真实地形地貌对闪电定位系统的影响

为了研究真实地形地貌对雷电回击电磁场和闪电定位系统的影响,利用柱坐标系下二维时域有限差分(FDTD)算法研究了真实地形地貌中高低起伏的地表对雷电首次回击电磁场以及闪电定位系统的影响。模拟结果表明,起伏的地形会使地闪首次回击垂直电场峰值减小,波形上升沿时间增大。但当地表出现特殊的地形结构时,真实的地形会增强垂直电场的峰值。对于雷电首次回击的切向磁场而言,地形地貌的高低起伏会明显衰减切向磁场的峰值,波头向后滞移,到达峰值时间滞后。例如,当雷电电磁场波从模拟闪击点到达测站1时,由于真实地形的影响会使垂直电场的峰值额外衰减约26%,波形上升沿时间额外增加1.5μs,这就会导致闪电定位系统估算的雷电流偏小约26%,雷击点定位出现误差。综上所述,在实际工作中应考虑真实地形地貌对闪电定位系统探测精度以及反演雷电放电参数的影响。     

双极性窄脉冲自动识别及统计分析

介绍了双极性窄脉冲(narrow bipolar events,简写NBEs)自动识别的基本方法,通过对双极性窄脉冲的放电特征的统计分析,设计了自动识别的试验方案。对VHF辐射波形和闪电快电场波形中的NBE进行了自动识别方法实验验证。首先对闪电数据进行人工识别,识别出96例NBEs,对其中19例NBEs的11个放电参数进行参量统计和研究分析,根据统计结果选取高频幅度比等9个参数作为NBEs识别判据,对混杂在常规闪电放电中的NBEs进行程序自动识别。成功识别出双极性窄脉冲67例,未识别出10例(皆因据测站较远),误识别1例,识别率87. 01%,误识别率1. 49%。在此基础上,对识别出的NBE事件进行了统计分析,NBEs发生时,在前1 ms内无其他闪电过程,说明前向孤立性良好。通过对96个NBE事件进行参量统计发现,双极性窄脉冲上升沿算术平均值为1. 75μs(0. 3～4. 3μs);下降沿为2. 80μs(1. 2～6. 15μs);半峰宽度为2. 35μs(0. 35～5. 05μs);全峰宽度为4. 55μs(1. 5～7. 7 s);脉冲持续时间为8. 89μs(2. 6～21. 1μs)。这些参数与其他研究者统计数据有较好的一致性。     

基于VLF/LF三维雷电探测数据的云-地闪电频谱差异性分析

利用南京地区VLF/LF(甚低频/低频)三维雷电实时探测网探测到的2018年7月26日14时的一次正地闪和2018年8月3日14时的一次负地闪数据,对闪电不同放电阶段的频谱特征进行了详细的对比分析.初步结论如下:1)从两次闪电的三维通道结果可以看出,这两次闪电都具有3次回击,同时从脉冲辐射源位置看出,所有的地闪回击放电过程基本是沿着相同通道闪击到地面;2)正地闪和负地闪的云内放电过程的频谱是相似的,主要集中在40 kHz以上;3)正地闪和负地闪继后回击之前的箭式先导频谱集中在100 kHz以上,不同极性的箭式先导频谱几乎没有区别,但其比云内放电过程辐射频段要高很多;4)正地闪和负地闪的回击过程频谱相似,主要集中在20 kHz以下,并且继后回击的高频分量比首次回击少.     

基于不同频段的地闪回击脉冲波形的定位结果差异性分析

笔者选取了2018年8月3日发生在南京地区的一次正地闪放电过程,利用6站同步的VLF/LF(甚低频/低频)三维闪电探测数据,重点分析了不同频段的地闪回击脉冲波形的定位结果差异性.首先,针对这次地闪回击的原始时域波形,利用巴特沃斯滤波器进行了回击频域信号的任意提取,分别为10 kHz～50 kHz、10 kHz～100 ...     

架空配电线路雷电过电压特性与MOA试验技术的研究进展

笔者主要介绍了:1)国内、外关于雷暴云闪电的物理过程,特别是下行负地闪放电过程方面的研究进展;2)对架空配电线路雷电过电压数值计算和真型试验研究等进行了分析和总结;3)结合我国近些年配电型避雷器的故障情况,重点介绍了国际上关于重雷区特别是多重雷击下MOA动作负载试验的研究进展,比较分析了GB11032与IE60099-4、IEEEStd66.22关于重负载配电MOA试验技术的差异。主要结论为:1)地闪雷电,特别是下行负地闪雷电放电主要表现为短时间的回击和长时间的连续电流的叠加,同时也包括回击之间的长时间低幅值的连续电流;2)目前建立输电线路雷电过电压数值计算模型的本质都是从麦克斯韦方程推算而来的,不同点在于采用了雷电电磁脉冲产生的电磁场的不同分量;3)雷电直击架空导线或击到架空导线附近造成导线产生感应过电压,流过避雷器的冲击电流为多重电流脉冲并且脉冲之间存在幅值较低的持续电流;4)金属氧化物电阻片在多重电流脉冲下的破坏形式主要是侧面闪络。现有版本的各类技术标准、规范,仍然没有建立与IEC62305-1:2010的附录A给出了的可能组合方式雷电波形感应到架空线路上的感应过电压,对避雷器造成的电流冲击负载的试验要求和程序;5)建议按照IEC62305-1:2010的附录A给出了的可能组合方式雷电波形和参数,建立配电线路避雷器动作负载的试验方法。多重雷电电流冲击试验技术有待于进一步提高。     

基于低频磁天线雷电监测电路的设计及应用

针对甚低频磁天线在闪电定位网中应用的问题,介绍了甚低频磁天线的电路设计和标定方法,通过对磁场变化测量的理论分析,设计了合理的实验。利用冲击平台模拟自然闪电发生时产生的磁场变化,来检测甚低频磁天线工作的准确性和稳定性。采用自主研制的磁天线对南京地区产生的一次雷暴过程进行测量。得出:在南京地区2016年8月2日观测到的1004次回击波形中,其中上升沿持续时间在1～10μs,大部分主要集中在1～4μs(72.2%)之间,连续电流的平均持续时间为3.35μs;将反演运算得到的波形与实测波形、定位结果与江苏省闪电定位系统的结果分别进行对比,验证了所提方案的可行性和技术上的先进性,这对甚低频磁天线在实际应用中具有一定的指导意义。     

基于时域差分法的雷击回击通道周围空间电磁场研究

由于雷击回击过程发生了强烈的电荷中和,会在周围空间形成强烈的电磁脉冲,对各种电气设备产生干扰。为此,对回击通道周围的电磁场进行模拟,提出了基于时域有限差分法的电磁场数值计算方法。雷电流模型采用双指数函数与Heidler函数组合的函数模型,回击通道采用改进型的DU模型。将模拟的结果与已有文献的结果进行比较,得出时域有限差分法在模拟雷击回击通道周围电磁场上具有一定有效性。模拟结果表明:雷电回击通道周围空间的电磁场受到回击速度、大地相对介电常数、大地电导率等因素的影响。电场的初始峰值随回击速度的增加而减小,磁场随回击速度的增大变化不大,只是略微有所上升;电场随着大地相对介电常数的增加而增加,波形变越来越陡峭;电场的初始峰值随着电导率的减小而增大,波形上升变的越来越陡峭,这些模拟结果与实测雷电电磁场变化是一致的。     

城市建筑物(群)对雷电电磁环境与耦合电压的影响研究

以Agrawal耦合模型为基础,利用二维时域有限差分方法,研究了城市建筑物对理想地面架空线附近的雷电电磁环境和架空线上感应出的耦合电压的影响,并分析了建筑物位置、建筑物高度以及回击电流参数等因素对电磁环境及耦合电压的影响差异。结果表明:建筑物的存在削弱了架空线附近的垂直电场,当建筑物分别位于架空线两侧时,水平电场方向相反;建筑物高度的增加对架空线附近的水平电场波形影响不大,当建筑物高度或者建筑物与闪电通道距离增大时,垂直电场均减小;对于15 m高的建筑物,当它与闪电通道分别位于架空线路同侧及异侧时,在继后回击下相比建筑物不存在时的耦合电压之比分别为46.1%和61.3%,在首次回击下的比值分别为47.0%和56.1%,建筑物对架空线路上的耦合电压产生较大的衰减;无论建筑物位于架空线的哪一侧,建筑物高度越高,距离架空线越近,衰减作用越明显。     

传输线耦合雷电电磁波过程的分析方法

针对传输线耦合雷电电磁波形成过电压对电子设备造成干扰及损坏的问题,将雷电闪电通道等效为辐射线天线,建立雷电回击通道、传输线、大地一体化模型,利用传输线模型所得理论推导公式与试验相结合的方法,对传输线耦合自然界雷电与模拟雷电进行对比分析,并计算了传输线耦合雷电电磁波形成过电压波形的幅值及能量。得出:当雷电回击通道中雷电流在5 kA~45 kA范围时,传输线耦合雷电电磁波形成的过电压幅值与雷电流大小呈较好的线性关系,耦合的能量与雷电流大小呈幂函数关系;雷电过电压在传输线传输过程中激励出高频分量电压,并对其特性进行分析。试验结果和理论分析结论相吻合,研究结果对传输线雷电防护具有一定的指导意义。     

应县木塔雷击过程分析

根据高速相机拍摄的闪电结构照片,计算出在闪电的70μs时间内没有电荷从雷云中进入到地球;将闪电结构照片和高压大间隙电弧击穿的照片进行对比,从另一个角度也分析得出了闪电时雷云中没有电荷入地的结论。提出了雷云中荷电粒子聚集形成的畸变电场击穿了空气,继而形成了先导流注,并由此产生了雷电的观点;运用流注理论分析了应县木塔被雷击的全过程,使直击雷的过程得到了符合物理原理的解释。同时提出了球形雷的成因,指出了用罗氏线圈和磁钢剩磁测量的所谓雷电流就是地面感应物体在雷电消失后,电荷重新分布时的驰豫电流。     

基于卷积神经网络的典型雷暴云下地面电场识别研究

雷暴云产生的闪电危害巨大,雷暴发生时其地面电场的特征可应用于关键系统的雷电预警和雷电防护。笔者依据雷暴云偶极子模型,研究典型雷暴云下地面电场的特征,提出基于卷积神经网络(Convolutional Neural Network, CNN)的雷暴云地面电场识别方法。该方法考虑不同天气情况下地面电场的特征,对大量样本数据进行训练和识别,证明了卷积神经网络用于识别雷暴云下地面电场的可行性,划分了基于卷积神经网络识别结果的雷电预警等级。结果表明：所提方法区分各类别电场样本的整体准确率高于93%,通过对典型雷暴云下地面电场特征的学习,实现了雷暴云电荷中心的地理区域识别。所提方法可为局部区域的雷暴云大气电场识别和雷电预警提供思路。     

计及建筑物不同位置、高度对雷电回击电磁场的影响及对配网运维重要性研究

由于建筑物的内部和周围有着很多敏感的电气(配网)、电子设备和线缆等,极易遭受感应雷击而损坏,危及人们的生命和财产安全,所以研究建筑物周围电磁场分布情况相当重要。因此,利用闪电回击通道工程模型和通道底部基电流模型,在计算模型中引入建筑物因子,采用时域有限差分算法对二维柱坐标下的雷电电磁场进行了计算,研究在不同地点处建筑物以及不同高度建筑物对回击电磁场分布的影响。研究表明,建筑物对附近空间的电场和磁场都会产生一定的影响,且电场受到的影响要大于磁场。同时,在建筑物远离闪电回击通道的一侧,电场的数值会产生大幅度衰减,说明建筑物对于电场的传播有很强的阻挡、衰减作用。随着建筑物高度的增加,衰减作用也不断增强,电场幅值也持续降低。     

±800 kV宾金线浙江段线路走廊雷电地闪多重回击特征分析

为得到±800 k V宾金线浙江段线路走廊雷电地闪多重回击参数,对2017年6月至9月部分时间的雷电监测数据进行统计分析,结果表明:统计样本中44.78%的主放电含有后续回击,最大后续回击次数、平均后续回击次数分别为17次、1.68次,含多次后续回击的主放电数量不可忽视;90.7%的正极性主放电不含后续回击,而61.94%的负极性主放电含有后续回击;地闪持续时间主要分布于0~500 ms,回击间隔主要分布于20 ms~100 ms;后续回击与主放电的雷电流幅值比值几何均值为0.51,20%的后续回击电流幅值大于主放电电流,比值随后续回击次序增加呈递减趋势、随主放电的雷电流幅值增加呈递减趋势。     

加速电荷电磁场求解闪电通道辐射场

运用加速运动电荷辐射电磁场原理对闪电回击通道辐射电磁场分析计算。依据闪电回击通道中电流幅度随着高度衰减特征,将模型等效为两部分运动电荷,即通道基底电荷加速运动至回击速度和通道沿线电荷从回击速度减速运动。根据不同运动特征分别求得各自电荷辐射场,两者之间即为闪电通道辐射场。文中讨论了雷电回击辐射场随观测距离、观测高度以及回击速度的变化情况。结果表明,总场与观测距离及观测高度呈负相关,与回击速度呈正相关。本方法避免了电流积分和微分的运算,也有助于理解雷电电磁辐射物理机制。     

架空配电线路感应过电压计算方法适用性研究

针对现有雷电感应过电压数值计算模型工程适用性不强的问题,分析了雷电感应过电压产生的物理过程,基于时变电磁场理论提出了架空线路雷电回击入射场与感应场的电磁耦合关系,推导得出了架空线路雷电感应过电压时域波形的解析计算模型。计算分析了雷电流幅值、回击速度、雷电流波形对架空配电线路感应雷过电压时域波形的影响规律,结果表明:随着回击放电速度的增加,相同条件下感应过电压幅值有所降低且波头时间增加,当回击电流波前时间增加时,感应过电压幅值也显著降低。该模型解决了传统规程法忽略电磁分量且无法分析工程约束条件对感应过电压波形影响的问题。     

配网金属氧化物避雷器额定重复转移电荷特性探讨

按照IEC 60099-4:2014标准规定,配网用金属氧化物避雷器的能量吸收能力应采用8/20μs波形的雷电冲击电流进行考核,GB/T 11032—2010标准规定采用方波冲击电流进行考核。本文分别对两个系列的金属氧化物电阻片进行方波冲击电流耐受试验和8/20μs雷电冲击电流试验,记录试验前后参考电压数值、波形及残压数值,并对数值、波形进行分析、比对,证实不同系列的金属氧化物电阻片对方波冲击电流和8/20μs雷电冲击电流的响应特性不同,提出配网用避雷器应采用8/20μs雷电冲击电流进行考核,拟修订的GB/T 11032标准应参照IEC 60099-4:2014标准对相关条款进行修订。     

珠江三角洲地区某500kV输电线路引雷对周边10kV配电线路雷击故障的影响分析

为了分析输电线路杆塔架设后的引雷作用对配电线路雷击跳闸风险的影响以制定相关防雷策略,以珠江三角洲某地区某500 kV输电线路周围雷电地闪数据为样本,分析线路架设前后地闪活动分布规律和雷电流幅值概率分布变化情况。使用有限元分析软件对雷电先导下的主、配电线路电场分布情况进行仿真,最后形成结合输电线路周围雷电分布情况与主、配电线路在雷电先导下电场分布情况下,加强绝缘和避雷器安装范围的防雷策略,为输电线路周围配电线路的防雷工作提供依据。     

用于飞机闪电环境测试的连续多脉冲冲击电流发生器电路设计与仿真

随着飞机雷电防护技术的发展,需要能够产生多种大电流波形的设备来模拟雷电流进行相关测试。不同的闪电过程主要在电流幅值、转移电荷量、脉冲电流波形形状有所不同,根据这三方面因素,美国机械工程师协会航空推荐准则(SAE ARP 5412A)和美国国防部军用标准(Mil-Std-1757)等相关标准定义了飞机闪电环境测试波形参数。为了满足飞机闪电环境测试要求,本文设计了一套连续多脉冲冲击电流发生器,由产生不同波形的四部分组成,可用于雷电防护测试和特殊放电环境测试,旨在模拟闪电环境并对飞机雷电防护措施有效性做出验证,为机体设计和结构优化提供试验平台。     

湖北地区云地闪电频次及雷电流幅值时间分布特征

为进一步深入研究云地闪电频次及雷电流幅值随时间变化特征,为雷电防护工程设计和雷电灾害防御工作提供依据。根据湖北省2006年12月-2013年雷电定位系统(Lightning Location System,LLS)监测的相关资料,采用数理统计方法 ,对云地闪电频次和雷电流幅值的年、季、月、日等时间分布进行了统计分析。结果表明,年平均负闪电频次占95.9%,正闪占4.1%,平均正闪电强度47.2 kA,负闪34.5 kA,总闪35.1 kA。夏季闪电最多,主要发生在白天;冬季闪电最少,主要发生在夜间。闪电频次月变化呈单峰型,7月闪电最多,12月最少,3-9月份闪电次数占全年闪电97.0%,7-8月为雷电高发期,6-9月白天闪电多于夜间,其他月份夜间多于白天。正闪电强度月变化大致呈"V"型,负闪电强度月变化幅度较小。闪电频次和强度日分布均呈单峰单谷型,最大值一般出现在清晨至上午气温相对较低的时段,最小值出现在气温相对较高的午后至傍晚时段。正闪电频次百分比月变化大致呈"U"型,1月和12月份正闪百分比在30%以上,其他月份较低,日分布大致呈单峰单谷型,最大值在10-11时,最小值在14-15时。正闪电强度与气温高低呈负相关关系。其主要原因可能与空气密度有一定关系,具体原因有待进一步研究。     

香港地区雷击现象统计分析

雷电的统计分布特性是雷电科学研究的重要基础。利用香港2005年至2014年雷电闪监测资料,进行了雷电的时域分布和雷电流的统计分布特性分析。研究表明:十年雷电总数的逾半数集中分布于极少数日子,深入挖掘相关数据可以为电力系统防雷提供新的可能。香港地闪雷电流幅值频率分布特征随闪电极性有显著差异,负闪雷电流幅值及出现频次均高于正闪。利用IEEE雷电流幅值概率分布公式计算了雷电流幅值的概率密度分布曲线方程,能较准确地反映香港雷电活动规律。