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。     

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。     

基于斜向通道模型的雷电电磁场近场近似特性

为获得更加接近实际情况的近区雷电电磁脉冲场(LEMP)波形,利用偶极子理论对基于斜向放电通道模型产生的地表LEMP场进行了理论研究。通过近似处理,得到了基于TL模型的地表LEMP近场及其导数的一阶、二阶近似解析表达式。采用脉冲函数表示通道基电流,对比了精确表达式与近似表达式计算的电磁场及其导数波形,结果表明:在距回击通道50m以内,电磁场及其导数波形分别与近似电磁场及其导数波形基本符合;在相同距离内,电场与其一阶近似之间的偏差比磁场与其一阶近似之间的偏差小,电场与其二阶近似之间的偏差比磁场与其二阶近似之间的偏差大,且这些偏差都随着水平距离的增加而增加。     

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。     

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。     

雷电回击通道电流影响因子仿真分析

雷电回击模型是雷电电磁场研究领域的重要环节,为了能够更深层次的研究雷电电磁场,着重介绍了雷电回击模型中的工程模型,并结合目前电磁兼容领域应用最广泛的通道电流随高度变化呈指数衰减（MTLE）,选取Heidler函数为雷电回击通道底部电流波形,运用MATLAB进行仿真分析,改变模型中的参数,观察仿真波形,总结MTLE模型的特点及雷电回击通道电流的影响因子,有助于雷电防护事业的进一步探讨。     

地表LEMP及其导数的远场近似特性

用偶极子法计算了远区闪电回击电磁场及其导数 ,并与回击通道底部电流及其导数的近似性进行了比较。讨论了二者近似公式的适用范围 ,得出电磁场导数与电流导数在远区近似的条件比电磁场与电流近似的条件宽松的结论     

地表LEMP及其导数的远场近似特性

用偶极子法计算了远区闪电回击电磁场及其导数 ,并与回击通道底部电流及其导数的近似性进行了比较。讨论了二者近似公式的适用范围 ,得出电磁场导数与电流导数在远区近似的条件比电磁场与电流近似的条件宽松的结论     

回击过程中具有多个接地通道闪电的研究

根据广东顺德与青海大通地区2002年夏季多次雷暴过程中地闪的电场和光学资料,研究了一次回击过程中具有多个接地点的闪电(MGPF)和产生、影响MGPF的因素。结果表明:1)广东371次地闪中MGPF有62次(约16.7%);青海119次地闪中MGPF有21次(约17.6%)。2)广东与青海MGPF的相邻接地点间的时间间隔分布分别为20~342μs和8~172μs。3)随着回击次数的增加,闪电在回击过程中具有多个接地点的几率降低。4)广东与青海MGPF的回击前梯级先导速度无量级差异。闪电在一次回击过程具有多个接地通道,因而对地面设施将产生更大的危害,这对雷电防护设计和改进提出了更高的要求。     

“先导－回击模型”与人工触发闪电特征参数计算

在关于地闪通道的“先导模型”和“回击模型”基础上,建立了“先导—回击模型”,并利用该模型对2005年8月2日3次人工触发闪电中观测到的12次直窜先导和继后回击过程的慢电场变化资料进行了闪电通道特征参量的计算。计算结果发现：3次人工触发闪电的高度分别在8．68、4．48和10．59km；直窜先导过程的电荷线密度范围为49．3～130．05μC/m；先导发展平均速度范围为0．23×10~7～1．48×10~7 m/s；先导平均电流范围为0．14～1．87kA；先导通道电压范围为7．94～20．33MV；继后回击中和的电荷量范围为0．16～1．21C；继后回击过程的回击平均速度范围为2．61×10~7～11．86×10~7m/s；回击平均电流范围为1．56～12．59kA。分析表明,“先导—回击模型”降低了对观测点站数和观测环境的要求,同时对通道具有较强的计算能力。     

Negative First Return‐Stroke Current Peaks and Impulse Charge Transfer

For the effective and efficient insulation design of a power line, the return‐stroke current waveform parameters are indispensable. Charge transfer is one of the important parameters when damage to equipment on a power line due to the energy of lightning is discussed. The amount of charge transfer associated with a lightning flash or individual strokes can be estimated by using the electric field change obtained with a slow antenna. The authors observed the electric field waveforms in south Kyushu for the purpose of efficient acquisition of return‐stroke current parameters. In this paper, the authors discuss the relation between the negative first return‐stroke current peaks and the impulse charge transfer based on the observed electric field waveforms.     

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.     

750kV敞开式变电站雷电侵入波的防护

雷电波沿着输电线路侵入变电站,对变电站设备构成了很大的威胁。为此笔者将某750kV敞开式变电站和进线段结合起来,根据具体的雷击条件,将雷电流直接作用于雷击点,把输电线路、铁塔、变电站内的连接线、母线和电气设备作为一个网络整体来考虑。采用国际通用的电磁暂态计算程序(EMTP)对雷电侵入波过电压进行了计算,给出了不同运行方式下不同避雷器配置方案的变电站设备上的绕击和反击雷电过电压最大值并进行了分析,最后提出了避雷器的布置方案。结果表明,MOA可以抑制南雷电侵入波产生的过电压,从而能够有效保护变电站设备。     

人工引发闪电和自然闪电回击电流波形的对比分析

对2005年夏季在山东引雷实验中获得的一次传统人工引发闪电1μs时间分辨率的电流资料进行了分析。整个电流持续时间约1120ms,包含10次回击过程,时间间隔为18~210ms,平均为87ms;回击电流峰值的几何平均值为11.9kA,变化范围为6.6~21.0kA。通过人工引发闪电和自然闪电的对比分析,发现传统人工引发闪电的回击电流峰值(10~17kA)与自然闪电的继后回击(12~18kA)基本一致;空中人工引发闪电的首次回击(也有作者称为"小回击过程")电流峰值(24~37kA)略小于自然闪电的首次回击(30~45kA);不同地区下行自然闪电回击电流峰值存在最大约50%的差异;上行自然闪电回击电流峰值(8~10kA)小于其他类型的回击。     

Estimation of Lightning Current and Return Stroke Velocity Profile Using Measured Electromagnetic Fields

To evaluate lightning current using measured electromagnetic fields, an inverse procedure algorithm is proposed in this article, where the variation of return velocity stroke velocity is considered as opposed to previous methods where the velocity is set at a constant value. The proposed algorithm considers all electromagnetic fields components directly in the time domain without needing to apply any extra conversions. Moreover, it can support the wide range of current models based on the general form of engineering current models. The proposed method is validated using a sample of triggered lightning data and measured electromagnetic fields at two stations with different distances from the lightning channel. The results illustrate that the proposed method could estimate the behavior of current along the channel and can thus be used for preparing a data bank to record lightning current parameters of a wide range of lightning occurrences based on measured fields.