火箭引雷至架空線路與地面近距離磁場(chǎng)對(duì)比分析

蔡 力 杜懿陽(yáng) 胡 強(qiáng) 周 蜜 王建國(guó)

火箭引雷至架空線路與地面近距離磁場(chǎng)對(duì)比分析

蔡 力 杜懿陽(yáng) 胡 強(qiáng) 周 蜜 王建國(guó)

（武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072）

2019年夏季在廣東開(kāi)展了引雷至架空線路和引雷至地面兩種工況下的人工引雷試驗(yàn)。分別對(duì)兩種不同試驗(yàn)工況雷電產(chǎn)生的不同距離磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量。分析了不同距離的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值、先導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值、回?fù)舸鸥袘?yīng)強(qiáng)度峰值、10%～90%上升時(shí)間和半寬時(shí)間等磁場(chǎng)波形參數(shù)，對(duì)比了兩種引雷情況下不同距離回?fù)舸艌?chǎng)波形參數(shù)的差異。結(jié)果表明，引雷至架空線路情況下磁場(chǎng)幅值更低，約低12%，引雷至線路情況下磁場(chǎng)10%～90%上升時(shí)間和半寬時(shí)間更大，分別高出約60%和70%。總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值隨著距離的增大呈冪函數(shù)衰減，引雷至地面情況下總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值衰減得更快。回?fù)舸鸥袘?yīng)強(qiáng)度峰值同樣呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，而先導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與距離之間不存在明顯單調(diào)變化的關(guān)系。兩種引雷情況下，不同距離的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與回?fù)綦娏鞣逯抵g均存在線性關(guān)系。

火箭引雷 回?fù)?架空線路 磁場(chǎng) 回?fù)綦娏?/p>

0 引言

雷電是一種自然放電現(xiàn)象，通常具有大電流、快變化的放電特征，會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)萬(wàn)安培的脈沖電流，在幾千米甚至幾百千米外仍能觀測(cè)到輻射的電磁脈沖[1-3]。我國(guó)輸配電線路每年遭受雷擊高達(dá)35萬(wàn)余次，輸電線路雷擊跳閘次數(shù)約占總跳閘數(shù)的50%，雷擊故障一直是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，獲取真實(shí)的閃電參數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)雷電防護(hù)具有重要意義[4-6]。自然閃電的強(qiáng)隨機(jī)性導(dǎo)致其觀測(cè)效率較低，而火箭引雷技術(shù)能夠在指定的時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行引雷，便于集中多種測(cè)量手段對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)。同時(shí)相關(guān)研究表明，人工觸發(fā)閃電回?fù)艉妥匀婚W電的繼后回?fù)糁g具有一定的相似性[7-9]。

首次人工引雷試驗(yàn)于1966年由M. M. Newman等[10]在美國(guó)佛羅里達(dá)州海上的一艘船上進(jìn)行。自1973年以來(lái)，法國(guó)[11]、日本[12]、中國(guó)[13]和巴西[14]等相繼開(kāi)展了人工引雷試驗(yàn)，并在陸地上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。自1989年以來(lái)，中國(guó)分別在江西、甘肅、北京、廣東和山東進(jìn)行了人工觸發(fā)閃電試驗(yàn)[15]，特別是近10年中，中國(guó)氣象科學(xué)研究院和大氣物理研究所的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)分別在廣東省[16]和山東省[17]持續(xù)開(kāi)展了人工引發(fā)的雷電試驗(yàn)，加深了人們對(duì)雷電物理過(guò)程的理解。不同地區(qū)的雷暴云特性以及地理環(huán)境很不一樣，這會(huì)導(dǎo)致不同地區(qū)觀測(cè)的雷電參數(shù)有差別，仍需積累更多的本土雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)。

閃電近距離磁場(chǎng)波形對(duì)雷電物理研究非常有用，除了驗(yàn)證閃電模型的有效性[18]，還可用來(lái)估計(jì)閃電的電流峰值[19]。V. A. Rakov等[20]于1998年展示了兩個(gè)空中觸發(fā)閃電回?fù)粼?0 m和90 m處的磁場(chǎng)波形。M. A. Uman等[21]于2002年表明15 m處的回?fù)舸艌?chǎng)導(dǎo)數(shù)波形與回?fù)綦娏鲗?dǎo)數(shù)波形有很好的一致性。D. E. Crawford等[22]報(bào)道了1997年在佛羅里達(dá)州測(cè)量的11次回?fù)舻?.5 m和10.3 m的磁場(chǎng)波形參數(shù)。J. Schoene等[23]于2003年報(bào)道了1999—2000年在佛羅里達(dá)州Camp Blanding測(cè)量的觸發(fā)閃電回?fù)舻拇艌?chǎng)和磁場(chǎng)導(dǎo)數(shù)的波形參數(shù)。Yang Jing等[17]于2010年報(bào)道了2005—2009年在山東濱州測(cè)量的32個(gè)觸發(fā)閃電回?fù)舻拇艌?chǎng)波形參數(shù)，并基于改善后的傳輸線模型（Modified Transmission-Line model with Linear current decay with height, MTLL）分析了回?fù)羲俣取⒕嚯x、電流上升時(shí)間和峰值電流對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值和各磁場(chǎng)分量占比的影響。

相關(guān)研究已經(jīng)表明被擊物體的屬性會(huì)影響雷電的參數(shù)，例如當(dāng)閃電擊中數(shù)百米的高塔時(shí)，雷電流會(huì)在高塔的阻抗不連續(xù)處發(fā)生折反射，這會(huì)增強(qiáng)高塔內(nèi)部的雷電流，增強(qiáng)的雷電流會(huì)輻射出更強(qiáng)的電磁場(chǎng)[24-27]，從而導(dǎo)致閃電定位系統(tǒng)高估擊中高塔閃電的電流峰值。陳懷飛等[28]基于雷電回?fù)艄こ棠Ｐ停⒘孙L(fēng)機(jī)回?fù)綦姶艌?chǎng)計(jì)算模型，仿真結(jié)果證明，相比平地雷擊，風(fēng)機(jī)雷擊的回?fù)綦姶艌?chǎng)波形明顯不同，存在明顯的初始尖峰，且達(dá)到初始峰值后迅速衰減，波形存在振蕩。

架空線路是電力網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)與高塔、風(fēng)機(jī)不同，接地條件也與雷電直接擊中地面的情況不同。因此，有必要研究雷電與架空線路的相互作用。目前關(guān)于人工引雷直擊架空線路的研究較少，本文將分析引雷至地面和引雷至架空線路情況下人工觸發(fā)閃電的近距離磁場(chǎng)參數(shù)特征，比較其是否存在差異，并分析磁場(chǎng)參數(shù)與測(cè)量距離之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)和數(shù)據(jù)

2019年夏季，武漢大學(xué)雷電防護(hù)與接地技術(shù)教育部工程研究中心與廣東電科院、中國(guó)氣象局合作，在廣東省廣州市從化區(qū)開(kāi)展了火箭引雷試驗(yàn)。

火箭引雷的基本過(guò)程如下：首先要確保存在合適的雷暴天氣條件，大氣電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到閾值，然后發(fā)射引雷火箭，火箭底部通過(guò)金屬導(dǎo)線與引流桿相連。當(dāng)火箭上升到一定高度時(shí)，由于尖端放電效應(yīng)，在導(dǎo)線上端會(huì)產(chǎn)生上行正先導(dǎo)。上行正先導(dǎo)以104～105m/s的速度向云內(nèi)發(fā)展。之后產(chǎn)生類似于自然閃電的箭式先導(dǎo)-繼后回?fù)舻姆烹娺^(guò)程，即引雷成功。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1所示，一共進(jìn)行了兩種方式的人工引雷試驗(yàn)，一種是引雷至10 kV架空線路，另一種是引雷至地面。架空線路的塔距為70 m，高度為10 m，總長(zhǎng)度為1 513 m，共包含22基桿塔。當(dāng)引雷至架空線路時(shí)，雷電流由引流桿和導(dǎo)線引入架空線路的C相；當(dāng)引雷至地面時(shí)，雷電流經(jīng)由引流桿直接流入土壤。火箭引雷都是在有雷暴天氣過(guò)程的條件下進(jìn)行的，多伴有下雨過(guò)程。引雷到地面工況下，地面土壤鋪設(shè)有10 m×10 m田字形接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的接地阻抗約為6.7 Ω；引雷到架空線路工況下，架空線路每級(jí)桿塔接地采用單根垂直接地體，桿塔接地電阻為25～110 Ω；試驗(yàn)區(qū)域的土壤電阻率在180～200 Ω·m 之間。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意圖

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)用于測(cè)量雷電產(chǎn)生的近距離磁場(chǎng)波形，如圖1中所示。磁場(chǎng)傳感器的基本組成部分是纏繞了數(shù)匝線圈的磁棒，磁棒直徑為10 mm，長(zhǎng)度為177 mm。磁場(chǎng)傳感器示意圖如圖2所示。輸出的電壓與磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系由法拉第電磁場(chǎng)感應(yīng)定律給出。

式中，為穿過(guò)線圈的磁通量；為線圈匝數(shù)；為線圈的面積。磁場(chǎng)傳感器的3 dB帶寬為40 kHz～0.8 MHz，增益為0.05 mV/nT。觀測(cè)點(diǎn)1距離擊中架空線路的閃電通道18 m，距離擊中地面的閃電通道58 m，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采樣率為10 MHz。觀測(cè)點(diǎn)2距離擊中架空線路的閃電通道130 m，距離擊中地面的閃電通道90 m，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由示波器進(jìn)行采樣，采樣率為50 MHz。觀測(cè)點(diǎn)3距離擊中架空線路的閃電通道1 550 m，距離擊中地面的閃電通道1 600 m，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，采樣率為5 MHz。

圖2 磁場(chǎng)傳感器示意圖

雷電流使用電阻值為1 mΩ的同軸分流器進(jìn)行測(cè)量，可測(cè)量雷電流的范圍為-50～50 kA，電流數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳輸?shù)蕉嗤ǖ栏咚贁?shù)字示波器進(jìn)行記錄，采樣率為50 MHz。雷電流與磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的記錄長(zhǎng)度均為2 s。

表1給出了2019年獲得的所有人工引雷事件回?fù)舻拇艌?chǎng)波形信息數(shù)量。引雷至地面情況下，觀測(cè)點(diǎn)1、2、3可供定量分析的回?fù)魳颖緮?shù)分別為54、39、20，總計(jì)113次回?fù)簟Ｒ字良芸站€路情況下，觀測(cè)點(diǎn)1、2、3可供定量分析的回?fù)魳颖緮?shù)分別為12、47、27，總計(jì)86次回?fù)簟D3給出了兩種引雷情況下三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的典型回?fù)舸艌?chǎng)波形。圖3a～圖3c為引雷至地面情況，圖3d～圖3f為引雷至架空線路情況。

表1 各觀測(cè)點(diǎn)的回?fù)舸艌?chǎng)波形數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 兩種引雷情況下三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的回?fù)舸艌?chǎng)波形

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 引雷至地面不同距離的回?fù)舸艌?chǎng)參數(shù)

典型近距離回?fù)舸艌?chǎng)波形及參數(shù)定義如圖4所示，針對(duì)回?fù)舸艌?chǎng)波形，定義了5個(gè)波形參數(shù)：總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值T（μT）、先導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值L（μT）、回?fù)舸鸥袘?yīng)強(qiáng)度峰值RS（μT）、10%～90%上升時(shí)間10-90（μs）、半寬時(shí)間HPW（μs）。半寬時(shí)間指的是回?fù)綦A段中磁感應(yīng)強(qiáng)度上升至50%RS到下降至50%RS的時(shí)間間隔。

圖4 典型近距離回?fù)舸艌?chǎng)波形及參數(shù)定義

本文將磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值劃分為先導(dǎo)階段和回?fù)綦A段兩部分。圖5給出了某次回?fù)舻碾娏骱痛艌?chǎng)同步測(cè)量波形，可以發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)波形的前沿部分由變化速率不同的兩段組成。結(jié)合電流波形，可以推定變化較慢的部分對(duì)應(yīng)先導(dǎo)過(guò)程，變化較快的對(duì)應(yīng)回?fù)暨^(guò)程。

圖5 回?fù)舸艌?chǎng)與電流同步波形

引雷至地面情況下不同距離磁場(chǎng)波形參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果包括算術(shù)均值（Arithmetic Mean, AM）、幾何均值（Geometric Mean, GM）和標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation, SD），見(jiàn)表2。

表2 引雷至地面情況下回?fù)舸艌?chǎng)波形參數(shù)統(tǒng)計(jì)

（續(xù)）

參數(shù)數(shù)值 58 m90 m1 600 m BT/μTAM130.773.61.96 GM121.166.21.85 SD50.632.60.65 T10-90/μsAM4.44.86.2 GM4.34.75.8 SD1.30.42.4 THPW/μsAM42.636.421.5 GM41.834.917.8 SD8.611.613.4

觀測(cè)點(diǎn)1測(cè)得的58 m處磁場(chǎng)參數(shù)的樣本分布如圖6所示，其他距離下的參數(shù)分布也與之類似，不再一一給出。回?fù)舢a(chǎn)生的T的算術(shù)均值和幾何均值分別為130.7 μT和121.1 μT，標(biāo)準(zhǔn)差為50.6 μT。

圖6 引雷至地面觀測(cè)點(diǎn)1處的回?fù)舸艌?chǎng)波形參數(shù)分布直方圖

L相對(duì)于T來(lái)說(shuō)是很小的，58 m處L的幾何均值為5.7 μT，約占T的4.7%。RS與T接近，其幾何均值為114.7 μT，約占T的94.7%。從圖6a～圖6c可以看出，這三個(gè)參數(shù)都呈明顯的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

58 m處回?fù)舸艌?chǎng)10-90的典型值小于10 μs，算術(shù)均值和幾何均值分別為4.4 μs和4.3 μs，這表明此參數(shù)的分散性很小，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 μs，從圖6d也可以看出分布得非常集中，主要分布在3～5 μs區(qū)間。本文測(cè)得的HPW的算術(shù)均值和幾何均值分別為42.6 μs和41.8 μs，呈明顯對(duì)數(shù)正態(tài)分布，主要分布區(qū)間為34～46 μs。

從表2中可以看出，90 m處的T與RS相較于58 m處明顯降低，幾何均值分別為66.2 μT和57.9 μT。而90 m的L卻大于58 m的，其幾何均值為6.6 μT，并沒(méi)有展現(xiàn)出隨距離增大而衰減的趨勢(shì)。L和RS的幾何均值分別占T的10.0%和87.5%。90 m處的10-90呈現(xiàn)出隨距離增加而增大的趨勢(shì)，算術(shù)均值和幾何均值分別為4.8 μs和4.7 μs。而HPW展現(xiàn)出與10-90相反的變化趨勢(shì)，算術(shù)均值和幾何均值分別為36.4 μs和34.9 μs，隨距離增加而逐漸減小。

在1 600 m的距離下的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值變得更小，T最大值不超過(guò)3.31 μT，幾何均值為1.85 μT，RS幾何均值為1.73 μT。L在該距離下也明顯降低，幾何均值為0.14 μT，遠(yuǎn)小于58 m和90 m處的測(cè)量值。1 600 m處回?fù)舸艌?chǎng)的10-90的算術(shù)均值和幾何均值分別為6.2 μs和5.8 μs，隨距離的增加進(jìn)一步增大；而HPW的算術(shù)均值和幾何均值分別為21.5 μs和17.8 μs，隨距離的增加進(jìn)一步減小。

2.2 引雷至架空線路不同距離的回?fù)舸艌?chǎng)參數(shù)

表3給出了引雷至架空線路情況下不同距離處回?fù)舸艌?chǎng)波形參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。觀測(cè)點(diǎn)1測(cè)得的18 m處磁場(chǎng)幅值較大，T無(wú)一例外都超過(guò)了100 μT，幾何均值為145.0 μT，L與RS的幾何均值分別為5.3 μT和143.3 μT。J. Schoene等[23]在15 m處測(cè)得的觸發(fā)閃電回?fù)鬞的算術(shù)均值和幾何均值分別為203 μT和182 μT，略高于本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，考慮到測(cè)量距離的不同，該差異是預(yù)期內(nèi)的合理結(jié)果。18 m處回?fù)舸艌?chǎng)的10-90非常小，最大值不超過(guò)3.1 μs，算術(shù)均值和幾何均值非常接近，分別為2.1 μs和2.0 μs。HPW也比較小，算術(shù)均值和幾何均值分別為13.3 μs和11.1 μs。J. Schoene等[23]在15 m處測(cè)得的觸發(fā)閃電回?fù)舸艌?chǎng)HPW的算術(shù)均值和幾何均值分別為17.4 μs和14.9 μs，與本文的統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致。

表3 引雷至架空線路情況下回?fù)舸艌?chǎng)波形參數(shù)統(tǒng)計(jì)

觀測(cè)點(diǎn)2測(cè)得的130 m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值與引雷至地面情況下具有相同的變化趨勢(shì)。T和RS的幾何均值分別為47.5 μT和41.3 μT，較18 m處的測(cè)量值明顯降低。L的算術(shù)均值與幾何均值分別為6.8 μT和4.1 μT。此距離下回?fù)舸艌?chǎng)的10-90的幾何均值為4.5 μs。大部分樣本的HPW都小于40 μs，算術(shù)均值和幾何均值分別為37.4 μs和34.9 μs，大于18 m處的測(cè)量值，與引雷至地面情況下的趨勢(shì)不同。

觀測(cè)點(diǎn)3測(cè)得的1 550 m處的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值遠(yuǎn)小于18 m和130 m處的測(cè)量值，T幾何均值為1.63 μT，L幾何均值為0.07 μT，RS幾何均值為1.53 μT。1 550 m處回?fù)舸艌?chǎng)的10-90的算術(shù)均值和幾何均值分別為9.5 μs和9.1 μs，與引雷至地面相似，隨距離增加而增大。HPW的算術(shù)均值和幾何均值分別為34.0 μs和30.5 μs，相較于130 m的測(cè)量值，略有降低。

觀測(cè)點(diǎn)3與兩種引雷情況下的閃電通道的距離較為接近，分別是1 550 m和1 600 m，因此將這兩個(gè)距離下測(cè)得的磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析兩種引雷情況下近距離回?fù)舸艌?chǎng)波形是否有差別。

圖7展示了兩種引雷情況下觀測(cè)點(diǎn)3的數(shù)據(jù)分布。觀測(cè)點(diǎn)3與引雷至架空線路的距離更近，為1 550 m，而T卻更小，引雷至地面情況下T的幾何均值為1.85 μT，而引雷至架空線路情況下則為1.63 μT。此外，引雷至地面情況下L的幾何均值為0.14 μT，而引雷至架空線路情況下則是0.07 μT。引雷至地面情況下RS的幾何均值為1.73 μT，而引雷至架空線路情況下則是1.53 μT。從圖7a～圖7c中數(shù)據(jù)分布情況也可以看出，引雷至架空線路情況下的數(shù)據(jù)點(diǎn)分布更靠下，也就是說(shuō)，引雷至架空線路情況下回?fù)舸艌?chǎng)幅值比引雷至地面情況下的偏低。引雷至地面情況下回?fù)綦娏鞣逯档膸缀尉禐?3.4 kA，引雷至架空線路情況下為16.4 kA，如果把磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值都折算到15 kA時(shí)的情況，那么引雷至地面情況下RS折算后從1.73 μT變?yōu)?.94 μT，引雷至架空線路情況下則從1.53 μT變?yōu)?.4 μT，即引雷至架空線路情況下回?fù)舸艌?chǎng)幅值比引雷至地面情況下約低27.8%，這種偏低的現(xiàn)象會(huì)更加明顯。F. Rachidi等[26]研究表明，回?fù)綦娏魃仙龝r(shí)間越小，產(chǎn)生的遠(yuǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值越大，這一結(jié)論與本文試驗(yàn)結(jié)果相符，雷擊地面的電流上升時(shí)間為0.25 μs，遠(yuǎn)小于雷擊架空線路的電流上升時(shí)間0.6 μs。J. Schoene等[29]也指出配電線路的存在會(huì)增大回?fù)綦娏魃仙龝r(shí)間。

圖7 兩種引雷情況下觀測(cè)點(diǎn)3磁場(chǎng)數(shù)據(jù)分布對(duì)比

引雷至地面情況下回?fù)舸艌?chǎng)10-90的幾何均值為5.8 μs，引雷至架空線路情況下為9.1 μs，是引雷至地面情況下的1.57倍，其可能也與雷擊架空線路的電流上升時(shí)間更大有關(guān)。引雷至地面情況下回?fù)舸艌?chǎng)HPW的幾何均值為17.8 μs，引雷至架空線路情況下為30.5 μs，高出引雷至地面情況約71%。這可能與引雷至架空線路情況下回?fù)舸艌?chǎng)幅值更低有關(guān)，觀察圖4中典型磁場(chǎng)波形的形狀可以發(fā)現(xiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值的降低會(huì)顯著增加HPW。

總結(jié)可發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)特征參數(shù)差異的可能原因是雷擊架空線路的電流上升時(shí)間較大，這種增加效應(yīng)很可能是由于雷電流在引雷至架空線路時(shí)遇到較大的線路特征阻抗（數(shù)百歐姆）造成的。

圖8給出了總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與距離的擬合關(guān)系。引雷到地面情況下的數(shù)據(jù)樣本除了本文獲取的58 m、90 m和1 600 m的數(shù)據(jù)，還包括D. E. Crawford等[22]在5.5 m和10.3 m處以及J. Schoene等[23]在15 m和30 m處獲取的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。而引雷到架空線路情況下，僅包含本文的統(tǒng)計(jì)的18 m、130 m和1 550 m的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。

圖8 總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與距離的擬合關(guān)系

由圖8可知，無(wú)論是引雷至地面還是引雷至架空線路，隨著距離增大，T都會(huì)減小。兩種引雷情況下T的衰減規(guī)律較為相似，都呈冪函數(shù)衰減，冪函數(shù)指數(shù)都接近-1，說(shuō)明T變化與距離近似成反比。

兩種引雷情況下，L與距離之間不存在單調(diào)變化關(guān)系，L/T在引雷至架空線路情況下18 m、130 m、1 550 m處分別為3.8%、12.5%、6.1%，引雷至地面情況下在58 m、90 m、1 660 m處分別為4.7%、12.0%、8.2%。可以發(fā)現(xiàn)，L與T隨距離變化的規(guī)律并不同步，L在T中的占比先增大再減小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是由于L較小并且難以測(cè)量造成的，磁場(chǎng)主要由電流分布決定，當(dāng)回?fù)糸_(kāi)始時(shí)電流才會(huì)明顯變大，先導(dǎo)過(guò)程電通道中的電流較小，因此先導(dǎo)磁場(chǎng)的幅值也很小。

由于RS占T的絕大部分，因此RS表現(xiàn)出了和T非常類似的規(guī)律。同樣是隨距離增大而呈冪函數(shù)衰減。

2.3 回?fù)舸艌?chǎng)幅值與電流幅值間的關(guān)系

由于自然閃電發(fā)生位置和時(shí)間的不確定性，測(cè)量雷電流并非易事。研究閃電電流峰值和磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值之間的關(guān)聯(lián)性，可以應(yīng)用閃電定位系統(tǒng)來(lái)估算閃電電流峰值。這種方法的有效性已經(jīng)在試驗(yàn)和理論上得到驗(yàn)證，根據(jù)麥克斯韋方程，郄秀書(shū)等[30]推導(dǎo)了垂直閃電通道在距離處產(chǎn)生的水平磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算公式為

也就是說(shuō)，近距離磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與電流峰值之間呈線性關(guān)系。

圖9和圖10分別給出了兩種引雷情況下不同測(cè)量距離的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與電流峰值間的擬合分析結(jié)果。從圖中可以看出，18 m、58 m、90 m、130 m的擬合效果明顯優(yōu)于1 550 m和1 600 m的擬合結(jié)果。這是由于1 550 m和1 600 m與閃電通道的高度處于同一量級(jí)，在該距離下，磁場(chǎng)的輻射場(chǎng)分量不可忽略，因此電流峰值與磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值之間不再是單純的線性關(guān)系。

圖9 引雷至地面情況下不同距離的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與電流峰值間的擬合分析

圖10 引雷至架空線路情況下不同距離的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與電流峰值間的擬合分析

3 結(jié)論

本文分析了試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)三個(gè)觀測(cè)點(diǎn)測(cè)得的回?fù)舸艌?chǎng)波形特征，對(duì)比了引雷至地面和引雷至架空線路兩種情況下觀測(cè)點(diǎn)3測(cè)得的磁場(chǎng)波形，以及兩種引雷情況下磁場(chǎng)波形參數(shù)隨距離的變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1）大多數(shù)磁場(chǎng)波形參數(shù)呈明顯的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。對(duì)比分析兩種引雷情況下觀測(cè)點(diǎn)3測(cè)得的回?fù)舸艌?chǎng)波形特征可知，引雷至架空線路情況下總磁感應(yīng)強(qiáng)度更低，約低12%，引雷至架空線路情況下磁場(chǎng)10%～90%上升時(shí)間和半寬時(shí)間更大，分別高出約57%和71%。

2）總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值會(huì)隨著距離的增大而衰減，呈冪函數(shù)關(guān)系，且引雷至地面情況下比引雷至架空線路情況下衰減得更快，而先導(dǎo)磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與距離之間不存在明顯的關(guān)系。

3）兩種引雷情況下，不同距離下的總磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值與回?fù)綦娏鞣逯抵g存在線性關(guān)系，18 m和130 m的線性擬合效果要優(yōu)于1 550 m和1 600 m處的擬合效果，這是由于近距離磁場(chǎng)主要只受感應(yīng)場(chǎng)分量作用，而1 550 m和1 600 m處的輻射場(chǎng)分量不可忽略。

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Comparative Analysis of Close Magnetic Field of Rocket-Triggered Lightning Striking the Overhead Line and the Ground

Cai Li Du Yiyang Hu Qiang Zhou Mi Wang Jianguo

（School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

Lightning has the discharge characteristics of high-current, fast-changing, which is the main cause of tripping of power transmission lines. Rocket-triggered lightning experiments are an important way to study lightning, to test the reasonableness of the return stroke model of cloud-to-ground lightning, and to evaluate the effectiveness of the lightning location system. However, most rocket-triggered lightning experiments involve lightning that strikes the ground directly. Related studies have shown that the properties of the struck object affect the parameters of lightning. Overhead lines are an important part of power networks and one of the most important targets for lightning strikes. It is necessary to study the interaction of lightning with overhead lines. In this paper, we will analyze the characteristics of the close magnetic field parameters of rocket-triggered lightning in the case of lightning to the ground and lightning to the overhead lines, compare whether there are differences, and analyze the relationship between magnetic field parameters and the measured distance.

Rocket-triggered lightning experiments were conducted in Guangdong, China, in the summer of 2019. There are two types of lightning strikes, one for triggering lightning to 10 kV overhead lines and one for triggering lightning to the ground. Lightning currents were measured using a coaxial shunt with a resistance value of 1 mΩ. Three observation points were set up, and magnetic field waveform data generated by lightning at close range were measured using magnetic rods with several turns of coils wound around them as magnetic field sensors. The distances from the three observation points to the lightning channel from the lightning to the ground are 58 m, 90 m and 1 600 m respectively, and the distances to the lightning channel from the lightning to the line are 18 m, 130 m and 1 550 m respectively.

Five parameters of the return stroke magnetic field waveform were defined, namely, the total magnetic field peak, the leader magnetic field peak, the return stroke magnetic field peak, the 10%～90% rise time, and the half-width time. Most of the magnetic field parameters show a significant log-normal distribution. The two conditions of lightning were compared and analyzed. In the case of lightning to the overhead line, the magnetic field amplitude is lower, about 12% lower. When the lightning strikes the overhead line, the 10%～90% rise time and half-width time of the magnetic field are larger, about 60% and 70% larger, respectively. The difference in the magnetic field waveforms between the two cases may be related to the difference in current rise times in two cases. The total peak magnetic field decays as a power function of distance and decays more rapidly in the case of lightning to the ground. While there is no significant relationship between the leader magnetic field peak and distance. There is a linear relationship between the total magnetic field peak and the current peak at different distances for both two cases. The linear fit at 18～130 m is better than that at 1 550 m and 1 600 m, due to the fact that the close magnetic field is mainly affected only by the induced field component, while the radiation field component at 1 550 m and 1 600 m is not negligible.

Rocket triggered lightning, return stroke, overhead line, magnetic field, return stroke current

TM863

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221749

國(guó)家自然科學(xué)基金（52177154）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（2042023kf0183）資助項(xiàng)目。

2022-09-14

2022-10-29

蔡 力 男，1987年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔纂娢锢怼⒗纂娞綔y(cè)、雷電防護(hù)與接地技術(shù)。E-mail：cail@whu.edu.cn

周 蜜 男，1986年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔纂娢锢怼⒗纂姺雷o(hù)與接地技術(shù)，高電壓測(cè)試技術(shù)。E-mail：zhoumi927@whu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）