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.     

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。     

“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。     

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。     

正极性雷电冲击电压下空间电荷电场测量研究

很多绝缘问题本质上都与电场相关,电场测量是高电压领域的重要研究手段。空间电荷导致电场畸变是流注理论的基础,因此定量测量空间电荷的泊松电场对于研究空气间隙的放电机制有重要意义。利用光电集成电场传感器测量了1m棒–板间隙未发生放电条件下各点的轴向电场,并与数值仿真结果进行对比,验证了电场传感器进行定量测量的可靠性;对3种电极条件下1m棒–板间隙空间电荷区域外部轴线上各点的电场时域波形进行测量,将空间电荷形成的泊松电场与外加电压形成的拉普拉斯电场分开,定量测量了不同电压幅值下、不同空间位置的泊松电场幅值与变化规律。研究结果为建立并验证空间电荷模型奠定了基础。     

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。     

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.     

基于场强角度的输电线路雷击概率定量评估

在电力系统智能化、信息化以及大规模电力电子器件的使用背景下,雷击对电力系统的影响越来越大。目前电力线路雷击特性的研究中,所用模型存在无法准确反映雷击物理过程的问题。据此,从雷击物理过程出发,分析了以雷击区域面积为核心的概率模型。在此基础上,以雷击过程产生的电场强度为切入点,刻画了输电线路雷击上行和下行模型,建立考虑雷击物理过程的线路雷击概率模型,并对其定量评估。通过传统仿真方法与所提方法进行对比,说明了所提方法的可行性和准确性。     

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。     

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。     

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。     

负地闪先导-回击过程的光学观测和分析

为了解闪电先导传输的过程以及雷电灾害产生的机理,利用高速摄像观测自然闪电的资料,结合地面电场变化观测,分析了27次自然负地闪先导-回击发展过程的特征。结果表明:>90%的负地闪首次回击前下行梯级先导具有明显的多级分叉现象,随其下行发展,接近地面时分叉逐渐增多,先导的发展速度为104~105m/s量级;约30%(8/27)的地闪具有多个接地点;约44%(12/27)的地闪具有多次回击,其中回击次数最大值为13,回击次数>10的地闪有4次;多接地闪电中有62%(5/8)具有多次回击,但发生多次回击的接地点均只有1个,其余的接地点均只发生1次回击。     

雷电冲击下棒-板间隙空间电场的测量

长空气间隙放电特性是特高压输电技术的重要研究内容,电场测量作为其重要研究手段,是近年来的研究热点之一。为此,建立了以高场强光电集成电场传感器为核心的空间电场测量系统。利用平板电极对电场测量系统进行校准,获得系统的输入输出特性;通过时域波形对比,证明测量系统具有良好的动态响应特性。利用该系统对1m棒-板间隙在正极性雷电冲...     

高压直流输电线下空间电荷与电场的关系研究

为了分析高压直流输电线下空间电荷与电场两个电磁环境指标之间的联系,采用Sarma法对单极直流线路下的空间电荷密度和标称场强分布进行数值计算。利用空间电荷密度测量设备,在高压直流输电线路下方进行实际测试,分析一些线路参数对空间电荷密度与标称场强分布规律的影响。结果表明:高压直流输电线路周围的空间电荷密度和标称电场具有相似的变化规律,提高导线高度能明显减小空间电荷密度和电场强度,导线极间距和分裂数的小范围变化对空间电荷密度与地面电场影响不大,大气质量是影响空间电荷密度和电场强度大小的重要因素。     

线路防雷中绕击电流的计算及修正

针对EGM理论存在的缺陷，结合最新LSM理论仿真计算结果，探讨了改进绕击电流计算方法的途径。     

利用理想大地假设条件计算不同雷电回击模型下的水平电场(英文)

Lightning electromagnetics can affect the reliability of the power system or communication system.Therefore,evaluation of electromagnetic fields generated by lightning return stroke is indispensable.Ar...     

正负极性雷电冲击作用下棕榈油绝缘油的流注传播和击穿特性试验研究

相比于矿物油,天然酯绝缘油具有生物降解性高、无毒、耐火性强等优点,具有替代电力变压器中矿物绝缘油的潜力。本研究建立了一套包括高速图像采集系统、试验电源以及电信号测量系统的绝缘油雷电冲击放电特性试验系统,针对较为常见的棕榈油绝缘油和电力变压器中常用的矿物油,进行正、负极性雷电冲击放电特性试验研究。对比分析正、负极性雷电冲...     

Transient Magnetic Fields and Current Distributions in an Electric Vehicle Caused by a Lightning Stroke

An electric vehicle has more electronic parts than a gasoline‐powered vehicle. Not only the control circuits but also the driving circuits of electric vehicles are electrical, in contrast to those of gasoline‐powered vehicles. This means that there is a higher possibility of malfunctions in an electric vehicle due to electromagnetic disturbances caused by a lightning stroke. Therefore, it is important to establish lightning protection methodologies for electric vehicles. To clear up with the mechanisms whereby the lightning current following through the vehicle body and some other parts causes the malfunctions, it is important to clarify the transient magnetic fields and current distributions in electric vehicles. In this paper, the transient magnetic fields and the current distributions in an electric vehicle are simulated by the FDTD method, and the probability of lightning damage is discussed.     

脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况,绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比,探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性,阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现,ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异,在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为;电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量,从而影响电荷振动波形的形状;电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性;5×106～1×107 Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用;ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。     

分层土壤时特征参数对地闪通道附近地面垂直电场的影响

为研究回击通道附近垂直电场的特性及其受特征参数影响的规律,采用改进的线性衰减传输线(MTLL)回击模型、以双指数函数和Heidler函数拟合基电流,采用时域有限差分(FDTD)法进行数值计算。通过与火箭引雷实测数据对比,证明了该计算方法的正确性。计算了双层电导率土壤时距回击通道不同距离的地面垂直电场(Ez),分析了回击通道高度(H)、回击速度(v)、大地电导率(σ)、大地相对介电常数(ε)以及地面等值厚度(Hd)5个特征参数对Ez的影响。结果表明:Ez首先到达一个"初始峰值",然后出现"斜坡"、"平台"或"下降"波形。H对Ez"初始峰值"后的波形影响明显,H增大Ez从"斜坡"变为"平台";v对Ez"初始峰值"及之前的波形影响明显,v增大上升时间减小且"初始峰值"降低;Ez受σ和ε的影响均很小且对ε尤为不敏感;在距通道50 m和100 m处Hd对Ez"初始峰值"略有影响,到200 m处其影响可忽略。当H3 km、v大于0.6倍光速且Hd80 m后3个参数对Ez影响均逐渐变小。