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%上升时间的几何平均值为241μs（标准偏差为0.46）;M分量的半峰值宽度的几何平均值为318μs（标准偏差为0.36）;M分量持续时间的几何平均值为1.1 ms（标准偏差为0.24）。人工触发闪电的回击与其后发生的M分量相比,波形明显偏窄,M分量的幅值明显小于回击。对M分量参数之间的相关性分析表明,M分量的上升时间、半峰值宽度和持续时间3个参数之间具有很好的相关性,上升时间与半峰值宽度和持续时间的相关系数分别为0.84和0.73;持续时间和半峰值宽度的相关系数为0.7。M分量的峰值电流与半峰值宽度、上升时间和持续时间之间具有负相关性,相关系数分别为-0.47,-0.45和-0.37。

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明:M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520μs,305μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。

人工触发闪电M分量的电流与电磁场特征

利用2008—2010年在广州从化人工触发闪电试验中观测到的闪电通道底部电流、近距离电场以及近距离磁场数据资料,对人工触发闪电M过程的电流和电磁场特征及相关性进行了分析。统计分析结果显示:M分量电场波形持续时间和10%~90%上升时间几何平均值分别为0.49 ms和0.12 ms;电流波形持续时间、10%~90%上升时间和电流变化的几何平均值分别为0.53 ms,0.11 ms和0.34 kA;磁场波形持续时间、10%~90%上升时间和磁场变化的几何平均值分别为0.65 ms,0.16 ms和2.76×10^(-5)T。此外,M分量的电流、电场及磁场波形间存在一定的相互关系。相关分析结果表明:M分量的电磁场与电流资料在峰值幅度上具有较显著相关性,几何形状也较为一致,利用电磁场资料反演M分量的电流波形具有可行性。

两种类型M分量物理特征和机制对比

综合分析人工触发闪电通道底部的电流数据和电场变化数据,获得对M分量的新认识。M分量的幅值、上升时间、半峰值宽度、转移电荷量的几何平均值分别为301 A,341μs,662μs,0.207 C。但发现有两种类型的M分量,其统计特征和分布特征均体现了较大差别。第1类M分量幅度较小,半峰值宽度较大,上升时间较长;第2类M分量则幅度较大,半峰值宽度较小,上升时间较短,两类M分量和回击的时间间隔有较大差异。采用双波放电模型,通过设定不同入射电流波速度和反射电流波速度,对两类M分量进行从电流到电场的反演。结果表明:当模拟电场和测量电场比较一致时,第1类M分量的入射速度和反射速度的比值大于第2类M分量,即两类M分量的放电机制具有一定差异。

闪电M分量光谱特征及通道温度和电子密度特性

利用无狭缝光栅摄谱仪记录的一次闪电首次回击后3个M分量的光谱资料,分析了其光谱特征.并结合等离子体理论,首次计算了闪电M分量内部核心通道和周围电晕层通道的温度和电子密度.研究了这两个物理量沿通道的变化特性,并与相应回击放电进行了对比.结果表明:闪电M分量的光谱特征相比回击的光谱特征有明显差异, M分量通道的光辐射主要来自红外波段的光谱线. M分量放电过程中内部电流核心通道的温度可达40000 K,电子密度数量级为10~(18) cm~(–3).周围电晕层通道的温度为20000 K左右,电子密度比核心通道的电子密度小一个数量级. M分量内部核心通道的温度随通道高度的增加而减小,周围电晕层通道的温度随通道高度的增加而增大.在内部核心通道,电子密度随高度基本保持不变.在周围电晕层通道,通道顶端光强明显增大的两个M分量其电子密度随通道高度的增加而增大,顶端光强增加较弱的一个M分量其电子密度随通道高度基本保持不变.而相应的回击放电,其内部电流核心通道和外围电晕层通道的温度均随通道高度的增加而增大,电子密度均沿通道基本保持不变.

峰值电流达几千安量级的闪电M分量放电特征及机理探讨

利用2009年山东人工触发闪电实验获取的实测雷电流资料、近距离电场和高速摄像资料,分析了6次峰值电流达几千安量级的M分量.6次M分量均对应闪电通道中明显的发光亮度的脉冲式变化,持续时间小于1ms.M分量的电流波形和近距离电场波形均呈较为对称的V形,且波形的上升时间均为几十微秒,同步记录结果显示,电场先于通道底部电流发生变化且先达到峰值.这些M分量在发生前,闪电通道中存在一定的连续电流,通道的导电性优于先导-回击过程.M分量发生前的闪电通道状况是影响其电流幅值、上升时间等参数的重要因素.根据电流和电场同步波形判断,M分量起始于由上向下发展的过程,该过程在接地后仍继续发展增强,并在地面发生反射过程,下行过程和反射过程的相互作用可能随高度而变化.

2008—2014年广东人工触发闪电电流特征

闪电电流数据对雷电物理研究和雷电防护设计有重要参考价值,相比自然闪电电流难以直接精确测量,人工触发闪电技术是获得精确可靠雷电流信息的有效途径。为此,统计分析了2008—2014年广东野外雷电综合观测试验39次人工触发闪电中测量得到的106次回击(RS)、70次连续电流(CC)、374次M分量、32次初始连续电流(ICC)以及528次初始连续电流脉冲(ICCP),并和国内外相关结果进行了对比。给出了人工触发闪电各个子放电过程的详细电流特征,包括几何平均值、上升沿时间、上升沿陡度、半峰值宽度、转移电荷等。比较结果表明:广东试验测得回击峰值电流的几何平均值强于加拿大CN塔上行负极性闪电;相比Florida人工触发闪电,广东试验测得ICC转移电荷量更大,平均电流强度更强,但持续时间接近,典型参数特征的统计结果在同一量级;高建筑物上行闪电的ICC脉冲具有更大的电流幅度、更短上升时间、更短的半峰宽度以及持续时间。试验结果显示:M分量幅值是ICC脉冲的3倍,上升时间和半峰宽约为ICC脉冲的1/2,且转移电荷量高于ICC脉冲;存在部分M分量,相比通常的M分量和ICCP,它们幅值较大、上升时间较短、半峰值宽度较窄、转移电荷量较大。

基于触发闪电的共用地网雷电流分布观测及分析

对于雷电流在地网上分布的研究大多是基于理论分析,为此,通过野外试验并结合ATP-EMTP仿真分析了雷击共用地网时雷电流的分布情况。研究结果表明：共用地网模型中连接地网的2条扁钢分流到远端地网电流5次回击幅值和电量平均值分别为-1.2 k A和-0.24 C,分别占注入触发闪电的7.8%和27.0%;波前时间平均值和波尾时间平均值分别为22.0μs和149.2μs,分别是注入触发闪电的44倍和16倍;触发闪电电流中的一次幅值为-19.3 k A的M分量分流到远端地网时波形和注入闪电电流相似,与回击分流到此的电流也较为相似。仿真与实测结果对比发现：回击过程分流的幅值和波前时间与实测结果相符合,但波尾时间模拟结果有明显的差异;M分量模拟结果与实测整体波形都比较符合,效果优于对回击过程的模拟。触发闪电电流注入后,共用地网远端M分量电流幅值衰减比例要远小于回击过程,而其波形与回击类似,M分量对远端地网分流和地电位升高的危害应值得关注。

1次人工触发闪电引起的临近地网电位升高及其特征分析

为了研究近距离闪电发生时临近地网地电位升高的电压特征,对1次触发闪电过程中2个相距40 m的地网地电位升高电压的观测数据进行了分析。研究结果表明:(1)3次回击对应的地电位升高电压峰值范围为-9.0kV^-15.4 kV,均在亚μs时间内快速下降形成次峰,下降幅度分别为51.1%、51.9%和53.9%,之后缓慢下降;(2)11次M分量引起的地电位升高电压峰值范围为-0.3 kV^-3.0 kV,平均为-1.0 kV;10%~90%上升时间范围为14.0μs^776.6μs,平均为190.7μs,与对应触发闪电电流特征基本一致;半峰宽度范围为49.6μs^1 005.4μs,平均为317.9μs,是对应雷电流参数平均值的1.5倍;(3)回击过程地电位升高电压峰值与雷电流峰值及雷电流陡度的相关系数分别为0.96和0.98,回击阶段的地电位升高是由雷电流在土壤中的泄放和感应耦合共同作用的结果;M分量过程地电位升电压峰值与雷电流峰值及雷电流陡度的拟合系数分别为0.99和0.73,M分量引起地网地电位升高主要是由雷电流在土壤中的泄放引起的,感应耦合的作用是第2位的。长连续电流叠加M分量会使临近地网的地电位升高电压长时间维持在较高水平,这是临近地网地电位反击导致浪涌保护器(SPD)损坏的重要原因。

共用地网地电位升高观测及特征分析

地电位反击造成设备的损坏和人员生命安全是非常值得关注的问题。基于人工触发闪电,布置了共用地网的试验模型,通过引流杆注入真实雷电流,测量了共用接地情况下接地体的地电位升高电压,并对比分析了闪电回击和M分量放电过程引起地电位升高电压的波形特征。结果表明：获得触发闪电（T201514）7次回击和16次M分量上升沿10%～90%时间分别为0.4μs和279.7μs,半峰宽度的平均值分别为14.8μs和434.7μs。地电位升高电压波形的上升陡度和半峰宽度相对于回击都更大,将电压波形上升陡度和半峰宽度分别与电流波形的参数相比得到比值为14.0和2.7。M分量电压和电流波形相似,电压波形和电流波形对应参数的比值分别为0.8和1.1。触发闪电回击和M分量峰值的平均值分别为–19.1 k A和–1.3 k A,回击以及M分量的峰值和引起的地电位升高电压峰值有很好的线性拟合关系。将电压峰值和电流峰值相比得到等效接地电阻,雷电流的等效接地电阻明显小于回击。

慢前沿冲击电流与放电通道光强度关系研究

采用冲击电流发生器对15 mm石墨棒状放电间隙放电,产生具有慢上升前沿的衰减振荡冲击电流波形,涉及4组电流共67个脉冲,含17个首次脉冲及50个后续脉冲,其峰值1.9~27.0 kA,10%~90%上升时间3.3~18.8μs,半峰宽度7.8~47.8μs。同步测量了石墨棒状放电间隙通道电流与光强度波形,开展了冲击电流与通道光强度特征参数关系研究。结果发现,放电通道光辐射强度信号与冲击电流信号波形特征类似。光强峰值与电流峰值之间呈显著的线性关系,电流与光强波形的10%~90%上升时间之间以及半峰宽度之间线性相关,电流转移电荷量与光强-时间积分也呈现明显的线性相关性。相比首次脉冲分量,后续脉冲的光辐射强度波形在上升阶段及下降阶段能更好地跟随电流波形,光辐射强度波形滞后于对应冲击电流波形,时延与电流10%~90%上升时间大致线性相关。高电压实验室试验研究得到的冲击电流与通道光强度关系与人工触发闪电M分量电流与通道光强度关系十分相似。

一次连接过程另辟新径的触发闪电特征分析

利用0.1μs时间分辨率的快天线电场变化仪、5000帖/s的高速摄像机等仪器设备所观测的资料,对发生在从化夏季人工引雷试验中一次连接过程另辟新径的触发闪电个例进行了分析。结果表明:下行直窜先导和上行连接先导在另辟新径的拐点处连接并产生回击,连接点位于风杆的斜上方8m处,上、下先导连接的速度估算约为40和780km/s,闪电F120605连接过程另辟新径产生的原因与原电离通道倾斜、风杆较高及回击电流强度较大有直接关系。连接后出现间隔约1ms的双回击电场,认为是由同一闪电间隔较短的两组先导-回击序列所产生,它的产生与连接过程另辟新径有很大的关系。

触发闪电产生的地网地电位抬升及暂态效应

对2019年夏季广州市从化区3个雷暴过程中7次触发闪电过程的39次继后回击和10次M分量及其对应的地电位抬升(ground potential rise,GPR)电压数据进行统计分析.分析发现:39次继后回击对应的地电位抬升电压峰值几何平均值能达到-138.97 kV,且波形具有明显的次峰,次峰几何平均值为-90.09 kV,约为最大峰值的64.86%;继后回击引起的地电位抬升电压主要由雷电流泄放引起(相关系数为0.94),感应耦合作用相对较弱(相关系数为0.55),而M分量过程对应的地电位抬升电压则均由雷电流泄放引起(相关系数为0.99).在雷电流瞬间冲击下,继后回击和M分量过程时的冲击接地电阻均小于工频接地电阻,M分量过程的冲击接地电阻平均值为12.02Ω,继后回击过程为10.87Ω.M分量半峰宽度可达毫秒量级,会使浪涌保护器长时间处于动作状态,极易引起浪涌保护器热崩溃损坏.

10 kV配电线路火箭引雷试验及雷电流波形特征分析

为了研究引雷至配电线路雷电流波形特征,开展了国内首次10 kV配电线路火箭引雷试验,成功触发26次闪电,其中包含回击闪电20次,总回击数120次,每次闪电平均包含6次回击,一次雷击过程回击次数最多高达13次。一次典型雷电流波形可分为3个阶段:初始阶段(IS)、回击(RS)和M分量。IS的平均电流、转移电荷、持续时间的几何平均值分别是56.2 A、15.0 C、267.1 ms;RS的峰值电流、10%~90%上升时间、1 ms转移电荷、回击间隔时间的几何平均值分别是16.4 kA、0.6μs、1.1 C、41.9 ms;M分量的峰值电流、10%~90%上升时间、转移电荷的几何平均值分别是0.4 kA、119.8μs、0.08 C。IS转移的电荷远大于单个RS转移的电荷,甚至大于IS后续所有回击转移电荷之和。每次回击平均包含1.5个M分量,一次闪电事件中M分量转移的电荷约为回击转移电荷的11%。雷电流波形数据对电力系统尤其是配电系统的雷电防护设计有帮助。

人工触发闪电放电过程分析 Ⅱ.闪击间放电过程

详细分析了一次人工闪电继后回击之间的放电过程。结果指出：“无连续电流阶段”是激发直窜先导和继后回击的重要条件。闪击间的“Ｍ分量”可以分成“正性慢击穿”、“负性慢击穿”和“正性快击穿”三种类型，尤其是“正性快击穿”也可以触发继后回击而不同于直窜先导。结果又指出：非经典式直窜先导电场变化波形，即“平缓变化波形”与闪电通道的分岔结构有关，即与通道附近云中电荷分布不均匀性有关。

正地闪过程放电通道的特征参数

利用高速无狭缝摄谱仪获得了2次正地闪过程的高时间分辨光谱,其中第一次为多回击正地闪.结合同步电场变化观测资料,计算了正地闪回击通道的温度、电导率、峰值电流、核心电流通道半径.分析了多回击正地闪继后回击R1后连续电流过程中5次M分量间的时间间隔和峰值电流的相关性.结果表明,2个正地闪回击通道的平均温度为28 900~29 800K,核心电流通道的半径为0.36~1.01cm,回击时的峰值电流为18.6~38.0kA,这些参量的范围值都大于通常负地闪的典型值.M分量的峰值电流与它和前一个M脉冲的时间间隔正相关.

基于高速摄像观测的闪电光学图像数值分析

针对2019年8月7日在重庆陈家坪雷达楼架设的高速摄像机记录到的一次单通道单回击闪电通道图像进行了数值分析,研究了观测闪电通道的光学特征、先导发展模式、闪电分枝发展情况及电荷转移过程、回击后的连续电流及M分量特征等。梯级先导在发展过程中电荷转移数量方面无量级上的明显突变,回击瞬间电荷除沿主放电通道发生云-地转移外,还沿预先击穿的分枝发生云-空转移。积分曲线能直观地反映出主放电通道、闪电分枝先导头部发光亮度变化。观测到的短连续电流持续时间为28.5 ms,相对发光亮度积分呈幂级数衰减。

基于人工触发闪电对击间过程近区磁场的测量与仿真

在相关研究文献中,基于天线理论建立闪电回击天线模型得到回击过程中产生的电磁场计算结果已与传输线模型(TL)等其他回击模型的计算结果进行了详细的对比验证,并得到较好的结果。然而基于该模型,针对相关击间过程,计算在闪电通道附近磁场的有效性并未进行实验验证。文中基于2014年夏在中国科学院大气物理研究所山东人工触发闪电实验基地获取的观测数据,利用回击天线模型对由上行正先导(UPL)始发阶段的电流脉冲簇、UPL发展导致的初始连续电流(ICC)和回击后连续电流上叠加的M分量产生的磁场进行计算,并将其与实验数据进行对比研究。由仿真计算结果与实验数据对比可见,虽然在距离闪电通道78 m和970 m处的仿真结果和实验数据吻合较好,但应该注意的是天线模型只能针对雷电流流经整个闪电通道的闪电过程所产生的磁场进行计算,对于云内闪电过程所辐射的电磁场,则无法利用天线模型进行有效模拟。

雷电回击计数器有效触发计数信号的识别方法

为了解决基于双指数波形设计的雷电回击计数器计数结果偏高问题,文章对这种计数器产生触发计数信号过程进行了分析研究,指出了峰值较大的M分量及单次回击中多次震高是导致计数误差的主要原因。通过大量的自然雷电及人工引雷测量数据对比研究,提出了识别回击脉冲的波头陡度、有效脉宽及脉冲间隔等特征参量。在此基础上,设计了回击有效计数脉冲信号提取电路,利用斜率检测方法识别出满足波头陡度判断条件的回击脉冲,由单稳态触发器使单次回击在持续时间内仅产生唯一计数脉冲。电路仿真实验结果表明,该方法可以抑制波头缓的大峰值M分量及单次回击脉冲内多次震高产生冗余脉冲造成的计数误差,提高计数器对有效触发计数信号的识别效率。

雷电计数器误差分析及回击脉冲识别研究

研究了实际地闪过程中三种放电脉冲的形成机理及电流参量,在此基础上结合雷电计数器工作原理分析了计数误差的来源,指出峰值较大的M分量脉冲是导致计数结果偏高的主要原因。通过大量的自然雷电及人工引雷测量数据对比研究,提出通过计算脉冲波头陡度识别有效计数信号的方法,将0.8kA/μs作为判断脉冲类型的特征值,为研制能够测量具有科学意义计数结果的雷电计数器提供设计依据。