自然雷電波形分析
編輯：2021-12-22 15:54:15
摘要
針對(duì)當(dāng)前雷電破壞機(jī)理尚不明確，不能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)雷電閃擊地點(diǎn)、發(fā)生時(shí)間、危害程度的情況，通過(guò)對(duì)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(guò)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(cè)雷電閃擊的地點(diǎn)、發(fā)生的時(shí)間、危害的程度。本文通過(guò)自然雷電波形分析雷電繼后回?fù)舸嬖诿}沖衰減諧振過(guò)程，供防雷工程設(shè)計(jì)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(shí) 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(zhǎng)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(duì)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(jiàn)的自然現(xiàn)象，其物理過(guò)程極為復(fù)雜。人們通過(guò)記錄自然雷電閃擊、小火箭引雷記錄證實(shí)：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(gè)間斷性的雷電電弧過(guò)程?？臻g太陽(yáng)能高能粒子形成強(qiáng)擾動(dòng)天氣區(qū)，在重力場(chǎng)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(chǎng)發(fā)生急劇變化。
電場(chǎng)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(chǎng)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(duì)于 10 ~ 60 m 高度的建筑物來(lái)說(shuō)，發(fā)生上行閃電的概率非常低；而對(duì)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(gè)方面： a. 直擊雷：造成電動(dòng)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?shí)質(zhì)是雷電流電弧熄滅、重燃的過(guò)程，雷電流電弧熄滅、重燃是中和帶電粒子、電場(chǎng)重新分布的過(guò)程。雷電電弧在衰減振蕩中熄滅：回?fù)敉ǖ篱L(zhǎng)，一個(gè)回?fù)羰闺妶?chǎng)強(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(guò)程中有連續(xù)電流發(fā)生時(shí)稱為 M 分量，可以看作是一種在連續(xù)電流上的脈沖過(guò)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(gè)繼后回?fù)簟?/span> 繼后回?fù)舭殡S著振蕩，這個(gè)振蕩具有電磁破壞能力 （振蕩頻率和通道長(zhǎng)度有關(guān)，通道長(zhǎng)度呈現(xiàn)電感特性、對(duì)地呈現(xiàn)電容特性，具備振蕩條件）：振蕩時(shí)間變化率在納秒級(jí)。雷電流幅值高、波頭上升陡，能在所流過(guò)的路徑周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)脈沖磁場(chǎng)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這種快速變化的脈沖磁場(chǎng)穿過(guò)導(dǎo)體回路時(shí)，能在回路中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生過(guò)電壓和過(guò)電流。 脈沖磁場(chǎng)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(chǎng)對(duì)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(lái)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(gè)雷擊的雷閃，雷擊間隔時(shí)間約為 50 ms。 為了進(jìn)一步分析首次閃擊過(guò)程，將圖 1 中首次閃擊 a 處解析展開(kāi)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(gè)先導(dǎo) （不連續(xù)的脈沖）：第一個(gè)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(gè)脈沖過(guò)渡到 674 μs 過(guò)程后出現(xiàn) （負(fù)極性回?fù)綦娏?137. 64 kA，圖 3 中 a - 3 處），兩個(gè)先導(dǎo) / 回?fù)魰?huì)產(chǎn)生在同一個(gè)閃電通道中，它們之間的時(shí)間間隔短到只有 1 ms 或者更少，在回?fù)粜纬砷L(zhǎng)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(shí)間上是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程，閃電的回?fù)魯?shù)、擊間間隔、回?fù)羲俣?、閃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(kāi)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?yàn)結(jié)果還不能完全代替對(duì)自然閃電過(guò)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(lái)了極大的方便。
04、結(jié)語(yǔ)
認(rèn)識(shí)雷電的物理特征是一個(gè)漫長(zhǎng)的研究過(guò)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
