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自然雷電波形分析


編輯:2021-12-22 15:54:15

摘要

       針對當前雷電破壞機理尚不明確,不能精準預測雷電閃擊地點、發生時間、危害程度的情況,通過對自然雷電波形的研究,分析雷電繼后回擊存在脈沖衰減諧振過程和雷電破壞的現象。

引言


      雷電的破壞存在神秘的一面,人類現在還不能很好地解釋雷電的破壞機理,特別是不能精準地預測雷電閃擊的地點、發生的時間、危害的程度。本文通過自然雷電波形分析雷電繼后回擊存在脈沖衰減諧振過程,供防雷工程設計參考。

01、自然雷擊記錄波形情況

      如圖 1 所示是 2013 年 08 月 16 日 16 時 17 分 42 秒記錄到的自然雷電波形,使用 T30 - A1 雷電流波形記錄儀 (采樣速率 100 MHz、雙通道、記錄長度1 000 ms),在南京浦口電視塔 (山高 610 m,塔高100 m) 塔頂接閃器上安裝羅氏線圈傳感器對自然雷電波形進行采集記錄。




02、自然雷擊波形分析

      雷電是一種常見的自然現象,其物理過程極為復雜。人們通過記錄自然雷電閃擊、小火箭引雷記錄證實:雷電先導 (閃擊之前向上或者向下中和異性電荷的先頭電荷和游離氣體)、繼后回擊 (除了首次閃擊以后的所有閃擊都叫作繼后回擊) 是一個間斷性的雷電電弧過程??臻g太陽能高能粒子形成強擾動天氣區,在重力場及云內垂直氣流 (上升 / 下降) 的作用下,不同極性的電荷分離形成電荷區,不同的雷暴云電荷結構影響雷暴云的閃電放電特征 (如圖 2 所示)。帶電粒子云團的多樣性、復雜性,致使電場發生急劇變化。



      電場的急劇變化建立了下行和上行先導條件,先導通道為繼后回擊建立了基本條件。繼后回擊是否能夠發生,取決于通道溫度、通道電場強度梯度、通道氣體分子的游離狀態。在 100 ~ 500 m 高度范圍內,建筑物的高度越高,在其上發生的雷電事件上行閃電所占的比例也越高;高度低于 100 m 的建筑物上較少發生上行閃電;對于 10 ~ 60 m 高度的建筑物來說,發生上行閃電的概率非常低;而對于高度在 500 m 以上的建筑物,發生在其上的雷電事件絕大多數都是上行閃電。

      繼后回擊的破壞體現在 3 個方面:

      a. 直擊雷:造成電動力破壞 (熱膨脹) 和熱積累損壞甚至起火,主要體現在高壓輸送線、鐵塔、高山氣象站、風力發電機、超高層建筑物。

      b. 雷電傳導破壞:鐵路線、低壓供電電源線。

      c. 電磁感應破壞:體現在建筑電器、電子設備、電子線路,繼后回擊極易造成電子元件熱積累損壞(如熔斷器、金屬氧化物壓敏電阻、半導體 PN 結等)。

      繼后回擊實質是雷電流電弧熄滅、重燃的過程,雷電流電弧熄滅、重燃是中和帶電粒子、電場重新分布的過程。雷電電弧在衰減振蕩中熄滅:回擊通道長,一個回擊使電場強度迅速降低,雷電電弧不具備持續條件而熄滅;通道由 M 分量 (閃電通道瞬態過程中有連續電流發生時稱為 M 分量,可以看作是一種在連續電流上的脈沖過程) 維持溫度和氣體游離,云電荷迅速聚集而重燃,形成下一個繼后回擊。

      繼后回擊伴隨著振蕩,這個振蕩具有電磁破壞能力 (振蕩頻率和通道長度有關,通道長度呈現電感特性、對地呈現電容特性,具備振蕩條件):振蕩時間變化率在納秒級。雷電流幅值高、波頭上升陡,能在所流過的路徑周圍產生很強的瞬態脈沖磁場。根據電磁感應定律,這種快速變化的脈沖磁場穿過導體回路時,能在回路中感應出電動勢,產生過電壓和過電流。

      脈沖磁場在回路中感應出的電壓大小與回路尺寸、雷電流波頭陡度以及回路與載流導體之間的距離有關,載流導體產生的脈沖磁場對其附近回路的電磁感應作用可用兩者之間的互感系數來表征,借助于互感系數,回路中的感應電壓可表示為:


      如果把 3 次閃擊看作是首次雷擊,繼后回擊出現 2 次 :46.4 ms 出現一次94.44 kA負極性回擊(圖1中b處),98.8ms出現第二次164.4 kA負極性回擊(圖 1 中 c 處)。首次雷擊到第 1 次回擊間隔45.07 ms;第 1 次回擊到第 2 次回擊間隔 52.4 ms。不管是上行雷或下行雷,也不管是正極性或負極性雷閃都可能出現多重雷擊,尤以負極性下行雷為甚。多重雷擊定義為平均含有 3 ~ 4 個雷擊的雷閃,雷擊間隔時間約為 50 ms。

      為了進一步分析首次閃擊過程,將圖 1 中首次閃擊 a 處解析展開如圖 3 所示,首次雷擊電流 12. 96 kA(圖 3 中 a - 1 處)。雷電電流進入上升通道 1 μs 之前存在兩個先導 (不連續的脈沖):******個脈沖在 656 μs出現 (負極性回擊電流 18. 75 kA,圖 3 中 a - 2 處),第二個脈沖過渡到 674 μs 過程后出現 (負極性回擊電流 137. 64 kA,圖 3 中 a - 3 處),兩個先導 / 回擊會產生在同一個閃電通道中,它們之間的時間間隔短到只有 1 ms 或者更少,在回擊形成長連續電流之前的擊間間隔顯示出比普通擊間間隔更短的傾向。


      雷電在空間和時間上是一個隨機過程,閃電的回擊數、擊間間隔、回擊速度、閃電通道的等效阻抗以及連續電流和 M 分量,體現雷電破壞性在繼后回擊,圖 4 是圖 3 a - 3 處繼后回擊雷電流諧振展開波形。



03、人工引雷雷電波形分析

      如圖 5 所示,火箭人工觸發引雷的先導和回擊數據與自然下行地閃繼后回擊相似。但該試驗結果還不能完全代替對自然閃電過程的研究。由于小火箭拖帶一根細金屬絲進行人工觸發引雷,操作方便,給研究雷電帶來了極大的方便。



04、結語

      認識雷電的物理特征是一個漫長的研究過程,研究自然雷電頻譜、分析雷電諧振現象,有助于更好地保護敏感電子設備


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