国际防雷研究进展及前沿述评（论文） .pdf

第4 1 卷第l 期 1 1 3 2 0 1 5 年1 月3 1 日 高电压技术 h i g hv o l t a g ee n g i n e e r i n g v 0 1 4 1 n o 1 1 1 3 j a n u a r y3 1 2 0 1 5 d o i 1 0 1 3 3 3 6 j 1 0 0 3 6 5 2 0 h v e 2 0 1 5 0 1 0 0 1 国际防雷研究进展及前沿述评 曾嵘 周旋 王泽众 庄池杰 余占清 何金良 清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室 北京1 0 0 0 8 4 摘要 结合第3 2 届国际雷电防护会议 i c l p 2 0 1 4 与近年雷电物理领域的研究动态 对雷电物理与现象 雷电定 位与观测技术 雷电活动与特性 雷电电磁效应与暂态过程 多领域 电力系统 运输系统 新能源 电子通讯设 备等 雷电防护等方面的研究前沿进展进行了总结与分析 主要结论为 1 雷电观测技术依然发展迅速 其广泛 应用获取了大量雷电活动规律与特性参数 并初步揭示了雷电发展中的高能物理过程 上行雷现象得到越来越多 关注 超特高压输电线路雷击风险与上行先导密切相关 2 对雷电过程中若干基本物理现象的解释仍未形成共识 风力发电等新领域的雷电防护问题仍处于起步阶段 3 观测技术的探测灵敏度 准确性 时空分辨率需进一步提 高 以获取更为精细的雷电过程参数 雷电起始 先导梯级发展 上行先导的机理与模型仍有待深入研究 新能 源 智能电网等新领域的雷电防护问题可能成为新的热点 关键词 国际雷电防护会议 雷电观测 雷电物理 雷电现象 雷电电磁暂态 雷电防护 r e v i e wo fr e s e a r c ha d v a n c e s a n df r o n t so ni n t e r n a t i o n a ll i g h t n i n ga n dp r o t e c t i o n z e n g r o n g z h o ux u a n w a n gz e z h o n g z h u a n gc h i j i e y uz h a n q i n g h ej i n l i a n g s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fc o n t r o la n ds i m u l a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dg e n e r a t i o ne q u i p m e n t s d e p a r t m e n to fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g t s i n g h u au n i v e r s i t y b e i j i n g10 0 0 8 4 c h i n a a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ea c h i e v e m e n t si n3 2 i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo nl i g h t n i n gp r o t e c t i o n i c l p2 0 1 4 a n d r e c e n ti n t e r n a t i o n a lp u b l i c a t i o n s w es u m m a r i z e da n dr e v i e w e dt h ea d v a n c e sa n df r o n t so fr e s e a r c h e so fl i g h t n i n ga n di t s p r o t e c t i o n t h e s er e s e a r c h e sc o v e rv a r i o u sa r e a ss u c ha sl i g h t n i n gp h y s i c sa n dp h e n o m e n a l i g h t n i n gl o c a t i o na n do b s e r v a t i o n l i g h t n i n ga c t i v i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s l i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i ci m p u l s e s l e m p a n di n d u c e de f f e c t s a n d l i g h t n i n gp r o t e c t i o no fv a r i o u ss y s t e m s p o w e rs y s t e m s t r a n s p o r t a t i o n r e n e w a b l ee n e r g ys y s t e m s e l e c t r o n i cd e v i c e s e t c m a i nc o n c l u s i o n sa r e a w n a sf o l l o w s 1 w i t hr a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no f o b s e r v a t i o nt e c h n i q u e s ar i c hs u p p l yo fd a t ao fl i g h t n i n ga c t i v i t i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c si so b t a i n e d w h i c hf u r t h e rr e v e a l st h eh i g he n e r g yp r o c e s s e s i n v o l v e di nl i g h t n i n g u p w a r df l a s h e sh a v ed r a w ni n c r e a s i n ga t t e n t i o n u p w a r dl e a d e r ss i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h el i g h t n i n g s t r o k ef a i l u r e so fh i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e s 2 t h em e c h a n i s m so fs e v e r a lb a s i cl i g h t n i n gp r o c e s s e sa r es t i l lp o o r l y u n d e r s t o o d r e s e a r c h e so nl i g h t n i n gp r o t e c t i o ni nn e wa r e a ss u c ha sw i n dt u r b i n es y s t e m sa r es t i l li na ne a r l ys t a g e 3 i m p r o v e m e n ti nd e t e c t i o nt e c h n i q u e so fs e n s i t i v i t y a c c u r a c y s p a t i a la n dt e m p o m lr e s o l u t i o ni sr e q u i r e dt oo b t a i nd e t a i l e d l i g h t n i n gp a r a m e t e r s t h e o r i e sa n dm o d e l so fl i g h t n i n gi n i t i a t i o n s t e p p e dp r o p a g a t i o na n da t t a c h m e n t e s p e c i a l l yt h eu p w a r dl e a d e r s n e e dt ob ef u r t h e rd e v e l o p e d l i g h t n i n gp r o t e c t i o no fr e n e w a b l ee n e r g ys y s t e m sa n ds m a r tg r i dw i l ld r a w m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s k e yw o r d s i c l p 2 0 1 4 l i g h t n i n go b s e r v a t i o n l i g h t n i n gp h y s i c s l i g h t n i n gp h e n o m e n a l i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n t l i g h t n i n gp r o t e c t i o n 0 引言 雷电是自然界中最常见的地球物理现象之一 具有时空分布范围广 随机性强等特点 放电物理 过程机制复杂 研究难度大 对雷电的研究可追溯 到1 7 4 6 年f r a n k l i n 时代 经历2 0 0 多a 的观测和分 基金资助项目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 2 0 1t c b 2 0 9 4 0 3 自然科学基金 5 1 3 2 5 7 0 3 5 1 3 7 7 0 9 4 a r o j e c ts u p p o r t e db yn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a 9 7 3p r o g r a m 2 0 11 c b 2 0 9 4 0 3 n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h m a 5 1 3 2 5 7 0 3 5 1 3 7 7 0 9 4 析 人们对雷电现象已形成较为完整的认识 但至 今仍有许多雷电现象与机理有待深入揭示 同时 雷电及与其紧密相关的强对流天气等对于电力系 统 交通运输 电子通讯 建筑物 人体健康与公 共安全等生产生活诸多方面有显著影响 因此 雷 电现象 雷电物理 雷电预警与防护等问题仍是大 气电学 电力系统 放电物理等领域的热点研究问题 2 0 1 4 年1 0 月 由清华大学和上海交通大学联 合主办的第3 2 届国际雷电防护会议 i n t e m a t i o n a l 万方数据 2 高电压技术 c o n f e f e n c eo fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n i c l p2 0 1 4 在上 海举行 i c l p 始办于1 9 5 1 年 是国际雷电防护研 究领域最为重要的学术活动之一 本届会议为i c l p 第2 次在亚洲举行 也是第1 次在中国举行 会议 共收到来自6 大洲4 5 个国家的5 0 0 多篇论文 接收 4 3 8 篇 安排为15 个常规技术分会 t e c h n i c a lc o n f e r e n c e 和9 个特别技术分会 s p e c i a ls e s s i o n 进行报 告或张贴讨论 会议论文的内容涵盖了雷电物理与 特性 风险评估与雷电防护 雷击伤害与公共安全 等多个方面 除经典主题外 新能源系统与智能电 网的雷电防护等新领域也包含在内 其中接收到最 多文章的领域是大气电学 雷电物理与观测 雷电 模型 雷电电磁脉冲 以及电力系统 建筑物 电 子系统的雷电保护问题 会议颁发了b e r g e r 奖 g l o d e 奖和学术委员会奖 并评选了4 名青年科学 家奖和8 篇会议优秀论文 本文根据i c l p2 0 1 4 会议论文与近期国际雷电 研究进展 从雷电观测 雷电物理 雷电电磁暂态 效应 雷害风险评估与防护4 个方面概要归纳了国 际防雷研究的前沿进展 并初步探讨其发展趋势 1 雷电观测 1 1 雷电定位系统 雷电定位系统 1 i g h m i n gl o c a t i n gs y s t e m l l s 可实时获取记录包括云闪 i n t r a c l o u d i c 地闪 c l o u d t o g r o u n d c g 在内的雷电过程的时空分布 强度 极性等特征 在雷电参数与特性分析 雷电 物理研究 雷电预警 风险评估与雷电防护等多领 域有重要的应用 全球著名的雷电定位系统有美国 的n l d n u sn m i o n a ll i g h t n i n gd e t e c t i o nn e t w o r k 欧洲的e u c l i d e u r o p e a nc o o p e r a t i o nf o r l i g h t n i n gd e t e c t i o n 巴西的b r a s i l d a t 监测全球 范围雷电的e n t l n e a r t hn e t w o r k st o t a ll i g h t n i n g n e t w o r k 和w w l l n w o r l d w i d el i g h t n i n gl o c m i o n n e t w o r k 等等 其多年来为雷电研究与防雷应用提 供了大量数据 雷电定位系统也是当前电力系统研 究雷电活动的最主要手段之一 雷电定位技术目前主要有地面观测和卫星观 测2 种形式 雷电过程可产生从几h z 的低频电磁 波到1 0 川h z 的硬x 射线乃至g a m m a 射线 一般而 言雷电定位技术所探测的波段在极低频 e l f 3 3 0 h z 至o 特高频 u h f 0 3 3g h z 之间 此外也有 利用x 射线进行雷电定位的应用 l 也j 在雷电定位 中最常用的技术是基于地面传感器的到达时间定位 技术 t i m e o f a r r i v a l t o a 和定向定位技术 d i r e c t i o n f i n d i n g d f 后者由磁场定向技术 用于甚低频 v e r y l o wf r e q u e n c y v l f 频段和中低频 1 0 wa n dm e d i u m f r e q u e n c y l f m f 频段 和干涉技术组成 用于甚高 频 v e r yh i g hf r e q u e n c y v h f 频段 当前大部分雷 电定位系统综合应用2 者 既探测雷电辐射源的方 位角 又探测电磁波的到达时间 此外 基于卫星 的观测技术通常利用光学成像方式对可见光波段和 近红外波段的信号进行广域探测 其时空分辨率较 低且不能对雷电流进行定量 也不能区分雷电类型 云闪 地闪 和雷电极性 j j 雷电定位系统及其应用在此次会议与近期国 内外发表的研究论文中均为热点 包括雷电定位技 术的研发和改进 雷电定位系统的评估 基于雷电 定位系统的雷电活动与特性观测等等 0 q2 会议中 多篇优秀获奖论文均与雷电定位系统有关 例如 s u n 等利用短基线t o a 技术对甚高频信号进行探 测 结合基于小波分析的互相关时延估计算法 实 现了对雷电活动的2 维高时空分辨定位 获青年科 学家奖 叫 s t o c k 等利用多基线干涉技术 改进了 甚高频宽带干涉技术对弱辐射源的定位精度 j n a g 等对多种雷电定位技术进行了总结 分析对比了不 同雷电定位技术的监测效率 定位精度 极性与雷 电流幅值估计精度 雷电类型区分准确性等特性和 参数 并对检测不同雷电定位系统性能的可用手段 进行了分析p j 同时还利用雷电定位系统对地闪的 预击穿磁场脉冲序列进行了测量和分析瞵j 综上所述 提高对辐射源尤其是弱辐射源的定 位精度 提高对雷电流幅值的定量精度 提高雷电 探测效率 提升类型判定准确性是当前雷电定位技 术的主要热点问题与发展方向 1 2 高速光学观测技术 高速光学观测主要有2 种手段 高速摄像技术 和光电阵列观测技术 在2 0 世纪5 0 6 0 年代 对闪电进行摄影摄像 的主要观测手段为扫描相机拍摄和静态相机拍 摄 l 1 4 j 近年来 随着c m o s 高速摄像技术的发展 高速摄像机被广泛应用于雷电观测中 其时间分辨 率可达 s 量级 在直窜先导 梯级先导 雷电连接 过程 高空暂态发光 如s p r i t e s h a l o 等 输电线 路雷击模拟试验和实验室长空气间隙放电的观测中 发挥了重要作用 l 孓2 2 j 图l 为j i a n g 等拍摄的自然 万方数据 曾 嵘 周旋 王泽众 等 国际防雷研究进展及前沿述评 举下 一矿 卜 图1高速摄像记录负极性先导梯级发展与分支 帧率为1 8 0 千帧 s 时间分辨率为5 5 6 雌 f i g 1 c o n s e c u t i v ei m a g e sr e v e a l i n gt h en e g a t i v es t e p p e dl e a d e rd e v e l o p m e n t w i t haf r a m er a t eo f18 0k f p s 5 5 6p sr e s o l u t i o n 雷电的负极性先导发展图像 小箭头为梯形先导形成 方向 可清晰观察到负极性先导的梯级发展和分支过 程 并观测到了空间先导 s p a c el e a d e r 的形成与连接 1 1 5 1 这是高速摄像技术在雷电观测中的典型应用 光电阵列观测技术的典型系统为w a n g 等开发 应用的自动雷电发展特征观测系统 a u t o m a t i c l i g h t n i n gp r o g r e s s i n gf e a t u r eo b s e r v a t i o ns y s t e m a l p s 和雷电连接过程观测系统 1 i g h t n i n ga t t a c h m e n tp r o c e s so b s e r v a t i o ns y s t e m l a p o s 2 者的基 本原理相似 均利用光电二极管配合增益元件对雷 电发光现象进行探测 前者将光电二极管阵列置于 相机系统的成像平面上 而后者则是利用光纤阵列 替代 由光纤束传输至光电二极管 图2 为l a p o s 的系统原理刚孙j l a p o s 专为观测雷电连接过程 设计 克服了a l p s 动态响应范围窄 记录长度短 观测雷电连接过程时视角小的缺点m 4 光电阵列观测技术较高速摄像技术而言 具有 很高的时间分辨率 a l p s 的时间分辨率为1 0 0n s l a p o s 的时间分辨率为1 0 或1 0 0n s 其可对雷电 过程尤其是雷电连接过程进行精细观测 图3 为基 于l a p o s 的火箭引雷试验中1 次典型回击过程的 光信号记剥玎j 其中设回击起始时刻为0s s 1 一s 1 3 为不同观测位置的光信号输出 近年来 多名学者 利用a l p s 和l a p o s 对雷电过程进行了大量观测 例如c h e n 等利用a l p s 对2 次自然雷电的梯级先 导特性进行了观测 2 引 w a n g 等利用a l p s 和 l a p o s 对回击起始过程的上下行先导发展速度 回 击点高度等参数和回击光信号的高度衰减特性等进 行了观测 2 3 2 4 2 6 3 0 l z h o u 等利用l a p o s 与电流测 量系统对火箭引雷试验中回击过程的雷电流和发光 光电 极管 镜头及放人器 图2l a p o s 结构示意图 f i g 2 s t r u c t u r ed i a g r a mo fl a p o s 时 一u s 图3l a p o s 记录的1 次回击过程的发光信号 f i g 3t y p i c a ll i g h ts i g n a l so f t h ef i r s ts t r o k eo f ar o c k e t t r i g g e r e df l a s hr e c o r d e db yl a p o s 强度进行分析 得到2 者的幅值关系与时延规律 获 优秀论文奖 p 1 1 3 上行雷观测 上行雷电或上行先导的观测主要集中在两方 面 高层结构 建筑 铁塔等 顶端的上行雷观测和 超 特高压输电线路上行先导模拟试验研究 万方数据 4 高电压技术 近年来全球范围内数座高达上百m 的信号塔 摩天楼频繁观测到上行雷电 引起了越来越广泛的 关注 典型的有美国帝国大厦 澳大利亚g a i s b e r g 塔 瑞士s i n t i s 塔 德国p e i s s e n b e r g 塔等 会议文 章与近期发表的大量文献对高层结构顶端的上行雷 电进行了观测 分析与比较 例如w a m e r 等对美国 r a p i dc i t y 的高塔上行雷电进行了观测p j w a n g 等对日本u c h i n a d a c h o u 风机及其雷电保护塔在冬 季的上行雷电活动进行了观测p4 z h o u 等总结并评 估了山顶高塔的有效高度的计算方法 将黜呔模型 应用于有效高度的计算中 3 驯等 会议中2 位获得青 年科学家奖的学者的工作均为高层建筑上行雷观测 与分析 z h o u 等对g a i s b e r g 塔的上行雷电进行了观 测 分析了上行雷起始与温度 风速 气压 湿度 等气象参数的关系p 引 s m o r g o n s k i y 等对g a i s b e r g 塔2 0 0 0 2 0 1 3 年间7 5 9 次上行雷和s a n t i s 塔2 0 1l 2 0 1 2 年间3 2 6 次的上行雷进行观测与分析 得出 该两高塔的上行雷电均主要为自发性起始 约8 5 而非受周边雷击现象触发等上行雷起始特性 j 川 近年来 随着电力系统输电线路电压等级的升 高 杆塔高度也明显增大 超 特高压输电线路的 雷击事件中 上行先导的作用受到越来越多的关注 输电线路的上行先导研究也是近年来的热点问题之 一 z e n g l i 等通过设计一种特殊的板一棒电极并 在其上施加冲击电压模拟雷云和下行先导在线路附 近的电场时空变化对导 地线上行先导的影响 对 输电线路上行先导的起始与发展特征进行观测 l 2 1j 通过对特高压交 直流输电线进行雷击模拟试验 结合同轴分流器采集放电电流 高速摄像机拍摄上 行先导起始和发展过程 获取了上行先导起始时间 发展速度 单位长度电荷量等多种参数 并对雷电 极性 直流预电压 空间背景电荷等对上行先导的 影响进行了分析 其试验布置与典型的8 0 0k v 直流 预电压下的放电图像分别如图4 和图5 所示 w a n g 等沿用该方法 对交流预电压下的特高压线路进行 负极性雷云及下行先导模拟试验 分析了地线保护 角对相 地线的上行先导起始的影响 3 8 1 2 雷电物理与现象 2 1 雷电起始过程 雷电起始机理是雷电物理研究乃至大气物理 研究领域一直悬而未决的问题之一 雷电起始过程 涉及雷云电化 云内电场测量 雷云预击穿 紧凑 云间放电 c o m p a c ti n t r a c l o u dd i s c h a r g e c i d 流注 模型以及逃逸电子机制等多个前沿课题 雷云起始过程的核心是起始机制的研究 近几 十a 来 多名学者通过飞行器 火箭 对雷云内部 的最大电场强度进行了测量 其典型值为1 0 0 2 0 0 k v m 在少数测量中 雷云内部的最大电场强度值 可 4 0 0k v m j 而对于经典放电理论而言 雷 电起始所需的最大电场强度值应在m v m 量级 经 典击穿电场强度 以下简称场强 为3m v m 海平 面 而流注一先导转换场强约为2m v m 4 2 考虑 海拔高度对气压 气体密度的影响 将雷云中测得 的场强值转换为海平面场强 其典型值在2 0 0 6 0 0 k v m j 圳 仍远小于雷电起始的所需场强 g r i f f i t h s p h e l p s c o o r a y lg u r e v i c h d w y e r 等多名学者对雷电起始机制进行了大量理论和试验 图4 导线上行先导观测试验布置 f i g 4e x p e r i m e n t a ls e t u pf o ro b s e r v a t i o no f u p w a r dl e a d e r s 84 j1 7 5 151 1 333 q4 l 7 l5 00 4j 83 66 6 6 87 5i o8 33 2q 16 49 99 6l0 82 9l l66 l 时f jj p s 图58 0 0k v 直流预电压下导线上行先导起始与发展典型图像 f i g 5t y p i c a lh i g hs p e e di m a g e so fu p w a r dl e a d e ri n c e p t e df r o mt h ec o n d u c t o rw h e n8 0 0k vd cv o l t a g ew a sa p p l i e d 万方数据 曾嵘 周旋 王泽众 等 国际防雷研究进展及前沿述评 研刭删巧 主要提出3 种可能原因和机制 1 雷云内局域电场强于目前试验测量所得电 场 例如雷云内的涡流导致电场畸变 局域电场 增强h 3 1 2 在水汽凝结体 水珠 冰粒等 表面流注起始 并发展 增强局部电场 引发云内击穿和雷电起始 例如g r i f f i t h s 等研究表明 凝结体表面场强达 2 5 0 9 5 0k v m 时流注起始 流注在雷云内发展所需 的场强在海拔高度6 5k m 处为15 0k v m 而在海 拔高度3 5k m 处为2 5 0k v m 4 4 4 5 3 高能快电子或逃逸电子 r u n a w a ye l e c t r o n 的 产生在雷电起始中起重要作用 例如海拔4 6k m 处相对论逃逸电子崩 r e l a t i v i s t i cr u n a w a ye l e c t r o n a v a l a n c h e r r e a 产生所需的场强约1 0 0 1 5 0 k v m 在电子崩头部产生极强的表面电场 4 上述这3 种机制密切联系 可能2 种或多种同 时起作用 其核心均在于云内局域场强的增强 引 起雷电起始 此外 近年发表与本次会议论文中 有大量内 容涉及雷电起始过程的其他问题 如雷云电化电荷 结构和数值仿真1 5 卜5 2 j 预击穿电磁脉冲与双极性窄 脉冲的观测与特性分析 8 5 3 5 4 j 等等 2 2 雷电下行先导发展过程 雷电先导发展过程 尤其是负极性雷电梯级先 导的发展过程 一直是雷电物理领域观测和理论研 究的热点问题 近年来大量研究利用雷电定位系统 光学观测技术等对负极性雷电先导进行观测 高速 摄像技术的发展 使得观测更为精细 2 0 世纪7 0 年代 g o r i n 等利用扫描摄像等方法 对实验室内数m 长的放电现象进行了研究p 川 对长 度 2m 的间隙 可以显著观测到负极性先导的梯级 发展 揭示了负极性先导梯级发展过程中空间预先 导 s p a c es t e m 和空间先导 s p a c el e a d e r 的存在 即 在已形成的先导头部下方的空间未与先导头部连接 处 形成等离子体 空间预先导 其两端分别为向 已形成的先导头部发展的正极性流注和反向发展的 负极性流注 空间预先导被流注电流加热 形成双 向发展的空间先导 其与已形成的先导头部连接 完成1 次梯级发展 近年来利用高速摄像技术 在 雷电负极性先导的发展过程中也观测到了空间预先 导和空间先导 典型的观测如b i a g i 等对人工引雷 的先导梯级发展观测 h i l l 等第1 次观测到自然雷 电的空间先导现象 以及j i a n g 等对自然雷电负极 性先导梯级发展和分支的观测 见图3 u 孓 j 图6 为b i a g i 等在f l o r i d a 拍摄的人工引雷负极性先导的 发展图像 每幅图像的视野范围约2 0m x 2 0m 拍 摄的时间分辨率为4 1 7u s 图中白色箭头所指为空 间预先导或空间先掣 j 高速摄像观测获取了大量 先导梯级发展参数 例如b i a g i 等得出下行直窜一梯 级先导在其最终1 5 0m 的平均发展速度为 2 7 x 1 0 6 3 4 1 0 6m s l 远高于普通长空气间隙放 电先导发展速度 h i l l 总结1 6 个观测到的空间预先 导或空间先导 其平均长度为3 9m 平均距下行 先导头部2 1m 每一梯级发展形成后 产生的强 发光的上行速度 1 0 7 m s l l 6 l 等 除高速摄像技术外 利用雷电定位系统 光电 阵列观测技术等也获取了大量先导梯级发展特性参 数 例如s h a o 等利用v h f 干涉雷电定位技术 测 量得到梯级先导的典型发展速度为2 1 0 5m s 情6 c h e n 等利用a l p s 系统对2 次自然雷电的负极性先 导进行观测 1 次在离地高度3 6 7 16 2 0m 处平均 发展速度为7 3 1 0 m s 每级先导长度在7 9 3 0m 间 每级间隔时间在5 5 0p s 间 另1 次在离地高 度3 3 1 0 2m 处平均发展速度为5 4 1 0 r n s 每级 先导长度约为8 5m 每级间隔时间约2 0 s 拉引 w a n g 等利用a l p s 系统对人工引雷进行观测 观 察到每次梯级发展形成之后 存在向上发展的发光 现象 平均速度约6 7 1 0 7 m s 这与h i l l 等的高 速摄像观测结果一致 图6 人工引雷负极性梯级先导的高速摄像观测 帧率2 4 0 千帧 s 即每帧4 1 7 邺 f i g 6h i g h s p e e dv i d e of r a m e so f t h en e g a t i v es t e p p e dl e a d e r c h a n n e lo fat r i g g e r e d l i g h t n i n gf l a s h 2 4 0k f p s 4 17i t sp e r f r a m e 万方数据 6 高电压技术 2 3 雷电连接与回击过程 雷电先导与地面或地面物体连接 a t t a c h m e n t 的过程是雷电物理中认识较为贫乏的领域之一 通 常认为在雷电连接过程中地面或地面尖状物体可能 会有上行先导形成 其头部的流注区域与下行先导 的流注区域汇合 完成连接进而引发回击过程 近年来基于人工引雷试验和光学手段等 对雷 电连接与回击过程进行了观测 获取了其部分特征 参数 w a n g 等利用a l p s 和l a p o s 对雷电连接与 回击过程进行观测 获取了上行先导长度 回击起 始点高度 回击上下行发展速度 雷电连接过程先 导发展速度等等 例如1 次人工引雷试验的观测中 得到临近回击发生前的下行直窜先导速度为4 1 0 7 m s 上行连接先导约为2 1 0 7 m s 为下行先导的 l 2 2 6 l 该数据被c o o r a y 和r a k o v 用于估算击耐5 7 j 其对2 0 11 年f l o r i d a1 4 次人工引雷的观测结果表 明 回击从交汇点的上行发展速度为 0 4 x 1 0 8 2 5 x 1 0 8m s 而下行发展速度为 0 6 x 1 0 81 9 1 0 8m s 2 3 等 b i a g i 等利用高速摄像机 2 0 x1 0 6 帧 s 对雷电连接过程进行记录 上行连接先 导的长度为9 2 2m 在下行先导和上行连接先导之 间可观测到流注放电 x i e c h e n 等利用梧棒电极 进行雷电连接过程的模拟试验 分析了间隙尺寸 两接地体距离等参数的影响 图7 为其1 次典型高 速摄像结果p 引 图中i i i 1 i i 为梯级先导 为 上行先导 v 为下行先导最大长度 上行先导的起始与发展模型是雷电连接理论 研究中的最主要问题之一 学者b e c e r r a 和c o o r a y 近年对该问题进行了深入研究 基于g a l l i m b e r t i 等 对长间隙放电的理论研列 击 提出自洽先导起始 与发展模型 s e l f c o n s i s t e n tu p w a r dl e a d e ri n c e p t i o n a n dp r o p a g a t i o nm o d e l s l i m 在雷电研究领域得 到应用 卜6 2 j 其中 上行先导的起始尤其得到关注 在本次会议中 l i u 等对水平导体辉光向流注的转 换过程进行了2 维仿真 o 川 a r e v a l o z h o u 等对流 注向先导的转换过程进行了建模和仿真 6 4 6 6 jo 其中 z h o u 分析了气体动力学过程和热传导在先导起始 中的作用 将空气动力学方程和传导损失引入先导 起始模型中 建立1 维热流体先导起始模型 o n e d i m e n s i o n a l t h e r m o f l u i d d y n a m i c s m o d e l 1 d t f d 利用实测放电电流对先导起始过程及后 续发展过程的温度 密度变化 热通道直径扩张等 进行了仿真 仿真所得热通道直径扩张规律与利用 m a c h z e h n d e r 干涉仪观测所得结果基本一致 该研 究论文获优秀论文奖 图8 为典型的m a c h z e h n d e r 先导干涉观测图像 从中可获取先导通道的热尺寸 图9 为试验与1 d t f d 模型所得先导热通道扩张的 结果对比 此外 会议中还有大量论文对回击过程 进行了建模和分析 o 引 2 4 高能射线与逃逸电子 高能大气物理的研究始于1 9 2 5 年巾川 此后7 5a 间大量学者进行观测研究 探询雷电过程中是否存 在高能射线 6 j 直至2 0 0 0 年后 雷云内部和雷电 过程中高能射线的存在才被广泛接受 并成为雷电 物理领域新的研究热点 此前 雷电和长间隙放电 过程理论只涉及经典放电理论和低能量电子 数e v 的放电过程 近年来随探测技术的发展 从自然雷 电 人工引雷试验 长间隙放电中大量观测到高能 射线 这些观测揭示在雷电与长间隙放电中 能够 产生能量高达数百k e v 甚至m e v 以上的逃逸电子 预示着在雷云和闪电中局部存在极强的电场i 引j 高能射线可粗略地分为2 类 即雷电先导产生 的x 射线和雷云内产生的g a m m a 射线 在人工引 雷和自然雷电中 在梯级先导 直窜先导 直窜一 梯级先导等回击发生之前的雷电发展过程中 均观 测到x 射线 7 小阳j x 射线一般起始于回击前数 s 至数m s 之间 偶尔表现为极短的亚肛s 的脉冲爆发 与雷电先导的梯级发展相对应 雷电过程的x 射线 图71 0m 棒一棒间隙雷电连接模拟试验典型高速图像 f i g 7t y p i c a lh i g h s p e e dv i d e of r a m e so fs i m u l a t e dl i g h t n i n ga t t a c h m e n tt e s t si na10 mr o d r o dg a p 万方数据 曾嵘 周旋 王泽众 等 国际防雷研究进展及前沿述评 7 鋈 羹l 喾薹兰兰兰釜兰 蔷 一雾耄富雪誉蔓 i 蓍三兰囊霎兰誊 二 三一 兰 二 a 求放电 b 先导放电 图8 典型m a c h z e h n d e r 干涉图像 f i g 8t y p i c a lm a c h z e h n d e ri n t e r f e r e n c ef r i n g e s 图9 先导热通道扩张的试验与模型仿真结果对比 f i g 9c o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o no f l e a d e r d i a m e t e re x p a n s i o n 能量通常在数百k e v 部分可达m e v 量级 理论分 析表明逃逸电子是由流注或先导头部局部场强 3 0 0k v c m 耻1 8 2 洲 g a m m a 射线可分为2 种基 本类型 g a m m a 射线辉光 g a m m a r a yg l o w 和 g a m m a 地面闪现 t e r r e s t r i a lg a m m a r a yf l a s h e s t g f s 前者持续数s 至数m i n 后者平均持续时间 为2 0 0p s 斗引j g a m m a 射线的能量可达几至几十 m e v 以上 其机理或产生条件应与x 射线存在显 著区别 如相对论正反馈机制等 惮j 由于逃逸电子 可产生大量的二次低能电子 数e v 逃逸电子与高 能射线对雷电的形成与发展密切相关 例如长持续 时间的g a m m a 射线辉光在雷云电化过程中发挥重 要作用 高能射线与逃逸电子的研究中 众多的理论 模型被提出 例如热逃逸电子产生 相对论逃逸电 子崩 r r e a 相对论正反馈机制p 9 踟等 高能射线 的观测与机理 高能射线对雷电的影响等问题目前 还有待更为深入的研究和探讨 3 雷电电磁暂态效应分析 3 1 雷电电磁脉冲及其效应分析方法 雷电电磁脉冲 1 i g h t n i n ge l e c t r o m a g n e t i c i m p u l s e s l e m p 是指伴随雷电放电发生的电流的瞬变 和强电磁辐射 属于雷电的二次效应 是常见的天 然强电磁脉冲干扰源之一 l e m p 的影响区域远大 于直击雷 可以由云闪和地闪产生 影响范围遍布 对流层以下至地表以上区域 包括空中飞行的火箭 飞机 导弹 地面架空输电线 各种电子装备和深 埋地下的电缆及至油气输送管道等 它所产生的强 电场和强磁场能够耦合到电气或电子系统中 从而 产生干扰性的浪涌电流或感应电压 l e m p 会产生 静电感应 电磁感应 高电位反击 电磁波辐射等 效应 研究l e m p 产生的雷电感应电流 感应电压 对雷电防护有十分重要的意义 l e m p 及其感应效应的方法主要有2 种 电路 仿真和电磁计算 电路仿真方法利用电磁暂态程序 如e m t p 或 e m t d c 建立雷电发生时的电路仿真模型进行计 算 该方法简单直观 便于应用 p e p p a s 等利用该 方法计算了由于雷击输电线路而在地表油气管道产 生的感应过电压 并比较了距离雷击点不同距离处 的管道上感应过电压变化特性 该研究论文获优秀 论文奖 8 5 电磁计算方法是近年来应用最为广泛的l e m p 分析方法 其考虑全波过程 分析在导体系统内的 电流分布和合成电磁场 但是在部分应用中计算成 本较大 86 目前常用的电磁计算方法主要有矩量法 m e t h o do fm o m e n t s m o m 时域有限差分 f i n i t e d i f f e r e n c et i m ed o m a i n f d t d 法 有限元法 f i n i t e e l e m e n tm e t h o d f e m 传输线模型 t r a n s m i s s i o nl i n e m o d e l t l m 法和部分单元等效电路 p a r t i a le l e m e n t e q u i v a l e n tc i r c u i t p e e c 法等瞵川 典型的研究应用 如b a b a 等利用t l m 方法在2 维柱坐标系中模拟了 l e m p 及其在输电线路上的感应效应 其计算结果 与有限时域差分法的计算结果基本一致拶引 r a k o v 等分别在时域和频域利用m o m 和f d t d 法建立了 雷电回击的电磁模型瞄圳 i z a d i 等测量了距雷击点不 同距离处的电场 在考虑了所有电场组分后 利用 t l m 方法计算了雷电回击电流波形 与雷电流的试 验测量结果基本一致 j 万方数据 8 高电压技术 3 2 接地 雷电是严重威胁电力系统安全可靠运行的重 要因素 线路杆塔接地装置的冲击接地电阻值直接 影响到线路的防雷效果 雷击相关接地领域的研究内容主要包括对接 地装置冲击特性的试验与计算 土壤特性的时频变 特性研究 接地体的结构优化设计等等1 9 1 i 其中土 壤的时频变特性是当前研究的热点 主要通过试验 测试和仿真计算 综合考虑土壤的非线性时变和频 变特性 从而建立合理的接地装置暂态计算模型 土壤是非均匀的媒质 由矿物质 有机质 土壤 固相 土壤水分 液相 和土壤空气 气相 三相物质 组成 其体系复杂程度远高于无机成分和有机成分 的简单混合 当施加冲击电压时 土壤电离使得电 离区域的土壤电阻率呈明显的非线性时变特征p 邺j 同时土壤作为一种特殊的电介质 其特征参数如电 阻率 介电常数等会随着频率的变化而明显变化 对土壤的时频变特性的规律 影响因素 模型机理 进行更为全面细致的研究对于正确分析接地系统的 冲击暂态特性有着十分重要的理论意义 典型研究 如s o u z a w u 等建立了接地装置的时域仿真模型 分析了土壤电离对接地体冲击响应特性和输电线路 雷电暂态响应的影响 并通过场地试验验证了仿真 模型的合理性 d 6 l i 等通过不同温 湿度的测量 试验得到了土壤参数从1h z 到1 0m h z 频变特性 得出土壤电阻率和介电常数随频率增加而减小 并 讨论了土壤频变特性对输电线路暂态响应的影响 该研究论文获优秀论文奖 p 川 4 雷害风险评估与防护 4 1 电力系统雷击防护 直击雷是造成超 特高压输电线路跳闸的首要 原因 主要有反击和绕击2 种形式 随着输电线路 电压等级提高 雷电绕击在输电线路雷击事故中所 占比例增大 由于反击计算模型相对成熟 且在超 特高压线路中 雷击事故主要由绕击引起