地表近区雷电回击电磁场的计算与特征分析

为了揭示雷电回击电磁场导数与回击通道底部电流导数之间的内在联系,基于传输线(TL)模型从理论上对地表近区雷电回击电磁场导数和回击通道底部电流导数进行了研究。用偶极子法精确计算电磁场的结果表明,在距离雷电回击通道50m范围内,电场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合;在距离雷电回击通道200m范围内,磁场导数的波形与回击通道底部电流导数的波形基本符合。由此可得出结论:近区回击电磁场导数的波形与雷电回击通道底部电流导数的波形近似。     

通道高度对斜向通道雷电电磁场影响研究

由于雷电的突发性和瞬时性,导致其产生的强电磁脉冲场难以直接测量,给雷电电磁场的研究带来了很大的难度。将斜向通道电流微元分解为垂直和平行于大地的分量,利用脉冲函数表示通道底部电流并结合雷电电磁场的TL模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到斜向通道电磁场的解析表达式;基于斜向通道模型,研究了雷电通道高度对不同场区地表回击电磁场的影响。结果表明,通道高度对电磁场的影响随着水平距离的增加而增加,在回击电流达到通道顶部之前,电磁场波形基本完全重合。     

回击电流对雷电远区电磁场多重分形特征的影响

针对弯曲通道下回击电流对雷电电磁场波形特征的影响和表征问题,基于偶极子法建立了云地闪随机弯曲通道回击电磁场的计算模型,对不同回击电流波形激发的远区电磁场进行了计算和多重分形分析,获得了观测点方位角和回击电流波形特征对远区电磁场多重分形特征的影响规律。结果表明:雷电远区电磁场的多重分形谱宽度Δα和不对称度B受方位角和回击电流波形的影响要比峰值奇异指数0α明显;回击电流波形的上升时间越大,远区电磁场波形越平滑,对应多重分形谱的峰值奇异指数0α和谱宽度Δα越小,不对称度B越大;回击电流波形的半峰值时间越大,远区电磁场多重分形谱的0α和Δα越小,而B则呈现先减小后增大的趋势。     

雷电回击DU模型等效电路仿真

从雷电对系统产生影响的实际出发,研究了国际上较通用的雷电回击模型,将其归纳为两大类,指出了雷电回击模型的共性特点及建立理想雷击模型的基本要求。以DU模型（由Deindorfer和Uman在1990年提出的一种雷电回击模型）为基础,建立雷电通道的等效电路,在PSCAD／EMTDC上进行仿真运行,重构了雷电回击电流波形曲线,将仿真得到的对地雷电流波形与原始实测电流波形特征参数比较,证明了该等效电路用于雷电研究的有效性。     

近场空间LEMP波形特征研究

为了进一步探索近场区空间雷电电磁脉冲场的波形特征,对近场区空中不同高度处的雷电电磁场与回击通道底部电流之间的相互关系进行了理论研究。基于TL模型,通过理论推导得到了近场区空间LEMP和回击电流之间的关系。对比电磁场精确表达式与其两级近似表达式的波形,结果表明:在距回击通道50m以内、高度为几十米到几百米的空间内水平电场的精确波形与其两级近似波形基本重合;在距离回击通道200m以内、离地高度500m以下的空间内角向磁场的精确波形与其两级近似波形基本重合。     

基于垂直放电通道的地面雷电电磁场的计算与特征分析

为保护敏感设备免受雷电电磁脉冲场的危害并选择合适的防护措施,需分析垂直放电通道下雷电回击电磁场的场强及分布规律,为此,利用脉冲函数表示通道底部电流,结合回击电磁场的传输线回击电磁场的传输线(modified transmission line exponential model,MTLE)模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,推导垂直通道在空间产生电场与磁场的解析表达式,借助Cooray-Rubinstein公式计算在考虑大地电导率的情况下的水平电场分量,得出通道周围任意场点P(r,φ,z)的水平电场分量Er、垂直电场分量Ez与横向磁场分量Hφ的计算表达式,进而研究雷电通道周围任意场点在不同水平距离、高度以及大地电导率的电磁场变化规律。结果表明,电场与磁场的波形及其幅值受水平距离、高度和大地电导率的影响显著,为选择合适的防护措施提供了可靠的依据。     

雷电回击模型在雷电电磁场计算中的应用分析

雷电回击模型是研究分析雷电产生电磁场特性的重要环节,介绍了雷电回击模型的假设条件、分类方法以及常用模型构建的物理思想和数学表达式,分析了两类模型的内在联系、几种雷电回击电流波形曲线和DU模型中部分参数对电磁场计算的影响,并为今后雷电回击模型的研究建立提出了建议。     

闪电回击工程模型的有效性研究

为了分析几种常用的闪电回击工程模型的有效性,将回击通道底部电流表示为击穿电流和电晕电流的叠加,利用脉冲函数描述回击通道底部电流波形,选择了一种比较典型的回击通道底部电流波形参数,分别对Bruce-Golde(BG)模型、运动电流源(TCS)模型、Diendorfer-Uman(DU)模型、传输线(TL)模型、电流指数衰减的传输线(MTLE)模型和电流线性衰减的传输线(MTLL)模型6种回击工程模型产生的不同场区回击电磁场进行了计算,并将计算结果与实际测量得到的不同场区回击电磁场特征进行了比较。结果表明基于MTLL回击模型计算得到的不同场区回击电磁场能够符合实际测量回击电磁场所具有的4个特征:(1)电场与磁场都有1个快速上升的初始峰值,当观测距离>1km时该峰值的数值与距离接近成反比;(2)几十km距离以内的电场在起始峰值之后有1个缓慢的上升沿,其持续时间可长达100μs;(3)几十km距离以内的磁场在起始峰值后有1个隆起,其最大值在10～40μs之间;(4)50～100km距离之间的电磁场在初始峰值后几十μs内都有过零点。依据另外5种回击工程模型计算得到的回击电磁场不能与实际测量闪电回击电磁场的特征完全相符。因此,MTLL回击模型具有相对更高的精确度和有效性。     

基于斜向放电通道的地表雷电电磁场特性分析

为保护敏感设备免受雷电电磁脉冲场的危害并选择合适的防护措施,需要确定斜向放电通道下雷电回击电磁场的场强以及分布规律。为此,将雷电斜向放电通道的电流微元分解为垂直和平行于大地的分量。利用脉冲函数表示通道底部电流,结合回击电磁场的传输线模型,根据偶极子法求解Maxwell方程组,得到了斜向通道在空间产生电场与磁场的解析表达式。进而研究了通道倾斜程度对不同场区地表回击电磁场的影响以及回击电磁场随观测点位置的变化规律。结果表明:地表电场比磁场更易受到通道倾斜程度和观测点位置的影响,且地表电磁场强度波形峰值在近场、中间场和远场均随斜向通道与地面夹角的增大而减小,在远场和中间场随斜向通道与地面观测点之间方位夹角的增大而减小。     

基于DU模型雷电回击电磁场的计算

基于 DU模型计算雷电回击电磁场时 ,用电晕电流和击穿电流拆分雷电回击通道标准电流 ,合理选取此二电流放电时间常数能较好地再现雷电回击测量场的 4个特征     

地表近场LEMP与回击电流的近似性

由于闪电近区电磁场的瞬时性和高强度的特点,致使其不易测试,其波形也难以捕捉。为了对闪电近场电磁波进行模拟,从理论上对雷电电磁脉冲(LEMP)的地表近区波形和回击通道底部电流的波形进行了探索。用解析方法近似推导近区LEMP的表达式得出,近区LEMP波形与回击通道底部电流波形近似;用偶极子法精确计算近区LEMP的结果表明,在100 m以内磁场波形与近似计算结果基本吻合,在50 m以内,电场波形与近似计算结果基本吻合。计算结果验证了解析推导近似的可行性,证明<50 m的地表近区,LEMP场波形与回击通道底部电流波形相似。这为闪电地表近场电磁波的模拟提供了理论依据。     

雷电流监测装置安装位置对测量结果的影响分析

为了了解实际雷电流的波形参数,需在高塔或输电线路等构筑物上对雷电流波形进行监测,但实际测量到的结果是受构筑物影响后的雷电流。笔者主要讨论雷电流监测装置安装位置对于监测结果的影响。在构筑物模型中考虑了雷电流传播过程中的衰减、畸变以及冲击接地电阻等的因素,采用电磁暂态分析程序对不同高度的构筑物进行仿真计算。分析结果表明,构筑物在不同安装位置处得到的雷电流差别很大,顶部监测到的电流受到的影响很小,底部监测到的雷电流受到的影响非常大,雷电流测量设备应当安装在构筑物顶部,这样测量到的雷电流参数比较准确。     

线路杆塔对雷电流分布和浪涌响应的影响

为解决现有回击模型在架空线路防雷性能计算时与实际情况分歧极大的问题,首先根据传统回击模型考虑线路杆塔与雷击通道以及杆塔与大地之间的反射,分析了杆塔对其电流分布及浪涌响应的影响,然后通过实例计算雷击电力杆塔雷击电流分布及其浪涌响应,总结出雷击通道回击模型以及杆塔电流分布的变化。分析表明,输电线路杆塔高度越高杆塔顶部浪涌响应越大,而杆塔波阻抗越小杆塔中入射雷电流越小,且最终相应地影响输电线路防雷性能。     

输电线路杆塔对雷电流监测结果的影响

在输电线路上实际测量雷电是进一步了解雷电流各种参数的有效手段,但实际测量到的结果是受被击物体影响后的雷电流。为了通过测量结果得到雷电流的原始波形,在输电线路杆塔模型中考虑了雷电波在杆塔传播过程中的衰减、畸变以及杆塔冲击接地电阻等因素,采用电磁暂态分析程序PSCAD对两种不同的输电杆塔进行了仿真计算,并对是否装设避雷线的情况进行了比较分析。结果表明避雷线对于雷电波的传播有很明显的影响,雷击输电线路杆塔时塔顶和塔底的雷电流波形有显著的区别,塔底电流随着杆塔的增高而变大。     

基于改进Agrawal模型和FDTD法的感应雷过电压算法

为了计算架空配电线路雷电感应过电压,利用Nucci提出的雷电回击通道模型(MTLE模型),计算雷电回击电流产生的空间电磁场,采用Cooray-Rubinstein公式计算大地电导率影响的水平电场分量,并改进Agrawal场线耦合模型,建立架空配电线路雷电感应过电压方程,基于时域有限差分(FDTD)法,计算10 kV架空线路的雷电感应过电压数值。结果表明,大地电导率对计算结果影响较大,大地电导率使线路上的感应电压幅值降低接近20 kV;不同回击传播速率也影响感应雷过电压的数值。定量计算雷电感应过电压,需要分析各种因素对计算感应雷击过电压的影响,完善计算方法,保障计算准确性,使理论与计算方法适用于实际的配电线路防雷设计,提供有价值的参考依据。     

Lightning return stroke current identification via field measurements

 An inverse procedure is presented for identifying and reconstructing the waveform of the lightning return stroke current. It is based only on the acquisition of the electromagnetic field radiated by the discharge channel in various locations on the ground and at various frequencies, and requires no information about the channel base current. The fundamental idea is shown to come from an electrostatic problem in which the linear charge density of a vertical thin wire is determined starting from the measured field. Three versions of this procedure have been developed: in the first, the identification is carried out by means of the measurement of the electric field at various distances from the lightning channel at a given frequency; in the second, only two sensors for the electric field are necessary, but various sampling frequencies; in the third, only one observation point is needed, for the measurement of both the electric and the magnetic field. A simulated validation of all the approaches is provided as well as a detailed analysis of their numerical accuracy. Received: 4 April 2001/Accepted: 30 April 2001     

A Verification of Estimation Accuracy of Lightning Current Waveform and Charge Transfer from Measured E‐Field Waveform

To establish effective countermeasures on power facilities against lightning damage, it is necessary to clarify the lightning characteristics such as current parameters at the area of interest. In order to collect lightning current parameters effectively, the authors have observed electric and magnetic field waveforms simultaneously at south Kyushu, where the lightning flash density in summer is high. Based on observed electric field waveforms, the lightning current parameters have been estimated by adopting the Diendorfer–Uman model (DU model) as the return‐stroke model. In this paper, the accuracy of the estimated return‐stroke current waveform is verified by comparison with directly measured return‐stroke current waveform, along with the accuracy of the estimated charge transfer from the electric field waveform measured with a slow antenna.     

多通道雷电流在线监测系统的研发和应用

雷电流特征参数的测量对于研究雷电放电过程以及雷电防护有着十分重要的意义。介绍了一套多通道雷电流在线监测系统。使用自行研制的基于柔性罗氏线圈的雷电流传感器,通过电磁耦合把大的雷电流转化为低电压信号;采用高速数据采集处理单元对耦合出来的电压信号进行高速采集,保证信号的完整性和精确度;利用通用分组无线服务技术（GPRS）进行无线数据传输;利用专家分析查询系统对远程接收系统测得的雷电流波形信号分析处理,并对系统进行远程控制,保证系统稳定运行。系统经过在500 kV神保双回线路、500 kV太山双回线路实际运行,于2013年6月25日捕获了雷击500 kV架空输电线路实测波形,成功监测到雷电流幅值、波头时间等特征量,同时监测并记录雷电流全波波形数据,为雷电监测数据比对与仿真反演提供更全面的基础资料。     

An antenna-theory approach for modeling inclined lightning return stroke channels

In this paper, we investigate lightning return stroke electromagnetic fields and induced voltages on nearby overhead lines associated with an inclined lightning channel. The study is based on the Antenna Theory (AT) model, which is appropriately extended to take into account the channel inclination. This involves modification of the well-known analytical expressions for the electromagnetic field originated by a dipole so that an inclined channel is properly modeled.Using the AT model, the electromagnetic fields are computed at close, medium and far distance ranges, with respect to an inclined lightning channel. It is shown that the channel inclination affects more markedly the fields at close distances. The induced voltages on a nearby overhead line are also investigated and it is shown that channel inclination could result in a significant variation of the induced voltage magnitudes. It is also shown that, depending on the inclination and its relative position to the observation point or to the line, the channel inclination could result either in an increase or in a decrease of the electromagnetic field and induced voltage magnitude.