1、青藏高原閃電電、磁輻射及其在信號傳輸線上引起感應電壓特征的觀測研究青藏鐵路工程與多年凍土相互作用及其環境效應第七課題第三子課題1閃電電、磁輻射及其在信號傳輸線上引起感應電壓特征的觀測研究引言本研究的歷史回顧和現狀電、磁場及感應電壓測量系統閃電電磁脈沖輻射及其頻譜特征觀測分析長間隙放電產生瞬態電磁場的試驗研究在信號傳輸線上引起感應電壓下一年工作計劃2一、引言雷電是自然電磁干擾源中最強的一種，雷電侵害和電磁干擾傳輸是多方位、多渠道的；早期的電氣設備大多具有結構簡單，體積大、絕緣水平相對較高等特點；處在強電磁場環境，雖然也會受到電磁干擾，但由于其本身傳遞的信號較強，電磁兼容性問題并不十分突出；隨著社

2、會發展，大量新技術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，一個閃電的脈沖電磁場就可能對幾公里范圍內微波通訊或計算機系統產生災害；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備。雷電損壞設備本身的經濟價值遠不足以反映雷災造成的巨大影響及其后果；青藏高原雷暴云中閃電發生的位置相對于地面的距離較近，閃電電磁脈沖對鐵路沿線電子設備將具有更大的危害，雷電電磁場特征是雷電防護設計中不可忽視的因素。因此，對高原雷電電磁脈沖特征以及在電力線、信號線引起感應電壓的觀測研究具有重要意義。3二、本研

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

4、及感應電壓測量系統 該平板電場天線屬于電容天線，對該平板天線的標定結果表明：在0.01MHz - 150MHz頻段內，輸出電壓與電場變化率成正比。電場強度E通過對示波器紀錄的傳感器輸出信號進行數值積分得到。 5三、電、磁場及感應電壓測量系統寬帶磁場利用兩個相互正交的、多匝導線繞成的線圈加電場屏蔽層構成的屏蔽環測量。根據實際測量回路參數，磁場強度H與輸出電壓之間存在下述關系: （A/m） 測量頻率上限：fmax= 63.7 MHz (左) 100 MHz (右)6三、電、磁場及感應電壓測量系統一臺四通道示波器被用來記錄閃電的寬帶輻射信號，通過GPIB接口實現示波器與微機間的數據交換。記錄閃電寬帶

5、輻射信號的示波器采樣速率500MS/s，每通道記錄長度為50000個樣點，預置點數為2500樣點。多通道同步記錄系統采用1MHz的采樣頻率，記錄長度為1M樣點，分辨率為12bit。 7三、電、磁場及感應電壓測量系統為了確定閃電類型和同一閃電的不同放電過程，時間常數分別為6s和2ms的慢電場變化儀和快電場變化儀的信號也被利用一塊數據采集卡同步記錄，采樣速率1MS/s，記錄長度1M個樣點。實驗中使用的同軸電纜長度為50m，信號線的長度約為100m，同軸電纜和信號線沿地面水平架設，距離地面約1.5m。 實驗中，同軸電纜和信號線的一端（被測試端）通過輸入阻抗為1M的探頭直接連接到紀錄系統，另一端分別采

6、用懸空或接一個負載電阻的方式，外屏蔽層采用懸空或接地等不同方式，對閃電放電期間在信號線上的感應電壓進行測量。閃電寬帶輻射測量系統示意圖 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、慢電場變化波形 地閃開始階段快電場變化展開波形 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、(寬帶測量結果）電場變化率波形（dE/dt） 積分得到的電場波形（E） 磁場波形（H） 1136個云閃起始階段的脈沖波形獲得的平均輻射頻譜 電、磁場輻射的頻譜有較強的低頻成分，隨頻率增大，幅度線性減小。 60MHz出現一個小的峰值. 可能是閃電起始階段的一個特征四、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變化率（dE/dt）的平均頻譜 積分得到的電場變化（E）的平均頻譜 磁場（H）的平均頻譜1215個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變化率（d

8、E/dt）的平均頻譜 積分得到的電場變化（E）的平均頻譜 磁場（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云閃過程輻射頻譜(未加濾波器) 整個云閃過程輻射頻譜（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,整個云閃過程輻射頻譜（通過25MHz高通濾波器） 整個地閃過程輻射頻譜(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、導過程輻射頻譜特征（實線：初期;虛線：后期）地閃梯級先導過程輻射頻譜(實線：初期;點劃線：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K變化輻射頻譜特征； 人工觸發閃電期間從地面向云內發展的正先導過程的輻射能量譜(實線:開始階段;虛線：云內發展階段)； 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。相對來講，地閃在較低頻段的輻射頻譜比云閃更強。 2)在25100MHz頻段，地閃在較低頻段的輻射強于云閃。 3)云閃、地閃中發生在云

10、內K變化過程和預擊穿過程峰值輻射能量頻率相對較高，可能表明這些過程以較小尺度的放電為主要特征。 4)梯級先導和直竄先導過程初始階段輻射能量主要集中在較高頻段，而接近地面時則集中在較低頻段，表明先導在向地面發展過程中放電尺度逐漸增大。 5)在人工觸發中觀測到的正先導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、長間隙放電產生瞬態電磁場1 時域波形特征 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到的電場變化率、電場及磁場波形 沖擊電壓波形 19電場變化率(dE/dt) 波形 電場(E)波形 五、長間隙放電產生瞬態電磁場20五、長間隙放電產生瞬態

11、電磁場 X方向磁場波形 Y方向磁場波形 21五、長間隙放電產生瞬態電磁場1)輻射頻譜隨距離的變化 測量位置到放電間隙的距離越遠，點磁場強度衰減越大。主要是低頻分量隨距離的衰減。 施加660 kV沖擊電壓到50cm的間隙使其擊穿產生電磁場的頻譜（實線和虛線表示不同測量位置得到的結果） 2 頻譜特征222)頻譜隨電壓的變化電壓減小，高頻段有增強的趨勢。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沖擊電壓時測到頻譜的幅值比施加660kV的沖擊電壓時更大。磁場的頻譜在兩種情況下差別很小五、長間隙放電產生瞬態電磁場對50cm的間隙分別施加660 kV(實線)和430 k

12、V(虛線)沖擊電壓使其擊穿23 3)頻譜隨間隙長度的變化對施加相同的沖擊電壓，間隙變小時，高頻分量的幅值減小。 五、長間隙放電產生瞬態電磁場分別對100cm (實線)和50cm(虛線)的間隙施加660 kV沖擊電壓使其擊穿24五、長間隙放電產生瞬態電磁場間隙放電頻域特征：1)電場變化率、電場和磁場均有很寬的頻譜分布，峰值一般出現在1 MHz、8 、10、20、30MHz等多個頻率處。2)電、磁場強幅值與頻率成反比關系。 高壓實驗室長間隙放電產生的舜態電磁場與閃電電磁輻射場特征在一定程度上比較相似（包括時域波形和頻譜特征），如幅值與頻率成反比關系；但也存在明顯的差異，如閃電頻譜中60MHz處的峰

13、值；結論：在雷電防護設計中，室內高壓試驗并不能取代野外雷電觀測實驗。25六、在信號傳輸線上引起感應電壓1) 整個閃電放電過程完整波形的測量 慢電場變化 記錄系統采用1MHz的采樣頻率，記錄長度為1M樣點，分辨率為12bit。在50m長的同軸電纜屏蔽層不接地（懸空）初步結果：當閃電引起的幾kV/m的電場變化時，在信號線上可引起幾十伏特的感應電壓。感應電壓波形與電場波形相似 快電場變化 感應電壓波形 26六、在信號傳輸線上引起感應電壓2) 在信號傳輸線上引起感應電壓 慢電場變化波形 100米信號電纜，電纜屏蔽層接地，記錄系統采樣頻率1MHz初步結果：通過幾百歐姆電阻匹配的芯線上的感應電壓與屏蔽層上的感應電壓相近，而未匹配的芯線上的感應電壓明顯小于前者。屏蔽層接地對低頻成分有較強的抑制作用芯線上的感應電壓波形（匹配） 快電場變化波形 芯線上的感應電壓波形（懸空） 27六、在信號傳輸線上引起感應電壓3) 寬帶輻射脈沖測量 磁場波形 傳感器帶寬：0.01kHz-100MHz記錄閃電寬帶輻射信號的示波器采樣速率500MS/s初步結果：感應電壓波形中高頻成分較強電場波形 感應電壓波形 28六、在信號傳輸線上引起