自然雷電波形分析
編輯:2021-12-22 16:01:06
摘要
針對當(dāng)前雷電破壞機(jī)理尚不明確,不能精準(zhǔn)預(yù)測雷電閃擊地點(diǎn)、發(fā)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?fù)舸嬖诿}沖衰減諧振過程和雷電破壞的現(xiàn)象。
引言
雷電的破壞存在神秘的一面,人類現(xiàn)在還不能很好地解釋雷電的破壞機(jī)理,特別是不能精準(zhǔn)地預(yù)測雷電閃擊的地點(diǎn)、發(fā)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?fù)舸嬖诿}沖衰減諧振過程,供防雷工程設(shè)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(jìn)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(xiàn)象,其物理過程極為復(fù)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(dǎo) (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?fù)?(除了首次閃擊以后的所有閃擊都叫作繼后回?fù)簦?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(qiáng)擾動天氣區(qū),在重力場及云內(nèi)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(qū),不同的雷暴云電荷結(jié)構(gòu)影響雷暴云的閃電放電特征 (如圖 2 所示)。帶電粒子云團(tuán)的多樣性、復(fù)雜性,致使電場發(fā)生急劇變化。
電場的急劇變化建立了下行和上行先導(dǎo)條件,先導(dǎo)通道為繼后回?fù)艚⒘嘶緱l件。繼后回?fù)羰欠衲軌虬l(fā)生,取決于通道溫度、通道電場強(qiáng)度梯度、通道氣體分子的游離狀態(tài)。在 100 ~ 500 m 高度范圍內(nèi),建筑物的高度越高,在其上發(fā)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(fā)生上行閃電;對于 10 ~ 60 m 高度的建筑物來說,發(fā)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(fā)生在其上的雷電事件絕大多數(shù)都是上行閃電。
繼后回?fù)舻钠茐捏w現(xiàn)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(xiàn)在高壓輸送線、鐵塔、高山氣象站、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、超高層建筑物。
b. 雷電傳導(dǎo)破壞:鐵路線、低壓供電電源線。
c. 電磁感應(yīng)破壞:體現(xiàn)在建筑電器、電子設(shè)備、電子線路,繼后回?fù)魳O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(dǎo)體 PN 結(jié)等)。
繼后回?fù)魧嵸|(zhì)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?fù)敉ǖ篱L,一個回?fù)羰闺妶鰪?qiáng)度迅速降低,雷電電弧不具備持續(xù)條件而熄滅;通道由 M 分量 (閃電通道瞬態(tài)過程中有連續(xù)電流發(fā)生時稱為 M 分量,可以看作是一種在連續(xù)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?fù)簟?/span>
繼后回?fù)舭殡S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(guān),通道長度呈現(xiàn)電感特性、對地呈現(xiàn)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(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)脈沖磁場。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,這種快速變化的脈沖磁場穿過導(dǎo)體回路時,能在回路中感應(yīng)出電動勢,產(chǎn)生過電壓和過電流。
脈沖磁場在回路中感應(yīng)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(dǎo)體之間的距離有關(guān),載流導(dǎo)體產(chǎn)生的脈沖磁場對其附近回路的電磁感應(yīng)作用可用兩者之間的互感系數(shù)來表征,借助于互感系數(shù),回路中的感應(yīng)電壓可表示為:
如果把 3 次閃擊看作是首次雷擊,繼后回?fù)舫霈F(xiàn) 2 次 :46.4 ms 出現(xiàn)一次94.44 kA負(fù)極性回?fù)簦▓D1中b處),98.8ms出現(xiàn)第二次164.4 kA負(fù)極性回?fù)簦▓D 1 中 c 處)。首次雷擊到第 1 次回?fù)糸g隔45.07 ms;第 1 次回?fù)舻降?2 次回?fù)糸g隔 52.4 ms。不管是上行雷或下行雷,也不管是正極性或負(fù)極性雷閃都可能出現(xiàn)多重雷擊,尤以負(fù)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(jìn)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(jìn)入上升通道 1 μs 之前存在兩個先導(dǎo) (不連續(xù)的脈沖):第一個脈沖在 656 μs出現(xiàn) (負(fù)極性回?fù)綦娏?18. 75 kA,圖 3 中 a - 2 處),第二個脈沖過渡到 674 μs 過程后出現(xiàn) (負(fù)極性回?fù)綦娏?137. 64 kA,圖 3 中 a - 3 處),兩個先導(dǎo) / 回?fù)魰a(chǎn)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?fù)粜纬砷L連續(xù)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(jī)過程,閃電的回?fù)魯?shù)、擊間間隔、回?fù)羲俣取㈤W電通道的等效阻抗以及連續(xù)電流和 M 分量,體現(xiàn)雷電破壞性在繼后回?fù)?,圖 4 是圖 3 a - 3 處繼后回?fù)衾纂娏髦C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(fā)引雷的先導(dǎo)和回?fù)魯?shù)據(jù)與自然下行地閃繼后回?fù)粝嗨?。但該試驗結(jié)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(xì)金屬絲進(jìn)行人工觸發(fā)引雷,操作方便,給研究雷電帶來了極大的方便。
04、結(jié)語
認(rèn)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(xiàn)象,有助于更好地保護(hù)敏感電子設(shè)備。
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