青藏高原闪电电,磁辐射及其在信号传输线上引起感应电压特征的观测研究

青藏高原闪电电、磁辐射及其在信号传输线上引起感应电压特征的观测研究董万胜中国科学院寒区旱区环境与工程研究所中国科学院重大创新项目青藏铁路工程与多年冻土相互作用及其环境效应第七课题第三子课题闪电电、磁辐射及其在信号传输线上引起感应电压特征的观测研究1.引言2.本研究的历史回顾和现状3.电、磁场及感应电压测量系统4.闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征观测分析5.长间隙放电产生瞬态电磁场的试验研究6.在信号传输线上引起感应电压7.下一年工作计划一、引言a)雷电是自然电磁干扰源中最强的一种，雷电侵害和电磁干扰传输是多方位、多渠道的；b)早期的电气设备大多具有结构简单，体积大、绝缘水平相对较高等特点；处在强电磁场环境，虽然也会受到电磁干扰，但由于其本身传递的信号较强，电磁兼容性问题并不十分突出；c)随着社会发展，大量新技术装备和微电子器件的广泛采用，雷电造成的直接和间接损失也日趋严重。雷电不仅是直击损坏微电子器件本身，还由于它能耗少，灵敏度高，一个闪电的脉冲电磁场就可能对几公里范围内微波通讯或计算机系统产生灾害；d)以前人们较多的注意地闪的直击危害，而今云际闪电电磁脉冲也可以危及地面的微电子设备。雷电损坏设备本身的经济价值远不足以反映雷灾造成的巨大影响及其后果；e)青藏高原雷暴云中闪电发生的位置相对于地面的距离较近，闪电电磁脉冲对铁路沿线电子设备将具有更大的危害，雷电电磁场特征是雷电防护设计中不可忽视的因素。因此，对高原雷电电磁脉冲特征以及在电力线、信号线引起感应电压的观测研究具有重要意义。二、本研究的历史回顾和现状获取闪电辐射特征两种主要方法：直接测量（窄带）和付里叶变换（宽带）。1.直接的频域测量范围几乎涉及了整个闪电辐射频段，但不足之处是测量资料来自不同时刻、不同位置的闪电，其结果是整个闪电放电过程综合平均的结果。且频率在1M以上时，资料已相当离散。峰值幅度正比于f-1的经验曲线是其上限，f-2的经验曲线是其下限2.时域测量可获得具体放电过程的辐射频谱特征，但早期时域测量限于测量设备带宽和动态范围，对闪电频谱的观测仅限于几十MHz以下的较低频段。3.到目前为止，不论是那种测量方式，在较高频段，对闪电辐射特征的观测结果均不理想，而对其在信号线上引起感应电压的观测研究也很少见到。三、电、磁场及感应电压测量系统该平板电场天线属于电容天线，对该平板天线的标定结果表明：在0.01MHz-150MHz频段内，输出电压与电场变化率成正比。电场强度E通过对示波器纪录的传感器输出信号进行数值积分得到。三、电、磁场及感应电压测量系统•宽带磁场利用两个相互正交的、多匝导线绕成的线圈加电场屏蔽层构成的屏蔽环测量。根据实际测量回路参数，磁场强度H与输出电压之间存在下述关系:•（A/m）•测量频率上限：fmax=63.7MHz(左)100MHz(右)UdtUH6103227.0364.1三、电、磁场及感应电压测量系统•一台四通道示波器被用来记录闪电的宽带辐射信号，通过GPIB接口实现示波器与微机间的数据交换。记录闪电宽带辐射信号的示波器采样速率500MS/s，每通道记录长度为50000个样点，预置点数为2500样点。•多通道同步记录系统采用1MHz的采样频率，记录长度为1M样点，分辨率为12bit。三、电、磁场及感应电压测量系统•为了确定闪电类型和同一闪电的不同放电过程，时间常数分别为6s和2ms的慢电场变化仪和快电场变化仪的信号也被利用一块数据采集卡同步记录，采样速率1MS/s，记录长度1M个样点。•实验中使用的同轴电缆长度为50m，信号线的长度约为100m，同轴电缆和信号线沿地面水平架设，距离地面约1.5m。•实验中，同轴电缆和信号线的一端（被测试端）通过输入阻抗为1MΩ的探头直接连接到纪录系统，另一端分别采用悬空或接一个负载电阻的方式，外屏蔽层采用悬空或接地等不同方式，对闪电放电期间在信号线上的感应电压进行测量。闪电宽带辐射测量系统示意图四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征1.闪电开始阶段脉冲辐射频谱特征2.闪电整体过程以及不同子放电过程辐射频谱特征•从展开的快电场变化波形可见，闪电起始阶段有一系列较大幅度的辐射脉冲，这些较大幅度脉冲间隔时间从几十微秒到及毫秒不等。1.1闪电开始阶段脉冲辐射特征一次地闪过程快、慢电场变化波形地闪开始阶段快电场变化展开波形四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征•闪电初始阶段脉冲波形（第一个脉冲）四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征1.2闪电开始阶段脉冲辐射特征(宽带测量结果）电场变化率波形（dE/dt）积分得到的电场波形（E）磁场波形（H）36个云闪起始阶段的脉冲波形获得的平均辐射频谱•电、磁场辐射的频谱有较强的低频成分，随频率增大，幅度线性减小。•60MHz出现一个小的峰值.可能是闪电起始阶段的一个特征四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征1.3云闪开始阶段脉冲辐射频谱特征电场变化率（dE/dt）的平均频谱积分得到的电场变化（E）的平均频谱磁场（H）的平均频谱15个地闪起始阶段的脉冲辐射平均频谱地闪和云闪起始阶段大幅度脉冲辐射的频谱基本没有差别四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征1.4地闪开始阶段脉冲辐射频谱特征电场变化率（dE/dt）的平均频谱积分得到的电场变化（E）的平均频谱磁场（H）的平均频谱•云闪辐射频谱特征四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征2.1云闪整体过程的辐射频谱特征abc整个云闪过程辐射频谱(未加滤波器)整个云闪过程辐射频谱（通过25MHz高通滤波器）云闪K变化脉冲（通过25MHz高通滤波器）•地闪辐射频谱特征四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征2.2地闪整体过程的辐射频谱特征ab25－100MHz频段,整个云闪过程辐射频谱（通过25MHz高通滤波器）整个地闪过程辐射频谱(未加滤波器)；•地闪辐射频谱特征四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征2.3地闪子放电过程辐射频谱特征de地闪直窜先导过程辐射频谱特征（实线：初期;虚线：后期）地闪梯级先导过程辐射频谱(实线：初期;点划线：中期;虚线：后期)•地闪辐射频谱特征四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征2.4地闪子放电过程辐射频谱特征2.15fh云内K变化辐射频谱特征；人工触发闪电期间从地面向云内发展的正先导过程的辐射能量谱(实线:开始阶段;虚线：云内发展阶段)；1)闪电脉冲辐射能量主要集中在几MHz以下的低频段。在25MHz以下频段，云闪、地闪及其不同闪电放电过程期间的宽带辐射能量谱分布的差异很小。相对来讲，地闪在较低频段的辐射频谱比云闪更强。2)在25－100MHz频段，地闪在较低频段的辐射强于云闪。3)云闪、地闪中发生在云内K变化过程和预击穿过程峰值辐射能量频率相对较高，可能表明这些过程以较小尺度的放电为主要特征。4)梯级先导和直窜先导过程初始阶段辐射能量主要集中在较高频段，而接近地面时则集中在较低频段，表明先导在向地面发展过程中放电尺度逐渐增大。5)在人工触发中观测到的正先导过程辐射能量主要集中在较低频段。四、闪电电磁脉冲辐射及其频谱特征五、长间隙放电产生瞬态电磁场1时域波形特征660kV充击电压施加到0.5-1m间隙上的冲击电压波形和在附近测到的电场变化率、电场及磁场波形a冲击电压波形b4.2E+22.1E+20.0E+0-2.1E+2-4.2E+2电场变化率(dE/dt)波形c4.0E+12.9E+11.8E+16.2E+0-4.7E+0电场(E)波形五、长间隙放电产生瞬态电磁场五、长间隙放电产生瞬态电磁场dX方向磁场波形eY方向磁场波形五、长间隙放电产生瞬态电磁场1)辐射频谱随距离的变化•测量位置到放电间隙的距离越远，点磁场强度衰减越大。•主要是低频分量随距离的衰减。施加660kV冲击电压到50cm的间隙使其击穿产生电磁场的频谱（实线和虚线表示不同测量位置得到的结果）2频谱特征2)频谱随电压的变化•电压减小，高频段有增强的趋势。•两种不同的情况下的dE/dt值几乎相同，但在2-50MHz频段，施加430kV冲击电压时测到频谱的幅值比施加660kV的冲击电压时更大。•磁场的频谱在两种情况下差别很小五、长间隙放电产生瞬态电磁场对50cm的间隙分别施加660kV(实线)和430kV(虚线)冲击电压使其击穿3)频谱随间隙长度的变化•对施加相同的冲击电压，间隙变小时，高频分量的幅值减小。五、长间隙放电产生瞬态电磁场分别对100cm(实线)和50cm(虚线)的间隙施加660kV冲击电压使其击穿五、长间隙放电产生瞬态电磁场间隙放电频域特征：1)电场变化率、电场和磁场均有很宽的频谱分布，峰值一般出现在1MHz、8、10、20、30MHz等多个频率处。2)电、磁场强幅值与频率成反比关系。高压实验室长间隙放电产生的舜态电磁场与闪电电磁辐射场特征在一定程度上比较相似（包括时域波形和频谱特征），如幅值与频率成反比关系；但也存在明显的差异，如闪电频谱中60MHz处的峰值；结论：在雷电防护设计中，室内高压试验并不能取代野外雷电观测实验。六、在信号传输线上引起感应电压1)整个闪电放电过程完整波形的测量慢电场变化记录系统采用1MHz的采样频率，记录长度为1M样点，分辨率为12bit。在50m长的同轴电缆屏蔽层不接地（悬空）初步结果：当闪电引起的几kV/m的电场变化时，在信号线上可引起几十伏特的感应电压。感应电压波形与电场波形相似快电场变化感应电压波形六、在信号传输线上引起感应电压2)在信号传输线上引起感应电压慢电场变化波形100米信号电缆，电缆屏蔽层接地，记录系统采样频率1MHz初步结果：通过几百欧姆电阻匹配的芯线上的感应电压与屏蔽层上的感应电压相近，而未匹配的芯线上的感应电压明显小于前者。屏蔽层接地对低频成分有较强的抑制作用芯线上的感应电压波形（匹配）快电场变化波形芯线上的感应电压波形（悬空）六、在信号传输线上引起感应电压3)宽带辐射脉冲测量磁场波形传感器带宽：0.01kHz-100MHz记录闪电宽带辐射信号的示波器采样速率500MS/s初步结果：感应电压波形中高频成分较强电场波形感应电压波形六、在信号传输线上引起感应电压闪电在电力线、信号传输线上引起感应电压、感应电流的特征比较复杂，所涉及的因素较多，更详细的结果有待于今后更深入地研究。六、下一年工作安排按照任务书计划在下一年主要工作有：1.在青藏高原进行综合观测，补充必要的观测资料2.进行人工引雷实验，对近距离闪电辐射特征、信号线上感应电压、感应电流测量，为青藏铁路雷电防护设计研究提供必要的数据资料。3.对所获取的试验观测资料进行分析和总结，完成研究论文和报告1-2篇。谢谢！