地闪弯曲通道在不同观察尺度下的回击电磁场特征分析

基于偶极子法建立了弯曲通道中任意倾斜通道段产生雷电回击电磁场的三维计算模型, 给出了空间倾斜通道微元在柱坐标系下激发电磁场的解析表达式, 以此为基础, 研究了弯曲地闪通道的观察尺度对首次回击和后继回击电磁场计算的影响.结果表明:通道弯曲是导致雷电回击电磁场波形出现振荡的直接原因, 无论是首次回击还是后继回击, 近区电场基本上不会因为通道弯曲而出现振荡, 通道弯曲及其观察尺度也基本不会影响所计算回击电磁场初始峰值(近场区和过渡场区的电场波形为初始拐点)的上升时间, 但会影响回击电磁场波形的初始峰值(或初始拐点)、波形的振荡起伏程度以及波形的频谱能量分布, 且通道的观察尺度越小、观测点的距离越远、通道回击电流的上升时间越短, 对应回击电磁场波形中的振荡起伏越明显.     

弯曲通道长度及倾斜角度对雷电电磁场影响研究

为了得到弯曲通道雷电电磁脉冲场的分布特性,将电流微源偶极子进行水平分解和垂直分解,利用偶极子法对弯曲通道产生电磁场的表达式进行了推导.在此基础上就底部回击通道长度以及上部回击通道倾斜角度对地表电磁场的影响规律进行了相关研究.研究结果表明,弯曲通道的电磁场峰值主要取决于底部放电通道的长度,在中间场和远场区底部通道越长对应的电磁场幅值越小;而倾斜角度对近场区电磁场影响极小,在中间场和远场区电磁场幅值会随着倾斜角度的增加而降低,且距离越远倾斜角度对电磁场幅值的影响越明显.     

雷电斜向放电通道电磁场建模及计算

基于传输线模型,通过将柱坐标系进行旋转变换,建立了斜向放电通道电磁场模型;采用脉冲函数加双指数函数作为通道底部电流,从垂直放电通道电磁场的表达式中推导出斜向放电通道电磁场的计算公式;基于斜向放电通道电磁场模型,研究了不同角度对不同场区地表回击电磁场的影响,认为雷电放电通道越倾斜,雷电流对地面电磁场的影响就越明显。研究了不同回击速度对不同场区地表回击电磁场的影响,结果表明回击速度对电磁场的影响较为明显。     

水平分层大地电导率对倾斜通道LEMP 场影响研究

为了得到水平分层条件下,放电通道倾斜角度、大地电导率以及分层土壤厚度对倾斜通道雷电电磁脉冲(LEMP)场的影响规律,在差分条件下对三维直角坐标系的倾斜放电通道加源方程进行了推导,在此基础上利用时域有限差分(FDTD)法对倾斜通道雷电电磁场进行了建模。研究结果表明,当放电通道倾斜角度改变时,雷电电磁场峰值会随着倾斜角度的增加而出现明显的上升,同时观测点与雷击点之间的距离越大倾斜角度对电磁场的影响越明显。当电导率发生改变时,上层电导率主要影响电磁场的峰值,而底层土壤电导率主要影响电磁场的下降沿陡度和波尾幅值,对电磁场峰值影响较小,基本可以忽略。此外,电场波形的下降沿陡度随土壤上层电导率的减小而增加,随下层电导率的减小而降低。当上层土壤厚度改变时,在影响深度范围内电场波尾幅值会随着上层厚度的增加而增加,但电磁场峰值基本不受影响,而且随着水平距离的增加表层土壤的影响深度在不断加大。     

雷电通道水平电场影响因素分析

影响雷电通道产生的水平电场因素众多,分析其影响因素对电力系统的雷电防护具有重要意义。文中利用运动电荷电磁场方程求解得到闪电回击通道的水平电场和方位磁场,并结合C-R 算法,得到了有限电导率地面上方的水平电场。依据运动电荷电磁场方程的特征分析了不同回击速度、不同距离、不同电导率对雷击产生的水平电场的影响。得出以下结论:水平电场随回击速度增大而减小;水平电场波形呈双极性特征且水平距离越大或电导率越小负向偏移越明显。这些研究结论为输电线路雷电过电压计算打下良好的基础。与其他方法相比,本文方法可以避免远距离电磁场计算中的震荡问题和积分方程的奇异问题。     

LEMP 空间表达式求解及分布规律研究

利用偶极子理论对Maxwell方程组进行了求解,得到了垂直通道与斜向通道模型的雷电电磁场解析表达式。基于此表达式分析了不同高度处雷电电磁场的空间分布规律。研究结果表明,在垂直通道与斜向通道模型中,垂直电场和磁场受观测点高度的影响随水平距离的增加而减小,但是对水平电场而言,在垂直通道模型中其初始峰值随着观测点高度增加而增加,在斜向通道模型中,当观测点在通道下方时电场峰值随着观测点高度的增加而增加,当观测点在通道上方时高度越高电场峰值越小。     

斜向通道地表雷电电磁脉冲场分布规律研究

通过分解电流微元偶极子并求解Maxwell方程组,得到了斜向通道雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse,LMEP)场解析表达式;基于此斜向通道模型,研究了不同方位角和回击速度时的雷电电磁场分布规律.结果显示:近场区电场分量随方位角的变化规律要受到放电通道倾斜程度的影响,但是其他场区的电场分量和任意场区的磁场分量初始峰值均会随方位角的增加而减小;当回击速度改变时近场区电磁场分布规律保持不变,但在中间场和远场区电磁场初始峰值将随回击速度的增大而增大.     

一次雷暴过程云闪放电通道三维结构及其始发阶段特征的观测分析

为了定量描述云闪三维通道的结构演变，通常建立闪电脉冲辐射源与雷达回波强度之间的关系，还可为雷电预警提供有益参考依据.本文基于南京地区的低频三维闪电辐射源定位系统，观测研究了2018-08-03一次强对流天气过程中典型的三次云闪，利用波形互相关算法来确定闪电脉冲到达不同测站的时间差这一定位技术，对云闪的脉冲辐射源点进行三维空间定位，并对其放电通道三维结构特征进行详细分析.结果表明：南京地区此次雷暴过程的三次云闪其始发位置均从6 km高度开始，并近似垂直向上发展，平均发展速度为2.9×10⁵～3.6×10⁵ m/s，在到达10 km高度后，呈现水平发展趋势，而随后的水平发展阶段位于两个高度或集中于同一高度；三次云闪脉冲始发点处的回波强度均小于30 dBZ，且脉冲辐射源点几乎都是从强回波区的上部或者靠近弱回波区处始发，并在弱回波区继续垂直向上发展.利用波形互相关时间差定位技术对云闪的脉冲辐射源进行空间定位，可以较为清晰地描绘云闪的三维通道结构，进而分析得到南京地区云闪始发阶段脉冲辐射源与雷达回波强度之间的定量映射关系.     

通道高度对雷电回击电磁场的影响研究

主要研究了雷电回击通道高度对回击电磁场的影响，同时选取不同通道高度基于BG、TL、MTLE、MULS和TCS五种雷电回击模型计算了雷电回击在不同水平距离产生的地面电磁场，指出了国外文献计算回击电磁场时在选取通道高度方面存在的问题，并作出了合理的解释。     

云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性

针对地闪电磁脉冲计算在广域和高精度方面存在的难题,采用非均匀网格划分技术对均匀网格时域有限差分法进行改进,所提出的非均匀网格时域有限差分法适合广域地闪电磁脉冲计算.计算了100 km以内的地闪地面水平电场(Er),揭示了Er随回击距离变化所体现的波形变化规律.同时分析了大地电导率(σ)和回击速度(v)对该距离内Er的影响.结果表明:Er在2km内呈单极性脉冲,500m内在首次脉冲后出现过零现象且距离越远该现象越明显,50～100km内呈双极性连续脉冲;Er的脉冲幅值、半峰值宽度、脉冲宽度、过零幅度均随σ增大而减小,σ≤2.5×10-3 S/m时尤为明显;v对Er的影响随距离增大明显增强,100m以外的脉冲幅值和10km以外的过零幅度随v增大有明显提高.     

用MCP 方程求解雷电分支通道辐射电磁场

在雷电科学研究和雷电防护技术开发中,闪电通道电磁场辐射特性建模一直是人们关注的重点。人 们常采用理想垂直通道进行建模,用各种解析和数值方法得到较为有效的结果,而研究带分支通道等精细通道结构 的则较少,因而垂直模型得到的场可能和实际测得场有一定偏差。文中基于运动带电粒子(MCP)方程计算了雷电 分支通道的回击电磁场,分别计算了辐射场、速度场与静电场分量以及总场。结果发现分支通道的存在导致了次峰 值的出现,波形与观测点位置、回击速度、分叉点高度等参数有关,运动带电粒子速度矢量的改变正好契合这一特 点,更能体现回击过程中的物理特性。相比于偶极子求解方法,该方法避免了回击电流的微分运算,是一种高效分 析雷电通道辐射场的方法。     

闪电电场时变率与电场变化同步观测研究

闪电电场变化（ΔE）和电场时变率（dE/dt）测量是研究闪电电磁辐射及其传播规律的重要手段. 虽然两者早已应用于闪电观测研究,然而对两者的相互关系及差异少有报道. 本文通过闪电ΔE和dE/dt的同步观测,测出了两次近距离负极性地闪的全波波形. 对比发现:闪电回击dE/dt脉冲积分后与直接采集的ΔE脉冲在回击后100 μs内基本一致,差异主要表现在dE/dt积分波形后期出现的低频分量偏移;预击穿、梯级和直窜先导阶段的dE/dt脉冲更为密集,部分放电脉冲在ΔE波形上无法分辨. 这表明闪电dE/dt测量能够在数据采集设备有限的动态范围内更有效地响应闪电高频辐射,因而对先导等小尺度击穿过程更为敏感,所以dE/dt传感器可以成为闪电电场测量的有效补充.     

Analyse du champ électromagnétique dû à une décharge de foudre dans les domaines temporel et fréquentiel

The paper presents an analysis in the time and in the frequency domain of the electromagnetic field originated by negative lightning return strokes, calculated at ground level. The analysis is performed on the basis of the « Transmission Line » model modified by the authors, which gives results in good agreement with experimental data. The influence of several parameters which deeply affect the time waveshape and the frequency spectra of the electromagnetic field has been investigated. These parameters are : the rise time and the peak value of the lightning current pulse, its velocity of propagation and the rate of decreasing of the intensity of the current pulse propagating along the channel. The influence of other parameters such as the lightning channel height and the distance of the observation point is also analyzed. It is shown that the height of the channel does not affect practically the electromagnetic field. Two simplified expressions of the electromagnetic field used for the calculation of overvoltages induced on transmission lines are discussed in order to assess their validity limits.     

低频/甚低频电磁脉冲测量系统研究

为了准确地测量电磁脉冲（electromagnetic pulse,EMP）的波形,开展低频/甚低频（low-frequency/very low-frequency,LF/VLF）EMP的形成和传播机理研究,识别不同EMP的特征,并以此为依据来识别、确认雷电及核爆炸等现象,提出了一种高分辨率的EMP原始波形测量系统方案,同时针对LF/VLF这一较低的频段提出了一套有效的系统标校方法,实现了对EMP的连续、准确测量和快速有效判别,并能通过网络实时上传数据.系统采用正交环磁场天线和平板电容电场天线实现信号的接收,设计了低噪声高保真的信道调理电路和高速数据采集电路来实现信号的采集,利用高精度的授时模块为EMP信号标记时间戳,最后结合多点监测波形实现EMP定位估计.实测结果表明:该系统能够给出高分辨率、高精度的LF/VLF EMP波形;利用该系统组网可以实现远距离EMP源的定位,定位精度与目前近距离的定位手段相当.通过长期的运行,验证了该系统具有高可靠、低失真、判别准确、实时性强等特点.     

On Representation of Lightning Return Stroke as a Lossy Monopole Antenna With Inductive Loading

In this paper, a modification of the antenna theory (AT) model of the lightning return stroke to include inductive loading is presented. The distributed inductive energy-storing elements are used in the modified AT model (designated as ATIL model, where IL stands for inductive loading) to control the propagation speed of the upward traveling current wave without using an artificial, higher permittivity dielectric medium, as done in the original AT model. The variation of the propagation speed along the channel is also considered in the proposed model. As in the original AT model, resistive loading is used to account for the current attenuation with height. Numerical solution of the electric field integral equation in the time domain using the with appropriate boundary conditions yields a time-space distribution of current along the lightning channel. This current distribution and the resultant electromagnetic fields for the ATIL model are compared with those predicted by other time-domain and frequency-domain electromagnetic models. The current distribution predicted by the ATIL model exhibits features (such as current dispersion) that are more consistent with optical observations of lightning compared to the predictions of the original AT model.