顏 旭 張義軍 杜 賽 陳紹東 呂偉濤

1)(中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所， 廣州 510080)

2)(復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系/大氣科學(xué)研究院， 上海 200438)

3)(中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點實驗室/雷電物理和防護(hù)工程實驗室， 北京 100081)

引 言

雷電是自然大氣中的超強、超長放電現(xiàn)象，具有極強的破壞性[1]，而接地是一種非常有效的防雷措施，它可以通過接地系統(tǒng)將雷電流快速泄放入大地，減小雷擊造成的危害。但在接地系統(tǒng)泄放雷電流的過程中，接地系統(tǒng)的地電位會瞬間抬升至幾百甚至上千千伏，以地電位反擊形式，對接地系統(tǒng)周圍人員及與其相連的設(shè)備形成巨大威脅。研究地電位抬升的特點及破壞機理有助于采取更有效的防護(hù)措施，保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全。

由于試驗條件及環(huán)境限制，部分學(xué)者通過高壓沖擊試驗或仿真建模等形式進(jìn)行接地系統(tǒng)地電位抬升及暫態(tài)效應(yīng)研究[2]。隨著對閃電活動認(rèn)識的加深[3-6]，人工觸發(fā)閃電技術(shù)逐漸成熟，利用人工觸發(fā)閃電開展真實雷電環(huán)境條件下相關(guān)研究成為一種較好途徑。Schoene等[7]利用人工觸發(fā)閃電開展架空配電線路雷擊試驗，發(fā)現(xiàn)雷電流在距離桿塔11 m 處入地時，通過地電位反擊引起配電線路中電流流動；Chen等[8]利用人工觸發(fā)閃電開展自動氣象站雷電防護(hù)試驗，發(fā)現(xiàn)地電位反擊損壞5 m遠(yuǎn)地網(wǎng)上浪涌保護(hù)器(SPD)的現(xiàn)象；顏旭等[9]、朱良等[10]基于人工觸發(fā)閃電分析地網(wǎng)間共地和非共地情況下地電位抬升電壓的波形特征。

近年，隨著人工觸發(fā)閃電技術(shù)的進(jìn)步，開展真實雷電環(huán)境下地網(wǎng)地電位抬升電壓和暫態(tài)效應(yīng)的研究也取得了一定進(jìn)展，但由于近距離閃電時強雷電電磁脈沖對測量設(shè)備的干擾，采集到的數(shù)據(jù)相對較少。2019年中國氣象局雷電野外試驗基地攻克了該難題，成功測量并記錄到多次雷電流及接閃地網(wǎng)上的地電位抬升電壓波形，對于加深對地電位抬升電壓及其暫態(tài)效應(yīng)的理解和研究其破壞機理具有重要意義。

1 試驗現(xiàn)場布置

本試驗在位于廣東省廣州市從化區(qū)的中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences, China Meteorological Administration, CMA_FEBLS)人工引雷試驗場開展。圖1是試驗現(xiàn)場布置示意圖，當(dāng)觸發(fā)閃電成功后，雷電流通過引流桿注入接閃地網(wǎng)，隨后泄放入地。接閃地網(wǎng)由水平接地體和垂直接地體共同組成，接閃地網(wǎng)大小為10 m×10 m，分4個網(wǎng)格(5 m×5 m)，由規(guī)格為40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼連接，埋深0.8 m，垂直接地體采用規(guī)格40 mm×40 mm×4 mm，長2.5 m的鍍鋅角鋼，每隔5 m均勻分布于地網(wǎng)的四周，接閃地網(wǎng)的工頻接地電阻為15.8 Ω。

當(dāng)人工觸發(fā)閃電成功后，雷電流通過引流桿經(jīng)地網(wǎng)泄放入大地，雷電流波形由引流桿下同軸分流器進(jìn)行采集，其采樣帶寬為0～20 MHz，由高壓隔離采集系統(tǒng)采集和記錄，采樣率為100 MS/s。地網(wǎng)的地電位抬升電壓通過分壓器比587：1、高壓臂電容307.0 pF的阻容式分壓器分壓和100倍衰減器衰減后由高壓隔離采集系統(tǒng)采集和記錄，設(shè)置采樣率是10 MS/s；測量地網(wǎng)地電位的零點為參考點，采用10 kV電壓等級絕緣電纜埋地外引接地的形式設(shè)置，零電位參考點和地網(wǎng)的距離為63 m，并以采樣率10 MS/s的高壓隔離采集系統(tǒng)采集記錄。

圖1 試驗現(xiàn)場布置

2 數(shù)據(jù)分析

2019年夏季，在廣州市從化區(qū)利用引雷火箭拖拽金屬絲的方式開展人工觸發(fā)閃電試驗，在3個雷暴過程中，共記錄7次觸發(fā)閃電的雷電流及其對應(yīng)的地電位抬升電壓數(shù)據(jù)，7次觸發(fā)閃電均為中和云中負(fù)極性電荷的負(fù)極性閃電，共包含39個回?fù)艉?0個M分量。

2.1 雷電電流波形特征

圖2為2019年6月11日(下文記做T0611)一次經(jīng)典人工觸發(fā)閃電的雷電流測量結(jié)果。由圖2可以清楚地看到觸發(fā)閃電的初始連續(xù)電流、8次繼后回?fù)?記做RS1～RS8)和2次M分量(記做M1,M2)等物理過程。

對2019年獲取的7次觸發(fā)閃電過程共計39次繼后回?fù)艉?0個M分量的雷電流波形參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，分析參量包括回?fù)艉蚆分量的雷電流峰值(Ipeak)、半峰寬度(tHPW)、10%～90%上升時間(t)、上升時間10%～90%之間的平均陡度(G1)，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

由表1可見，繼后回?fù)暨^程雷電流峰值變化范圍為-5.61～-36.44 kA,幾何平均值為-12.78 kA；半峰寬度最小值為2.56 μs，最大值為29.27 μs，幾何平均值為7.48 μs；10%～90%上升時間變化范圍為0.14～0.56 μs，幾何平均值為0.27 μs；上升時間10%～90%之間的平均陡度最小值為16.40 kA· μs-1，最大值為104.20 kA·μs-1，幾何平均值為38.46 kA·μs-1。

圖2 觸發(fā)閃電T0611雷電流波形 (a)T0611雷電流整體波形，(b)初始長連續(xù)電流過程波形，(c)M分量M1波形，(d)繼后回?fù)鬜S3

本試驗觀測的雷電流回?fù)舴逯蹬c中國氣象局雷電野外試驗基地野外綜合觀測試驗[11-12]統(tǒng)計中回?fù)舴逯惦娏鲙缀纹骄?約16 kA)相比偏小，也比山東觸發(fā)閃電[13]的回?fù)舴逯祹缀纹骄?約14.6 kA)略小，與美國佛羅里達(dá)觸發(fā)閃電[14]的12.4 kA相當(dāng)。

M分量[15]是疊加在回?fù)艉蟀l(fā)生的連續(xù)電流之上的電流快速變化脈沖，其統(tǒng)計特征見表1。M分量幅值變化范圍為-1.77～-0.37 kA, 幾何平均值為-0.60 kA；10%～90%上升時間最小值為67.70 μs，最大值為1946.29 μs，幾何平均值為330.09 μs；半峰寬度變化范圍為106.00～1141.78 μs，幾何平均值為343.11 μs。本試驗統(tǒng)計M分量幅值幾何平均值比廣東雷電綜合觀測試驗M分量幅值(195 A)、山東觸發(fā)閃電M分量觀測結(jié)果(276 A)[16]和美國佛羅里達(dá)觸發(fā)閃電觀測結(jié)果(117 A)[17]偏大；本試驗中M分量10%～90%上升時間(330.09 μs)和半峰寬度(343.11 μs)在4個對比觀測試驗統(tǒng)計中居中，其他3個試驗統(tǒng)計結(jié)果分別為廣東2006—2011年統(tǒng)計結(jié)果(379 μs 和638 μs)、山東觸發(fā)閃電統(tǒng)計結(jié)果(251 μs 和242 μs)[18]和美國佛羅里達(dá)觸發(fā)閃電統(tǒng)計結(jié)果(422 μs 和816 μs)[19]。

表1 觸發(fā)閃電雷電流波形特征參數(shù)統(tǒng)計

2.2 地電位抬升電壓波形特征

人工觸發(fā)閃電在引流桿上接閃后，雷電流經(jīng)地網(wǎng)泄放入大地，地網(wǎng)因雷電流的泄放電位會瞬間大幅升高，將39次回?fù)艉?0個M分量在地網(wǎng)上引起的地電位抬升電壓波形特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，分析參量包括地電位抬升電壓峰值(Vpeak)、半峰寬度(THPW)、10%～90%上升時間(T)、上升時間10%～90%之間的平均陡度(G2)，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 雷電流引起的地電位抬升電壓參數(shù)表

由表2統(tǒng)計結(jié)果可見，繼后回?fù)粢鸬牡仉娢惶妷悍逯底兓秶鸀?321.05～-52.49 kV，幾何平均值為-138.97 kV；半峰寬度最小值為0.44 μs，最大值為11.34 μs，幾何平均值為1.93 μs；10%～90%上升時間變化范圍為0.22～0.73 μs，幾何平均值為0.29 μs；上升時間10%～90%之間的平均陡度最小值為125.17 kV· μs-1，最大值為883.58 kV·μs-1，幾何平均值為379.22 kV·μs-1。

M分量引起的地電位抬升電壓波形峰值變化范圍為-18.46～-4.28 kV，幾何平均值為-7.18 kV；半峰寬度最小值為72.44 μs，最大值為2031.49 μs，幾何平均值為239.53 μs；10%～90%上升時間變化范圍為80.96～2006.64 μs，幾何平均值為403.99 μs。

圖3是觸發(fā)閃電T0611的繼后回?fù)衾纂娏骱蛯?yīng)的地電位抬升電壓波形對比圖，由于數(shù)據(jù)分別由兩套系統(tǒng)采集，沒有GPS時間，所以利用峰值對齊作圖方式將兩者進(jìn)行對比。由圖3可以看到，回?fù)綦娏鞑ㄐ闻c對應(yīng)的地電位抬升電壓波形具有明顯差異，地電位抬升電壓波形在上升沿過程變化非常迅速，在達(dá)到峰值電壓后緊接著又快速下降，這個過程達(dá)到亞微秒量級，之后電壓反向形成一個次峰，然后較緩慢恢復(fù)零值，具有類似波形特征的地電位抬升電壓波形在Liu等[20]和顏旭等[9]的研究中也發(fā)現(xiàn)過。對39次繼后回?fù)舻拇畏宸逯到y(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，次峰變化范圍為-206.58～-52.31 kV，幾何平均值為-90.09 kV，與對應(yīng)地電位抬升電壓峰值的比例分別為58.28%～83.22%，幾何平均值為64.86%。在地電位電壓到達(dá)峰值反向形成次峰的過程中，當(dāng)電壓回落幅度較大時(超過幅值一半)，會出現(xiàn)波形半峰寬度相對較小的情況。由表2可知，繼后回?fù)粢鸬牡仉娢惶敕鍖挾茸钚≈挥?.44 μs，幾何平均值為1.93 μs，只有與其對應(yīng)的回?fù)衾纂娏靼敕鍖挾鹊?5.8%。

圖3 觸發(fā)閃電T0611的8次回?fù)綦娏骱蛯?yīng)的地網(wǎng)地電位抬升電壓波形

續(xù)圖3

由表2可見，M分量引起的地電位抬升電壓波形半峰寬度相對較大[21-23]，最大達(dá)到2 ms以上，幾何平均值約為繼后回?fù)魧?yīng)地電位抬升電壓波形半峰寬度幾何平均值的124倍，且其引起的地電位抬升電壓最小也在4.28 kV。在低壓配電線路中，SPD的動作電壓范圍一般為0.5～1.0 kV，M分量引起的地電位抬升電壓足以使SPD動作，且由于M分量半峰寬度很長，將會使SPD長時間處于動作狀態(tài)，極易引起SPD熱崩潰損壞。所以，大電流M分量也是地電位反擊造成SPD損壞的重要原因。

2.3 地電位抬升電壓相關(guān)分析

雷電流引起的地網(wǎng)上地電位抬升電壓是雷電流在土壤中的泄放和感應(yīng)耦合共同作用的結(jié)果，將39次雷電流繼后回?fù)舻姆逯岛?0%～90%上升陡度對應(yīng)地電位抬升電壓峰值做相關(guān)性分析，線性擬合曲線如圖4a和圖4b所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，繼后回?fù)舻牡仉娢惶妷悍逯蹬c雷電流峰值相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.94，而與10%～90%上升時間平均陡度相關(guān)系數(shù)只有0.55，前者遠(yuǎn)大于后者，這說明在統(tǒng)計的39個繼后回?fù)魝€例中，地電位抬升電壓主要是由雷電流在土壤中的泄放引起，感應(yīng)耦合的作用相對較弱。將10次雷電流M分量的峰值與對應(yīng)地電位抬升電壓做相關(guān)性分析，線性擬合曲線如圖4c所示，兩者線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，由此判斷雷電流M分量引起的地電位抬升電壓均由雷電流在土壤中的泄放引起，感應(yīng)耦合的作用僅很小一部分。

以上分析說明地網(wǎng)地電位抬升電壓除了受導(dǎo)體電感(電流的變化率)影響外，主要受注入地網(wǎng)閃電電流本身的影響[24]，GPR波形變化最終由注入地網(wǎng)電流特征和地網(wǎng)的沖擊特性共同決定。

圖4 地電位抬升電壓與對應(yīng)的雷電流回?fù)舴逯?a)、陡度(b)和M分量(c)的線性擬合

2.4 暫態(tài)效應(yīng)

雷電流在接地體及周圍土壤中的散流是復(fù)雜的電磁暫態(tài)過程，伴有土壤電離、電感效應(yīng)等特征現(xiàn)象[25-26]，而當(dāng)雷電流通過接地體流向大地時，接地體電壓峰值與接地體電流峰值之比稱為沖擊接地電阻，通常兩者峰值不會同時發(fā)生。沖擊接地電阻值可以用于表征接地體在瞬間雷電流沖擊下暫態(tài)效應(yīng)的結(jié)果。在雷電流的瞬間沖擊下，地網(wǎng)會與周圍土壤放電，發(fā)生使地網(wǎng)周圍土壤電阻率變小的土壤電離現(xiàn)象，地網(wǎng)散流更加容易，可等效看作接地體半徑擴大，從而引起沖擊接地電阻減??；同時也會因電感作用，在地網(wǎng)上阻礙雷電流向遠(yuǎn)端流動，從而引起沖擊接地電阻變大，且注入雷電流頻率越高則電感效應(yīng)的阻礙作用越明顯，計算得到的沖擊接地電阻值是在這些暫態(tài)現(xiàn)象共同作用下的結(jié)果。

對39次繼后回?fù)暨^程和10次M分量過程的沖擊接地電阻進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，繼后回?fù)綦A段的沖擊接地電阻最小值為8.81 Ω，最大值為12.48 Ω，幾何平均值為10.87 Ω；M分量階段的沖擊接地電阻最小值為10.42 Ω，最大值為13.46 Ω,幾何平均值為12.02 Ω。兩個過程的沖擊接地電阻均明顯小于測到的工頻接地電阻15.8 Ω。因此，在瞬態(tài)雷電流的沖擊下，地網(wǎng)上的電感效應(yīng)使接地體電阻變大，而雷電流泄放使接地體對周圍土壤放電，土壤電離會使土壤電阻率變小，兩種暫態(tài)效應(yīng)共同作用下，土壤電離作用明顯強于地網(wǎng)的電感作用，出現(xiàn)了沖擊接地電阻小于工頻接地電阻的情況。

對比分析M分量和繼后回?fù)粢鸬臎_擊接地電阻，M分量引起的沖擊接地電阻明顯大于繼后回?fù)粢鸬?，前者約是后者的1.1倍。因此，繼后回?fù)綦A段雷電流強度(幾何平均值為12.78 kA)遠(yuǎn)大于M分量(幾何平均值為0.6 kA)，其在通過接地體流入大地時，對接地體周圍土壤的放電更強，土壤電離效果更好，接地網(wǎng)表現(xiàn)出的暫態(tài)效應(yīng)為繼后回?fù)綦A段的沖擊接地電阻比M分量時更小。

3 結(jié) 論

通過對7次觸發(fā)閃電過程的39次回?fù)艉?0次M分量及其對應(yīng)的地電位抬升電壓數(shù)據(jù)分析，主要結(jié)論如下：

1) 觸發(fā)閃電繼后回?fù)綦A段雷電流峰值幾何平均值為-12.78 kA，其對應(yīng)的地電位抬升電壓峰值幾何平均值為-138.97 kV；M分量雷電流峰值幾何平均值為-0.60 kA，其對應(yīng)的地電位抬升電壓峰值幾何平均值為-7.18 kV。

2) 繼后回?fù)粢鸬牡仉娢惶妷翰ㄐ尉哂忻黠@的次峰，其波形上升沿變化迅速，達(dá)到峰值電壓后即出現(xiàn)亞微秒量級的快速下降過程，反向形成一個次峰，然后是較為緩慢的恢復(fù)零值過程，地電位抬升電壓次峰峰值平均約為最大峰值的64.86%。

3) 繼后回?fù)粢鸬牡仉娢惶妷喊敕鍖挾茸钚≈挥?.44 μs，幾何平均值為1.93 μs，只有與其對應(yīng)的回?fù)衾纂娏靼敕鍖挾鹊?5.8%。M分量的半峰寬度最大可達(dá)2 ms，約為繼后回?fù)舭敕鍖挾葞缀纹骄档?24倍，它可以使SPD長時間處于動作狀態(tài)，極易引起SPD熱崩潰損壞。

4) 繼后回?fù)粢鸬牡鼐W(wǎng)地電位抬升電壓主要是由雷電流在土壤中的泄放引起，感應(yīng)耦合的作用相對較弱；M分量引起的地電位抬升電壓基本是由雷電流在土壤中的泄放引起，感應(yīng)耦合的作用只占很小部分。

5) 在雷電流的瞬間沖擊下，繼后回?fù)綦A段地網(wǎng)沖擊接地電阻幾何平均值為10.87 Ω，而M分量階段的沖擊接地電阻幾何平均值為12.02 Ω，后者是前者的1.1倍，兩者均明顯小于工頻接地電阻。