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1、第32卷, 第10期 气象Vol 1 32 No 1 10 2 0 0 6 年 1 0 月 M ET EOROLOGICAL MONTHLYOctober, 2006 标准雷电波形的频谱分析及其应用 陈绍东 王孝波 李 斌 杨少杰 ( 广东省防雷中心,广州 510080) 提 要: 标准雷电波频谱分析可以获悉其电压、电流在不同频段的振幅、能量等分 布,为防雷器件和电子设备的标准波形冲击试验以及基层雷电防护工作提供技术参 考。选取常用的 8/ 20 ( Ls) 、10/ 350 ( Ls) 波形、后续雷击 0 125/ 100 ( Ls) 波形和 国家标准推荐雷电试验波形 ( 10/ 200、4
2、/ 300、1 1 2/ 50、10/ 700 ( Ls) ) ,通过连续 傅立叶变换计算了不同波形的振幅、能量的频谱变化, 并与自然闪电辐射场的频谱 进行了比较。结果表明雷电电流波形的振幅和能量主要集中在低频部分,振幅频谱 主要集中在 1MH z以下,能量主要集中在几 kHz 到几百 kHz; 半峰值时间 t2是雷 电波振幅和能量频谱分布的主要因素,t2的大小决定了低频部分的谐波丰富程度。 这些结论在雷电防护设计和应用中起到一定的参考作用。 关键词: 标准雷电波 频谱 振幅 能量 资助项目: 科技部基础条件平台项目 ( 2004DEA71070) 资助 收稿日期: 2005 年 11 月 2
3、2 日; 修定稿日期: 2006 年 8 月 24 日 Frequency Spectrum of Standard Lightning Currents and Its Application Chen Shaodong Wang Xiaobo Li Bin Yang Shaojie ( Lightning Protection Centre of Guangdong Province, Guangzhou 510080) Abstract: T he amplitude and energy distributions of the voltage and current in the d
4、ifferent frequency bands can be obtained by analyzing the frequency spectrum of standard lightning currents. T he general lightning currents of 8/ 20 ( Ls) and 10/ 350 ( Ls) ,return stroke of 0 125/ 100 ( Ls) and the testing currents recommended by national standardization ( 10/ 200 ( Ls) ,4/ 300 (
5、Ls) ,1 12/ 50 ( Ls) ,10/ 700 ( Ls) ) are selected to compute the frequency spectrum of amplitude and energy by the use of the continuous Fourier analysis,and they are compared with those of natural lightning radiation field. T he results show that the ampl- i tude and energy of lightning currents ma
6、inly appear in the range of low frequency, and am- plitude frequency is less than 1MHz, but the frequency spectrum of the energy is from sever - al kH z to several hundreds kH z. T he half peak value time ( t2) of currents is a crucial factor in the frequency spectrum distribution of amplitude and e
7、nergy, which determines the abun - dance of currentsc wave in the parts of low frequency. T he results should be an important reference in the application and design of lightning protection. Key Words: standard lightning currents frequency spectrum amplitude energy 引 言 人工引发雷电和雷电预警预报技术的不 断发展和完善给人类探索闪
8、电提供了更多的 科学手段。近 30 年来我国的科研工作者多 次在全国各地引雷成功,为雷电物理和大气 电学的研究提供了宝贵的试验数据, 同时雷 电预警预报技术也在不断发展探索, 特别是 为服务 2008 年北京奥运会做了大量的前期 研究工作 1, 2 。雷电流的光谱和频谱研究是 雷电物理研究中的一个重要的新课题,但由 于自然雷电发生具有很大的随机性, 自然雷 电流的测量非常困难, 而随着人工引发雷电 技术的成熟得到了较多的人工引发雷电流的 直接测量结果 3, 同时研究结果也揭示出不 同地区雷电特征也存在着较大的差异,这对 雷电物理研究和雷电防护工作提出了更高的 要求。 雷电波频谱特征是雷电防护技
9、术的重要 依据。当雷击于各种线路 ( 电力、信号、天 馈等线路) 或线路附近时, 会在线路上发生 雷电流侵入,由于大电流或过电压的作用, 从而损坏与之相连的各种电子设备。分析雷 电波的频谱结构可以获悉雷电波振幅和能量 等在各频段的分布,通过这些数据可以估算 出通信系统以及电力系统频带范围内雷电冲 击波的振幅和能量的大小, 进而确定避雷措 施,同时在开发和研究高性能的电子避雷器 方面也具有指导意义。在高压技术领域, 有 学者曾对雷电波的频谱和能量做了分析 4, 对雷电闪击中回击电流波的频谱做过分 析 5,也有建立雷电波数学模型, 计算其频 谱 6,这些工作都从不同的角度丰富了雷电 流波形的探索和
10、研究。 考虑到闪电发生时辐射场波形变化都源 于电流波形的变化, 在闪电发生过程中, 由 于电场、磁场等数据或波形比电流更加容易 通过仪器测量获得, 因此, 关于电磁场、电 场辐射的频谱研究相对较多。董万胜,刘欣 生等对 25 100MHz 频段闪电脉冲辐射能 量频谱特征进行了研究 7, 张其林,郄秀书 等对高原雷暴地闪回击辐射场特征进行分 析 8, Sharma S1R 和 M1 Fernando 等 9利 用 23 次正闪回击的实测结果, 通过离散傅 氏变换,研究了 20MHz 以下的平均电磁场 能量谱密度变化情况,Sonadara U 和 V1 Cooray 等 10同 样 用傅 氏 变
11、换,研 究 了 20kHz 20MHz 云内电场振幅频谱变化的 情况, 这些研究结果表明: 雷电频谱较大部 分集中在低频部分, 也揭示了不同频段的不 同变化规律,这些研究揭示了闪电发生后辐 射场频谱的各种特征, 对雷电流的频谱研究 起到了很好的参考作用。 标准雷电波形在雷电防护设计中有重要 的意义,特别是用冲击电流装置实现后, 为 12气 象 第 32 卷 防雷器件和电子设备的测试提供了技术平 台。为了更好的理解雷电灾害的形成机制, 为基层雷电防护工作者提供一些参考依据, 本文采用国家标准 ( GB 50057) 94) 中的 雷电波形作分析。这是一种理想的单次脉冲 的雷电波形, 尽管与自然界
12、中实际的雷电波 形有一定差别,但主要特征是一致的。国内 还没有固定的野外雷电试验基地,许多研究 者在南方夏季不固定进行了人工引雷试验, 陈成品、郄秀书 2 等对地闪参量的特征进行 统计分析中也对雷电流特征进行了分析, 这 些结果对研究我国实际雷电流的特征都有着 重要的意义。 1 雷电波形及其表达式 1 11 雷电波的标准波形 根据国家标准,GB 50057) 94 建筑 物防雷设 计规 范 ) 中 对雷 击参数 的定 义 11 ,选取相关波形作为文章中的雷电波 标准波形。GB 50057) 94 中对雷电波的波 头时间 t1和半峰值时间 t2作了以下的规定。 即电流峰值 019 倍处 E 与
13、0 11 倍峰值点 F 连一直线, EF 的延长线与电流峰值水平线 相交于P 点,与横坐标交于点 t0,( 如图 1 所示) , 图 1 标准雷电波 t1、t2的定义 图中时间间隔 t1= tp- t0,称为雷电波波头 时间, 从 t0到波尾一半峰值 M 点之间的时 间间隔t2= tM- t0为雷电波半峰值时间。平 时我们所说的雷电波波形是用 t1/ t2( Ls) 来表示。文章采用标准波形 8/ 20 ( Ls) 、 10/ 350 ( Ls) 、后续雷击 0 125/ 100 ( Ls) 和 国家标准推荐雷电试验的 4 种波形 12 ( 10/ 200、4/ 300、1 12/ 50、10
14、/ 700 ( Ls) ) ,共 7 个波形作为研究对象。 1 12 雷电波的双指数函数曲线表达式 大量观测结果表明雷电流随时间近似指 数规律上升至峰值, 然后又近似指数规律下 降,Bruce 和 Godle 13在 1941 年提出了雷 电流波形双指数函数, 表达式如下: i(t) = I0k(e - At - e - Bt) (1) I0: 雷电流峰值 ( 从数 kA 到数百 kA) ;i: 雷电流瞬时值;A :波前衰减系数,B波尾 衰减系数; k:波形的校正系数。 令 I(t) = i( t)/ I0= k(e- At- e - Bt) (2) 称式 ( 2) 为单位峰值雷电流方程。 雷
15、电流双指数函数自从被提出以后, 得 到了广泛应用, 特别是在理论计算和雷电模 拟试验中更为常见 13, 14。 1 13 双指数曲线参数的计算 给出标准波形的 t1和 t2值后, 根据参 数的定义及雷电波方程,式 ( 2) 可得下列 方程: k(e - AtF - e - BtF ) = 011(3) k( e - AtE - e- BtE) = 0 19(4) k( e - AtM - e- BtM) = 0 15(5) tF= 011t1- t0(6) tE= 019t1- t0(7) tM= t2- t0(8) 方程式中 t0为正值,假设在坐标轴原点的 左侧。设峰值雷电流所对应的时间为
16、tI, 则 13 第 10 期 陈绍东等: 标准雷电波形的频谱分析及其应用 方程式 k(e- AtI- e - BtI ) = 110(9) 成立, 且电流最高点 I 点的斜率为 0, 即可 得方程: A e - AtI - B e- BtI= 0(10) 把式 ( 6) 、 ( 7) 、 ( 8) 分别代入式 ( 3) 、 ( 4) 、( 5) 后联立式 ( 9) 和 ( 10) , 可以求 得不同的波形 ( t1/ t2( Ls) ) 的参数 A 、B和 k 值, 如下表 1 所示。 表 1 标准波形对应的参数值 雷电波形ABkt0/Ls 8/ 20(Ls)7 1 714 1042 1 489 1052 1 330 1 682 10/ 200(Ls)3 1 914 1032 1 31 1051 1 0911 1 796 10/ 350(Ls) 2 1 127 1032 1 461 1051 1 051 1 1 948 1 1 2/ 50(Ls) 1 1 47
