽源及安徽合肥同步记录的电磁场脉冲信号表明上述红色精灵事件均由正地闪回击产生。

钦州市某风电场雷电时空分布特征分析

利用钦州市2010—2021年二维闪电监测资料,分析钦州市钦南区某风电场附近闪电活动时空分布特征。结果表明:(1)风电场升压站周边区域5km范围内雷击大地密度分布不均匀:(2)风电场升压站周边区域6月的雷电频数最高,雷电小时强度也较高,表现为雷电发生更加密集,对输电线路造成很大影响。3风电场升压站周边区域内雷电活动春、秋季较少发生,冬季极少发生,夏季、初秋经常发生。(4)风电场升压站5km范围内各月负极性雷电流强度均略小于正极性雷电流或与之持平,但考虑到负极性雷占全年各月雷击总数的绝对多数,基数庞大,仍有相当数量的中度强度雷电流或者极端大强度雷电流雷击,仍要充分重视。