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。     

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。     

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。     

雷电电磁脉冲场的近场近似

采用雷电回击电流的传输线模型得到了雷电电磁脉冲场的近场近似。近似结果与精确解的比较表明 ,电场和磁场的波形与雷电通道底部电流的波形相似 ,两者之间的差别随观测点到通道距离的缩短而减小     

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DU模型雷电回击电磁场的计算

基于 DU模型计算雷电回击电磁场时 ,用电晕电流和击穿电流拆分雷电回击通道标准电流 ,合理选取此二电流放电时间常数能较好地再现雷电回击测量场的 4个特征     

基于FDTD算法的分布式串联电感雷电回击模型特性研究

雷电通道模型被广泛用于低电离层的瞬态光学发射、雷电高能辐射、地球电磁环境以及雷电与各种对象的相互作用的研究中。介绍基于麦克斯维尔方程组的串联分布式电感模型,通过采用时域有限差分法（FDTD）对麦克斯韦方程进行数值求解以获得雷电通道的电流分布。为了获得所期望的雷电波传播速度及回击通道等效阻抗,在空气介质中的回击通道路径上加载离散化的电感。计算结果表明,在一定范围内合理选择分布式电感参数可以使雷电回击模型呈现获得所期望的电磁特性。     

用偶极子法对闪电电磁场的计算

为研究闪电回击产生的电磁场 ,建立了一种简单的闪电回击电流模型。由电流密度的时空分布 ,用偶极子法计算了电流源产生的电磁场 ,给出了不同距离处电磁场的值。     

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。     

基于FEM的雷击室内电磁场计算

采用有限元分析方法计算了建筑物框架遭受雷击时室内电磁场的分布。对于相同的建筑物框架,比较了有限元分析法与成熟的电路法的计算结果,得出有限元法的优势是可以考虑地中散流的情况。研究结果表明,采用有限元方法能够运用于雷击对室内建筑物电磁环境的评估。     

回击参数对闪电电磁场的影响

基于 MTL L 闪电回击模型研究了不同回击速度和回击通道高度对不同场区的回击电磁场的影响。结果表明 ,通道高度在 (1～几十 ) km的范围内时对地面电磁场影响比较小 ,而回击速度对电磁场的影响比较明显。     

贵州地区地闪的分布特征及防护效率分析

针对ADTD闪电定位系统2007--2011年在贵州地区监测的2631725次闪电资料,统计分析了贵州地区地闪特征及其直击雷防护效率,为该地区的雷电防护工程设计和雷电风险评估提供了参考依据。     

横电磁波小室校准系统产生标准电场的不确定度评定

电场传感器需要通过校准才能应用于电场测量,校准系统的不确定度反映了传感器校准结果的可信赖程度,所以需要评定校准系统的不确定度。横电磁波(TEM)小室具有成本低、内部电场均匀性好、幅值较高等优点,适用于产生标准电场,进行电场传感器的校准工作。针对光电集成电场传感器的校准需求,建立了一套TEM小室电场传感器校准系统,分析了该系统产生标准电场的各项影响因素包括场均匀系数、TEM小室特征阻抗实部、半空间距离和净输入功率,计算了这些影响因素的标准不确定度。通过不确定度合成,得出TEM小室校准系统在≥95.45%的置信概率下,产生标准电场的扩展不确定度为5.9%,满足校准电场传感器的需求。