自然雷电波形分析

自然雷电波形分析

李欣 陈振明 陈荣斌 （厦门大恒科技有限公司）

摘要

针对当前雷电破坏机理尚不明确，不能精准预测雷电闪击地点、发生时间、危害程度的情况，通过对自然雷电波形的研究，分析雷电继后回击存在脉冲衰减谐振过程和雷电破坏的现象。

雷电波形 闪击 采样速率 雷电先导 继后回击 触发引雷 脉冲磁场 雷电破坏

本文发表在2021年第9期《建筑电气》（雷电防护委员会2021年会专栏）

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引言

雷电的破坏存在神秘的一面，人类现在还不能很好地解释雷电的破坏机理，特别是不能精准地预测雷电闪击的地点、发生的时间、危害的程度。本文通过自然雷电波形分析雷电继后回击存在脉冲衰减谐振过程，供防雷工程设计参考。

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自然雷击记录波形情况

如图 1 所示是 2013 年 08 月 16 日 16 时 17 分 42 秒记录到的自然雷电波形，使用 T30 - A1 雷电流波形记录仪 （采样速率 100 MHz、双通道、记录长度1 000 ms），在南京浦口电视塔 （山高 610 m，塔高100 m） 塔顶接闪器上安装罗氏线圈传感器对自然雷电波形进行采集记录。

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自然雷击波形分析

雷电是一种常见的自然现象，其物理过程极为复杂。人们通过记录自然雷电闪击、小火箭引雷记录证实：雷电先导 （闪击之前向上或者向下中和异性电荷的先头电荷和游离气体）、继后回击 （除了首次闪击以后的所有闪击都叫作继后回击） 是一个间断性的雷电电弧过程。空间太阳能高能粒子形成强扰动天气区，在重力场及云内垂直气流 （上升 / 下降） 的作用下，不同极性的电荷分离形成电荷区，不同的雷暴云电荷结构影响雷暴云的闪电放电特征 （如图 2 所示）。带电粒子云团的多样性、复杂性，致使电场发生急剧变化。

电场的急剧变化建立了下行和上行先导条件，先导通道为继后回击建立了基本条件。继后回击是否能够发生，取决于通道温度、通道电场强度梯度、通道气体分子的游离状态。在 100 ~ 500 m 高度范围内，建筑物的高度越高，在其上发生的雷电事件上行闪电所占的比例也越高；高度低于 100 m 的建筑物上较少发生上行闪电；对于 10 ~ 60 m 高度的建筑物来说，发生上行闪电的概率非常低；而对于高度在 500 m 以上的建筑物，发生在其上的雷电事件绝大多数都是上行闪电。

继后回击的破坏体现在 3 个方面：

a.直击雷：造成电动力破坏 （热膨胀） 和热积累损坏甚至起火，主要体现在高压输送线、铁塔、高山气象站、风力发电机、超高层建筑物。

b.雷电传导破坏：铁路线、低压供电电源线。

c.电磁感应破坏：体现在建筑电器、电子设备、电子线路，继后回击极易造成电子元件热积累损坏（如熔断器、金属氧化物压敏电阻、半导体 PN 结等）。

继后回击实质是雷电流电弧熄灭、重燃的过程，雷电流电弧熄灭、重燃是中和带电粒子、电场重新分布的过程。雷电电弧在衰减振荡中熄灭：回击通道长，一个回击使电场强度迅速降低，雷电电弧不具备持续条件而熄灭；通道由 M 分量 （闪电通道瞬态过程中有连续电流发生时称为 M 分量，可以看作是一种在连续电流上的脉冲过程） 维持温度和气体游离，云电荷迅速聚集而重燃，形成下一个继后回击。

继后回击伴随着振荡，这个振荡具有电磁破坏能力 （振荡频率和通道长度有关，通道长度呈现电感特性、对地呈现电容特性，具备振荡条件）：振荡时间变化率在纳秒级。雷电流幅值高、波头上升陡，能在所流过的路径周围产生很强的瞬态脉冲磁场。根据电磁感应定律，这种快速变化的脉冲磁场穿过导体回路时，能在回路中感应出电动势，产生过电压和过电流。

脉冲磁场在回路中感应出的电压大小与回路尺寸、雷电流波头陡度以及回路与载流导体之间的距离有关，载流导体产生的脉冲磁场对其附近回路的电磁感应作用可用两者之间的互感系数来表征，借助于互感系数，回路中的感应电压可表示为：

如果把 3 次闪击看作是首次雷击，继后回击出现 2 次 ：46.4 ms 出现一次94.44 kA负极性回击（图1中b处），98.8ms出现第二次164.4 kA负极性回击（图 1 中 c 处）。首次雷击到第 1 次回击间隔45.07 ms；第 1 次回击到第 2 次回击间隔 52.4 ms。不管是上行雷或下行雷，也不管是正极性或负极性雷闪都可能出现多重雷击，尤以负极性下行雷为甚。多重雷击定义为平均含有 3 ~ 4 个雷击的雷闪，雷击间隔时间约为 50 ms。

为了进一步分析首次闪击过程，将图 1 中首次闪击 a 处解析展开如图 3 所示，首次雷击电流 12. 96 kA（图 3 中 a - 1 处）。雷电电流进入上升通道 1 μs 之前存在两个先导 （不连续的脉冲）：第一个脉冲在 656 μs出现 （负极性回击电流 18. 75 kA，图 3 中 a - 2 处），第二个脉冲过渡到 674 μs 过程后出现 （负极性回击电流 137. 64 kA，图 3 中 a - 3 处），两个先导 / 回击会产生在同一个闪电通道中，它们之间的时间间隔短到只有 1 ms 或者更少，在回击形成长连续电流之前的击间间隔显示出比普通击间间隔更短的倾向。

雷电在空间和时间上是一个随机过程，闪电的回击数、击间间隔、回击速度、闪电通道的等效阻抗以及连续电流和 M 分量，体现雷电破坏性在继后回击，图 4 是图 3 a - 3 处继后回击雷电流谐振展开波形。

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人工引雷雷电波形分析

如图 5 所示，火箭人工触发引雷的先导和回击数据与自然下行地闪继后回击相似。但该试验结果还不能完全代替对自然闪电过程的研究。由于小火箭拖带一根细金属丝进行人工触发引雷，操作方便，给研究雷电带来了极大的方便。

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结语

认识雷电的物理特征是一个漫长的研究过程，研究自然雷电频谱、分析雷电谐振现象，有助于更好地保护敏感电子设备。

参考文献

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自然界中的雷电不可能消失

人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止

技术进步带来的潜在威胁

只能靠技术的继续进步来解决