青藏高原閃電電磁輻射及其在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓特征的觀測(cè)研究

1、青藏高原閃電電、磁輻射及其在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓特征的觀測(cè)研究青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環(huán)境效應(yīng)第七課題第三子課題1閃電電、磁輻射及其在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓特征的觀測(cè)研究引言本研究的歷史回顧和現(xiàn)狀電、磁場(chǎng)及感應(yīng)電壓測(cè)量系統(tǒng)閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征觀測(cè)分析長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)的試驗(yàn)研究在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓下一年工作計(jì)劃2一、引言雷電是自然電磁干擾源中最強(qiáng)的一種，雷電侵害和電磁干擾傳輸是多方位、多渠道的；早期的電氣設(shè)備大多具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積大、絕緣水平相對(duì)較高等特點(diǎn)；處在強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境，雖然也會(huì)受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號(hào)較強(qiáng)，電磁兼容性問題并不十分突出；隨著社

2、會(huì)發(fā)展，大量新技術(shù)裝備和微電子器件的廣泛采用，雷電造成的直接和間接損失也日趨嚴(yán)重。雷電不僅是直擊損壞微電子器件本身，還由于它能耗少，靈敏度高，一個(gè)閃電的脈沖電磁場(chǎng)就可能對(duì)幾公里范圍內(nèi)微波通訊或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)害；以前人們較多的注意地閃的直擊危害，而今云際閃電電磁脈沖也可以危及地面的微電子設(shè)備。雷電損壞設(shè)備本身的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)不足以反映雷災(zāi)造成的巨大影響及其后果；青藏高原雷暴云中閃電發(fā)生的位置相對(duì)于地面的距離較近，閃電電磁脈沖對(duì)鐵路沿線電子設(shè)備將具有更大的危害，雷電電磁場(chǎng)特征是雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中不可忽視的因素。因此，對(duì)高原雷電電磁脈沖特征以及在電力線、信號(hào)線引起感應(yīng)電壓的觀測(cè)研究具有重要意義。3二、本研

3、究的歷史回顧和現(xiàn)狀 獲取閃電輻射特征兩種主要方法：直接測(cè)量（窄帶）和付里葉變換（寬帶）。直接的頻域測(cè)量范圍幾乎涉及了整個(gè)閃電輻射頻段，但不足之處是測(cè)量資料來自不同時(shí)刻、不同位置的閃電，其結(jié)果是整個(gè)閃電放電過程綜合平均的結(jié)果。且頻率在1M以上時(shí)，資料已相當(dāng)離散。峰值幅度正比于f-1的經(jīng)驗(yàn)曲線是其上限，f-2的經(jīng)驗(yàn)曲線是其下限時(shí)域測(cè)量可獲得具體放電過程的輻射頻譜特征，但早期時(shí)域測(cè)量限于測(cè)量設(shè)備帶寬和動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)閃電頻譜的觀測(cè)僅限于幾十MHz以下的較低頻段。 到目前為止，不論是那種測(cè)量方式，在較高頻段，對(duì)閃電輻射特征的觀測(cè)結(jié)果均不理想，而對(duì)其在信號(hào)線上引起感應(yīng)電壓的觀測(cè)研究也很少見到。4三、電、磁場(chǎng)

4、及感應(yīng)電壓測(cè)量系統(tǒng) 該平板電場(chǎng)天線屬于電容天線，對(duì)該平板天線的標(biāo)定結(jié)果表明：在0.01MHz - 150MHz頻段內(nèi)，輸出電壓與電場(chǎng)變化率成正比。電場(chǎng)強(qiáng)度E通過對(duì)示波器紀(jì)錄的傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)值積分得到。 5三、電、磁場(chǎng)及感應(yīng)電壓測(cè)量系統(tǒng)寬帶磁場(chǎng)利用兩個(gè)相互正交的、多匝導(dǎo)線繞成的線圈加電場(chǎng)屏蔽層構(gòu)成的屏蔽環(huán)測(cè)量。根據(jù)實(shí)際測(cè)量回路參數(shù)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與輸出電壓之間存在下述關(guān)系: （A/m） 測(cè)量頻率上限：fmax= 63.7 MHz (左) 100 MHz (右)6三、電、磁場(chǎng)及感應(yīng)電壓測(cè)量系統(tǒng)一臺(tái)四通道示波器被用來記錄閃電的寬帶輻射信號(hào)，通過GPIB接口實(shí)現(xiàn)示波器與微機(jī)間的數(shù)據(jù)交換。記錄閃電寬帶

5、輻射信號(hào)的示波器采樣速率500MS/s，每通道記錄長(zhǎng)度為50000個(gè)樣點(diǎn)，預(yù)置點(diǎn)數(shù)為2500樣點(diǎn)。多通道同步記錄系統(tǒng)采用1MHz的采樣頻率，記錄長(zhǎng)度為1M樣點(diǎn)，分辨率為12bit。 7三、電、磁場(chǎng)及感應(yīng)電壓測(cè)量系統(tǒng)為了確定閃電類型和同一閃電的不同放電過程，時(shí)間常數(shù)分別為6s和2ms的慢電場(chǎng)變化儀和快電場(chǎng)變化儀的信號(hào)也被利用一塊數(shù)據(jù)采集卡同步記錄，采樣速率1MS/s，記錄長(zhǎng)度1M個(gè)樣點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中使用的同軸電纜長(zhǎng)度為50m，信號(hào)線的長(zhǎng)度約為100m，同軸電纜和信號(hào)線沿地面水平架設(shè)，距離地面約1.5m。 實(shí)驗(yàn)中，同軸電纜和信號(hào)線的一端（被測(cè)試端）通過輸入阻抗為1M的探頭直接連接到紀(jì)錄系統(tǒng)，另一端分別采

6、用懸空或接一個(gè)負(fù)載電阻的方式，外屏蔽層采用懸空或接地等不同方式，對(duì)閃電放電期間在信號(hào)線上的感應(yīng)電壓進(jìn)行測(cè)量。閃電寬帶輻射測(cè)量系統(tǒng)示意圖 8四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征1.閃電開始階段脈沖輻射頻譜特征2.閃電整體過程以及不同子放電過程輻射頻譜特征 9從展開的快電場(chǎng)變化波形可見，閃電起始階段有一系列較大幅度的輻射脈沖，這些較大幅度脈沖間隔時(shí)間從幾十微秒到及毫秒不等。 1.1閃電開始階段脈沖輻射特征一次地閃過程快、慢電場(chǎng)變化波形 地閃開始階段快電場(chǎng)變化展開波形 四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征10閃電初始階段脈沖波形 （第一個(gè)脈沖）四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 1.2閃電開始階段脈沖輻射特征

7、(寬帶測(cè)量結(jié)果）電場(chǎng)變化率波形（dE/dt） 積分得到的電場(chǎng)波形（E） 磁場(chǎng)波形（H） 1136個(gè)云閃起始階段的脈沖波形獲得的平均輻射頻譜 電、磁場(chǎng)輻射的頻譜有較強(qiáng)的低頻成分，隨頻率增大，幅度線性減小。 60MHz出現(xiàn)一個(gè)小的峰值. 可能是閃電起始階段的一個(gè)特征四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 1.3 云閃開始階段脈沖輻射頻譜特征電場(chǎng)變化率（dE/dt）的平均頻譜 積分得到的電場(chǎng)變化（E）的平均頻譜 磁場(chǎng)（H）的平均頻譜1215個(gè)地閃起始階段的脈沖輻射平均頻譜地閃和云閃起始階段大幅度脈沖輻射的頻譜基本沒有差別 四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 1.4 地閃開始階段脈沖輻射頻譜特征電場(chǎng)變化率（d

8、E/dt）的平均頻譜 積分得到的電場(chǎng)變化（E）的平均頻譜 磁場(chǎng)（H）的平均頻譜 13云閃輻射頻譜特征 四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征2.1 云閃整體過程的輻射頻譜特征整個(gè)云閃過程輻射頻譜(未加濾波器) 整個(gè)云閃過程輻射頻譜（通過25MHz高通濾波器） 云閃K變化脈沖（通過25MHz高通濾波器） 14地閃輻射頻譜特征 四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 2.2 地閃整體過程的輻射頻譜特征 25100MHz頻段,整個(gè)云閃過程輻射頻譜（通過25MHz高通濾波器） 整個(gè)地閃過程輻射頻譜(未加濾波器)； 15地閃輻射頻譜特征四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 2.3 地閃子放電過程輻射頻譜特征 地閃直竄先

9、導(dǎo)過程輻射頻譜特征（實(shí)線：初期;虛線：后期）地閃梯級(jí)先導(dǎo)過程輻射頻譜(實(shí)線：初期;點(diǎn)劃線：中期;虛線：后期)16地閃輻射頻譜特征四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征 2.4 地閃子放電過程輻射頻譜特征 云內(nèi)K變化輻射頻譜特征； 人工觸發(fā)閃電期間從地面向云內(nèi)發(fā)展的正先導(dǎo)過程的輻射能量譜(實(shí)線:開始階段;虛線：云內(nèi)發(fā)展階段)； 171)閃電脈沖輻射能量主要集中在幾MHz以下的低頻段。在25 MHz以下頻段，云閃、地閃及其不同閃電放電過程期間的寬帶輻射能量譜分布的差異很小。相對(duì)來講，地閃在較低頻段的輻射頻譜比云閃更強(qiáng)。 2)在25100MHz頻段，地閃在較低頻段的輻射強(qiáng)于云閃。 3)云閃、地閃中發(fā)生在云

10、內(nèi)K變化過程和預(yù)擊穿過程峰值輻射能量頻率相對(duì)較高，可能表明這些過程以較小尺度的放電為主要特征。 4)梯級(jí)先導(dǎo)和直竄先導(dǎo)過程初始階段輻射能量主要集中在較高頻段，而接近地面時(shí)則集中在較低頻段，表明先導(dǎo)在向地面發(fā)展過程中放電尺度逐漸增大。 5)在人工觸發(fā)中觀測(cè)到的正先導(dǎo)過程輻射能量主要集中在較低頻段。 四、閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征18五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)1 時(shí)域波形特征 660 kV充擊電壓施加到0.5-1m間隙上的沖擊電壓波形和在附近測(cè)到的電場(chǎng)變化率、電場(chǎng)及磁場(chǎng)波形 沖擊電壓波形 19電場(chǎng)變化率(dE/dt) 波形 電場(chǎng)(E)波形 五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)20五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)

11、電磁場(chǎng) X方向磁場(chǎng)波形 Y方向磁場(chǎng)波形 21五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)1)輻射頻譜隨距離的變化 測(cè)量位置到放電間隙的距離越遠(yuǎn)，點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度衰減越大。主要是低頻分量隨距離的衰減。 施加660 kV沖擊電壓到50cm的間隙使其擊穿產(chǎn)生電磁場(chǎng)的頻譜（實(shí)線和虛線表示不同測(cè)量位置得到的結(jié)果） 2 頻譜特征222)頻譜隨電壓的變化電壓減小，高頻段有增強(qiáng)的趨勢(shì)。兩種不同的情況下的dE/dt值幾乎相同，但在2-50MHz頻段，施加430kV沖擊電壓時(shí)測(cè)到頻譜的幅值比施加660kV的沖擊電壓時(shí)更大。磁場(chǎng)的頻譜在兩種情況下差別很小五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)對(duì)50cm的間隙分別施加660 kV(實(shí)線)和430 k

12、V(虛線)沖擊電壓使其擊穿23 3)頻譜隨間隙長(zhǎng)度的變化對(duì)施加相同的沖擊電壓，間隙變小時(shí)，高頻分量的幅值減小。 五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)分別對(duì)100cm (實(shí)線)和50cm(虛線)的間隙施加660 kV沖擊電壓使其擊穿24五、長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)間隙放電頻域特征：1)電場(chǎng)變化率、電場(chǎng)和磁場(chǎng)均有很寬的頻譜分布，峰值一般出現(xiàn)在1 MHz、8 、10、20、30MHz等多個(gè)頻率處。2)電、磁場(chǎng)強(qiáng)幅值與頻率成反比關(guān)系。 高壓實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)間隙放電產(chǎn)生的舜態(tài)電磁場(chǎng)與閃電電磁輻射場(chǎng)特征在一定程度上比較相似（包括時(shí)域波形和頻譜特征），如幅值與頻率成反比關(guān)系；但也存在明顯的差異，如閃電頻譜中60MHz處的峰

13、值；結(jié)論：在雷電防護(hù)設(shè)計(jì)中，室內(nèi)高壓試驗(yàn)并不能取代野外雷電觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。25六、在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓1) 整個(gè)閃電放電過程完整波形的測(cè)量 慢電場(chǎng)變化 記錄系統(tǒng)采用1MHz的采樣頻率，記錄長(zhǎng)度為1M樣點(diǎn)，分辨率為12bit。在50m長(zhǎng)的同軸電纜屏蔽層不接地（懸空）初步結(jié)果：當(dāng)閃電引起的幾kV/m的電場(chǎng)變化時(shí)，在信號(hào)線上可引起幾十伏特的感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓波形與電場(chǎng)波形相似 快電場(chǎng)變化 感應(yīng)電壓波形 26六、在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓2) 在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓 慢電場(chǎng)變化波形 100米信號(hào)電纜，電纜屏蔽層接地，記錄系統(tǒng)采樣頻率1MHz初步結(jié)果：通過幾百歐姆電阻匹配的芯線上的感應(yīng)電壓與屏蔽層上的感應(yīng)電壓相近，而未匹配的芯線上的感應(yīng)電壓明顯小于前者。屏蔽層接地對(duì)低頻成分有較強(qiáng)的抑制作用芯線上的感應(yīng)電壓波形（匹配） 快電場(chǎng)變化波形 芯線上的感應(yīng)電壓波形（懸空） 27六、在信號(hào)傳輸線上引起感應(yīng)電壓3) 寬帶輻射脈沖測(cè)量 磁場(chǎng)波形 傳感器帶寬：0.01kHz-100MHz記錄閃電寬帶輻射信號(hào)的示波器采樣速率500MS/s初步結(jié)果：感應(yīng)電壓波形中高頻成分較強(qiáng)電場(chǎng)波形 感應(yīng)電壓波形 28六、在信號(hào)傳輸線上引起