廣州高建筑物地閃水平磁場頻譜特征分析

曾陽斌,殷啟元,胡銳俊

( 廣東省氣象公共安全技術支持中心,廣東 廣州 510080)

1 引言

隨著城市的經濟水平發展，為了提升城市的形象，高建筑物甚至是超高建筑物日益不斷的增多，使得雷電的強電磁脈沖對建構筑物的影響也日益增加[1-4]。閃電對地放電過程可以等效為與大地垂直的電偶極子天線，對于不能直接用分流器或者安裝Rogowski線圈測量雷電流的，一般都會采用將磁天線放置于地面對地閃過程產生的水平磁場進行測量[7,8]。本研究在廣州高建筑物雷電觀測站(距離地面約80 m)架設一副正交環天線對珠江新城高建筑物群自然閃電地閃過程進行測量[5-7]。本文主要對2012年觀測結果頻譜特征進行分析，從而為雷電防護中雷電電磁脈沖侵入防護提供參考。

2 設備架設

本研究所用的磁天線是3個正交的磁環，如圖1所示。本文僅采集東西分量和南北分量2個磁環數據，2個正交磁環外部均采用鋁質材料構成的圓管狀矩形，利用環氧樹脂材料隔離開外導體，以免形成導電環路，確保內部線圈對磁場信號的接收，內部導線線圈采用75 Ω同軸電纜構成[8-9]。

本文主要對珠江新城地區高建筑物群的自然閃電接閃過程進行觀測，距離觀測點較遠，2個正交磁環天線分別置于被觀測物的東西和南北方向，以便接收測點位置地閃過程所產生的磁場信號，根據兩正交磁環天線得到的磁場波形峰值，即地閃水平磁場東西分量和南北分量的峰值，可以實現對雷電發生位置定向測量，通過2個向量合成可以獲得接閃點處地閃水平磁場波形。

3 數據獲取與處理

①廣州高建筑物雷電觀測站的主要觀測設備包括閃電連接過程光學觀測系統(Lightning Attachment Process Observation System，簡稱LAPOS)、數字化高速攝像機、快慢電場變化儀以及磁場天線等聲、光、電、磁綜合觀測設備。本文采用的正交磁環天線環的面積為30 cm×30 cm，帶寬為100 Hz～0.5 MHz，輸出范圍為±10 V；采用DL750示波器同步采集存儲，采樣率是10 MHz，記錄長度為2 s，預觸發位置為40%。

圖1 2012年5月6日16時04分05秒實測的地閃水平磁場波形Fig.1 The horizontal magnetic field waveform of ground lightning on May 6, 2012 16∶04∶05

②本文主要分析地閃回擊過程磁場波形，觀測點位于廣州市城區高樓樓頂，周圍電磁環境較為復雜，對探測數據有一定影響。本文采用小波閾值去噪法和基礎噪聲歸零法。對比小波閾值軟去噪法和小波閾值硬去噪法發現，小波閾值軟去噪法處理后波形較為平滑，故選用該方法。圖2為F1245和F1206回擊時刻磁場合成波形去噪處理前后對比圖[13,14]。

圖2 F1248首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖(高度600 m，距離2 390 m)Fig.2 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1248(Height:600 m; Distance:2 390 m)

圖3 F1206首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖F1206(高度90 m，距離470 m)Fig.3 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1206(Height:90 m; Distance:470 m)

4 磁場頻譜分析

本文共分析4次多回擊地閃過程水平磁場頻譜特征[14]，即F1206，F1210，F1247，F1248，基本觀測信息見表1。4次地閃過程的每次回擊磁場能量分布見圖4。

表1 自然閃電基本觀測信息表Tab.1 The basic observation information table of lightning

圖4 地閃過程的回擊磁場能量分布圖Fig.4 Energy distribution diagram of return stroke magnetic field in ground lightning

F1206102～104F1210102～104F1247102～105F1248102～105199.6199.1199.981100297.1298.3299.5297.5398.7398.6399.73100497.3498.1499.8499.9599598.4598.65100698.26699.5699.97977799.2894.5994.91099.11198.61298.71397.11499

從圖4和表2可知，F1206和F1210的磁場能量主要集中在102～104 Hz內，F1247和F1248的磁場能量主要集中在102～105 Hz內。F1206和F1210接閃高度90 m和110 m，F1247和F1248接閃高度440 m，可推知接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。

5 結束語

①在廣州高建筑物雷電觀測站架設完成一套正交磁環天線，獲取到了珠江新城高建筑物群地閃水平磁場東西分量和南北分量。

②采用小波軟閾值去噪法和基礎噪聲歸零法對合成的地閃回擊過程磁場數據進行數據處理，較好地還原了接閃點雷電流磁場波形。

③根據對所統計的回擊過程磁場波形頻譜分析發現，接閃高度較低的磁場能量主要在102～104 Hz內，接閃高度較高的磁場能量主要在102～105 Hz內，故對地閃過程產生的強電磁場脈沖影響的屏蔽設計，應著重考慮這一頻段,接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。