人工触发闪电

本文基于国外近二十年人工触发闪电试验发表的文献。结合我们的工作经验及一些看法,从人工触发闪电的物理概念、技术、触发条件、特性及应用等方面,对人工触发闪电作了一个定性的较系统的概括。     

人工触发闪电直窜先导-回击放电参量的估算

利用2005和2006年夏季在山东人工触发闪电实验中获取的近距离电场和电流资料,对14次直窜先导-回击放电过程的放电特征参量进行了估算.结果表明,利用实测直窜先导电场结合源电荷先导模式得到的结果与利用实测电流结合传输线模式得到的结果接近,说明2种估算方法都是可行的.人工触发闪电回击速度平均值为2.14×108 m/s,与自然闪电继后回击速度接近;直窜先导速度比回击速度小一个量级;直窜先导电流范围为0.5～6.1 kA.人工触发闪电直窜先导线电荷密度、电位分别为71.4μC/m和9.77MV,均与回击峰值电流呈正相关,直窜先导速度、回击速度与回击峰值电流没有相关性.反演得到的空中触发闪电回击电流峰值的变化范围为12～39 kA,与利用传输线模式估算的结果非常接近,这为难以直接测量的空中触发闪电电流的反演提供了一个有效方法.     

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。     

人工触发闪电引发的低压电源系统过电压特征

针对全国自动气象站采集器屡遭雷击致使不能正常业务运行的现象,开展了自动气象站电子设备电源系统雷电防护试验。利用人工触发闪电技术,对自动气象站采集器电源线路感应过电压进行了观测,对雷击造成的感应效应和采集器等电子设备的雷电防护关键技术进行了探讨。分析了多回击触发闪电引起输电线路的感应过电压特征、浪涌保护器(SPD)残压特征以及与触发闪电之间的关系。结果表明:近距离触发闪电的回击过程在架空线路上产生峰值达十几kV的双极性感应过电压,过电压可分为主峰值段和后续过电压两个阶段,其平均持续时间分别约100μs和4 ms,后续过电压持续时间与回击后连续电流的波动有关;在人工触发闪电的初始连续电流阶段也能感应>2 kV的过电压,且持续时间较长,过电压集中段时间约12 ms,平均电压332.5 V,其对输电线路造成的危害也不容忽视。SPD残压峰值与触发闪电电流峰值有较好的正相关关系,相关系数为0.86,SPD残压特性稳定,在一定程度上起到了限压泄流的作用。     

一次触发闪电引起的SPD接地线电流特征分析

基于一次人工触发闪电,对架空配电线路上氧化锌避雷器（surge protective device,SPD）的接地线电流特征进行了分析。在分析时发现,近距离闪电发生时,架空线路耦合产生过电压引起的SPD接地线电流峰值达到-961.0 A,平均10%~90%上升时间为17.5 μs,平均半峰值时间为68.1 μs,与实验室标准测试波形有较大的差异。另外,仅由于雷电电磁脉冲产生感应过电压的冲击,SPD是不容易被损坏的。经相关性分析发现,回击引起SPD接地线电流参数与触发闪电10%~90%上升时间对应陡度有密切的关系,SPD接地线电流峰值、半峰值时间、中和电量以及单位电阻能量都与其有较好的线性相关,拟合优度R2分别为0.83、0.83、0.90及0.94。     

闪电定位资料与人工引雷观测结果的对比分析

闪电定位系统(LLS)是目前最主要的雷电监测手段,在雷电预警以及雷电防护等工作中起着重要的作用,但其性能指标大多基于理论分析,实际检验工作一直比较缺乏。为了对闪电定位结果的精确性进行检验,利用2007/2008年广州从化人工触发闪电的近距离光电观测数据,分析了广东电网闪电定位系统对人工触发闪电事件及其回击过程的探测效率和探测精度。结果表明:对于14次包含有回击过程的人工触发闪电事件,闪电定位系统共探测到13次探测效率约为93%(即13/14);对于能够利用观测资料确认的62次回击过程,闪电定位系统共探测到26次,探测效率约为42%(即26/62);参与定位的站数≥3个的回击记录有24次,其中有21次回击过程属于接地点已知的地面触发闪电事件,闪电定位系统对这些回击过程接地点位置的平均定位误差约为760m;对于其中9次有雷电流直接测量结果的回击过程,闪电定位系统雷电流峰值反演结果的相对误差约为14%。     

一次触发闪电引起的独立地网转移电位特征分析

基于人工触发闪电T179的10次回击过程,分析了雷电流作用下2个独立地网的相互作用及转移地电位特征,并通过冲击低压电源浪涌保护器（SPD）,计算和评估了转移地电位冲击SPD的能量。结果发现,地网隔离40 m距离产生的转移电位（TGP）电压峰值比较大,平均值可达–10.9 kV。TGP电压峰值与触发闪电电流峰值之间呈现非常好的正相关性,拟合优度R²达到0.97。冲击SPD的能量比较小,10次回击平均值为1.5 J,电子设备加装SPD浪涌保护器是相对安全。     

两次仅有连续电流的负极性人工引发雷电特征分析

对2006年8月28日在广州从化人工引发的两次雷电(F184626和F185503)的特征进行了分析。这两次触发闪电都是经典负极性慢型放电过程,整个放电过程仅有连续电流没有回击,但连续电流过程中包含有多个M分量。两次过程触发时地面电场分别为-6.1 kV/m和-8.2 kV/m,触发高度分别约336 m和244 m。资料分析表明,两次人工引发雷电形成稳定上行正先导之前,出现多次明显的双极性脉冲,脉冲间隔平均值分别为18.12 ms和16.64 ms;在上行正先导产生初始阶段出现明显的阶梯特性,梯级先导脉冲的平均间隔分别为20 ms和24 ms,总持续时间都约为250 ms,脉冲的宽度约1 ms。8月28日的两次触发闪电与以往北方正极性的慢型放电过程相比有连续电流持续时间较长等特征。     

闪电通道温度测量方法

针对自然界闪电通道温度特性研究的诸多局限性,通过将原子光谱理论与局部热力学平衡(LTE)模型应用于闪电光谱的研究,采用雷电冲击平台(ICGS)模拟闪电通道放电,对模拟闪电通道中红外波段光谱(930 nm)与可见光波段光谱(648.2 nm)的光谱能量进行计算分析。分析结果为:当模拟闪电通道电流为5~50 k A时,红外波段与可见光波段谱线的发光强度峰值与闪电通道电流呈正相关;闪电通道温度在6 140.8~10 424 K范围内变化,闪电通道内电流与其内温度具有较好的指数函数关系,且此函数与自然界中闪电通道电流和闪电通道温度关系具有较好的一致性。     

“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。     

避雷针和半导体消雷器的火箭引雷试验分析

介绍了对普通避雷针和半导体消雷器进行的火箭引雷试验,列出了全部试验结果,包括用普通照相机的B门进行静态拍摄所得的典型照片以及用示波器记录的雷电流波形。讨论了雷击半导体消雷器和普通避雷针间的显著差别,说明半导体消雷器具有极大的限流能力。     

人工引雷及其在雷电防护中的应用

自１９８９年以来，利用火箭－导线技术在我国南方和北方进行了多次人工引雷试验，共获得２５次成功。其中北方１４次，南方１１次。南、北方的人工引雷特性存在着显著差异。本文总结了这些试验的一些主要结果，探讨了人工引雷在雷电防护中的应用，指出人工引雷技术是检验雷电防护器件及设施和促进雷电防护技术发展的有力工具。     

架空输电线路雷击感应过电压耦合机理及计算方法分析

目前国内雷击杆塔时的电感模型计算方法与国外通用的波阻抗计算方法有很大不同，计算结果出入较大。文章探讨了雷击架空线路附近地面(感应雷)与雷击杆塔时架空线上产生的感应过电压的异同点，认为二者，一个主要是电磁场的耦合，一个主要是线路的耦合；但雷电对架空线的影响都体现在雷电通道中电流和电荷对架空线的影响。场路耦合是统一的，实际应用中不能重复计算这两种影响。此外电感模型的计算误差是由电感对电流的微分响应造成电压损失产生的。并用工程实例计算结果证明了上述结论的正确性。     

Lightning Observation in 3D Using a Multiple LF Sensor Network and Comparison with Radar Reflectivity

A three‐dimensional (3D) lightning mapper consisting of multiple low‐frequency (LF) sensors has been developed to monitor thunderstorms and to estimate their charge structure. We have been conducting an observation campaign using the 3D lightning mapper in Kansai, Japan, since October 2012. In this study, we determine 3D source locations of intracloud and cloud‐to‐ground flashes and compare them with the radar reflectivity estimated by phased‐array radar (PAR) with high temporal and spatial resolution. Most LF sources are located in high radar reflectivity regions, confirming that the 3D LF lightning mapper monitors thunderstorms. A lightning flash with heavy branches is clearly imaged. Based on the bidirectional leader theory that negative and positive ends of a lightning leader develop simultaneously, we estimate the positive and negative charge regions in a thundercloud from the LF source locations. The radar reflectivity estimated by PAR supports the charge structure estimated by LF source locations.     

雷电保护装置的有效性研究

In addition to the conventional Franklin Rod,many non-conventional air terminals are being used as lightning protection devices.As cited in previous works,these non-conventional devices emit space charge in the vicinity of the terminals during the process of lightning stroke.A number of factors affect the performance of these lightning protection devices,among them are geometry and dimension of the devices,location of the device above the ground,height of the cloud above the ground,and polarity of the lightning stroke.The performance of these lightning protection devices has been a topic of discussion by researchers for many years.Some studies focused on the magnitude of emission current from these devices as a criterion to evaluate their performances.The critical flashover voltage(CFO)between the devices and a metal screen simulating cloud can also be used as another criterion to evaluate the performance of the devices.Laboratory measurements were conducted in controlled conditions on different types of lightning protection devices to compare their performance.Four different types of devices were used in the present study:Franklin Rod,TerraStat models TS 100,TS 400,and Spline Ball Ionizer.The study focused on the CFO voltage of the air gap between devices and the metal screen.The CFO voltage was evaluated using standard switching and lightning impulses.The measurements were recorded for positive as well as negative polarity.The air gap between the devices and metal screen was selected at 2 m and 3 m.The results obtained provide a better understanding of the electrical performance of lightning protection devices.     

广州地域1999～2008年地闪密度图及雷电参数分析

为掌握高雷区雷电活动规律,以广州地区1999~2008年间雷电定位数据为基础,利用雷电参数统计技术及综合分析平台,结合GIS系统,详细研究了广州地域地闪总数、地闪密度、雷电幅值、雷电幅值概率分布及雷电日等重要雷电参数。研究表明广州地区地闪分布季节性明显,54%~83%的地闪主要集中在夏季;地闪密度空间分布具有较强的规律性,与海拔高度关系密切,相比雷电日更能科学反映实际雷电活动分布和变化特征;正负极性雷电流幅值均有明显的集中性。以广州电网500 kV蓄增甲线为例,分析得到走廊沿线雷电活动与雷击故障具有较强的相关性,对于解决高雷区长期电网防雷难题更有指导意义。     

Estimation of the current peak value distribution of all lightning to the ground by electro‐geometric model

When we examine the lightning frequency and the lightning shielding e?ect of the electro‐geometric model (EGM), we need the current distribution of all lightning to the ground. The distribution of lightning current to structures is di?erent from this distribution, but it has been used in EGM conventionally. We assumed the lightning striking distance coe?cient related to the height of structures in order to obtain a result which corresponds to the observed frequency of lightning to structures, and estimated the current distribution of all lightning to the ground from data listed in the IEC 62305 series of EGM. The estimated distribution adjusted by the LLS detection e?ciency agreed well with the distribution observed by LLS. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 184(3): 14–26, 2013; Published online in Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com). DOI 10.1002/eej.22356     

地闪回击电流近区跨步电压研究

讨论了计算跨步电压常用的静电场算法的局限性,提出了采用近似镜像法及“近似镜像法+表面阻抗法”计算地闪回击电流附近地面水平电场来求取跨步电压的时域算法。根据人工引雷实测电流计算了其近区跨步电压的波形,取得了与实测数据一致的结果。计算结果表明,跨步电压随径向距离的变化规律在很大程度上取决于大地电导率,计算跨步电压的静电场公式即便用于计算跨步电压峰值,在大地电导率较高时也会有较大的误差。     

Study concerning production of lightning overvoltages on low‐voltage power distribution lines

In order to study lightning problems of low‐voltage power distribution lines, lightning overvoltage waveforms were observed inside the homes of customers. The cause of lightning overvoltages was examined from observation of striking points by still cameras. Lightning overvoltages of 62 waveforms were recorded by observation over a period of about 3 1/2 years. Observed waveforms can be classified into three types of single polarity (positive or negative), both polarities (which change from positive to negative or negative to positive), and pulsive waveform. The causes of these lightning overvoltages which were estimated from striking points are shown as follows: (1) Induced lightning overvoltages on low‐voltage distribution lines. (2)   Electric potential rise due to discharge of surge arresters or current of overhead ground wire. (3)   Shift of lightning overvoltages from high‐voltage side of transformer to low‐voltage side, which is due to electromagnetic induction. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 130(4): 66–75, 2000