周蜜, 左芯睿, 王冬冬, 趙偉翰, 蔡力, 王建國

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430072; 2.雷電防護(hù)與接地技術(shù)教育部工程研究中心,湖北 武漢 430072; 3.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北 武漢 430060)

0 引 言

雷電是雷暴天氣中發(fā)生的一種瞬時(shí)放電現(xiàn)象。一次完整的雷電放電過程往往包含十分豐富的雷電流分量信息,如Rakov等[1]報(bào)道了一次負(fù)地閃放電中電荷向地面轉(zhuǎn)移的3種模式:先導(dǎo)/回?fù)裟Ｊ健⑦B續(xù)電流模式和M分量模式。其中,回?fù)暨^程會(huì)導(dǎo)致大峰值電流、高峰值功率、強(qiáng)電磁輻射以及沖擊波等,這些物理效應(yīng)能對(duì)地面設(shè)施產(chǎn)生可觀的破壞作用[2-6]。另外,雷擊放電全過程中的轉(zhuǎn)移電荷量作為評(píng)估閃電放電能量或強(qiáng)度的核心參數(shù),是自然雷電引起森林火災(zāi)和各類金屬接閃器、飛機(jī)機(jī)翼以及金屬屋頂?shù)炔考l(fā)熱、燒蝕和穿孔等災(zāi)害的重要原因[6-10]。

雷電電流及其電荷量的測量對(duì)雷電防護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而,雷電的發(fā)生在時(shí)空上隨機(jī)程度很高,目前主要采用人工觸發(fā)閃電[10-13],或在高建構(gòu)物[14-15]上進(jìn)行定點(diǎn)測量,這種通過直接測量方式收集到的可用數(shù)據(jù)有限,且效率較低。雷云對(duì)地放電形成的主通道不被云層遮擋,其輻射光的強(qiáng)度與放電通道中的電流大小密切相關(guān),光學(xué)觀測方法是諸多雷電相關(guān)研究中最重要的手段之一[16-17]。

Mitchard等[18-19]在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過半球形間隙自擊穿產(chǎn)生了閃電電弧光譜,報(bào)道了大電流和高電壓條件下產(chǎn)生的雷電弧光譜與自然閃電光譜的相似性,為聯(lián)系實(shí)驗(yàn)室電弧放電與自然界雷電電弧放電提供了潛在的參考依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室開展電弧放電實(shí)驗(yàn),模擬在波形特征上類似于雷電流的沖擊電流,可以有效把控試驗(yàn)各階段的工況,相對(duì)容易地制造可重復(fù)的放電。綜合自然觀測與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果,有助于揭示閃電通道的電流空間分布和時(shí)間演化特征,提升對(duì)于雷電發(fā)展過程的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

目前針對(duì)實(shí)驗(yàn)室放電觀測的各類影響因素已有一些研究[20-21],然而所觀測的電流脈沖仍集中于單一分量。如,利用實(shí)驗(yàn)室放電產(chǎn)生具有較短波前時(shí)間和較長衰減時(shí)間的電流波形以模擬自然雷電回?fù)暨^程,發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)僅在后續(xù)緩慢衰減階段與密切跟隨電流波形變化[22-23]。通過石墨間隙放電,產(chǎn)生具有緩慢上升前沿的衰減振蕩電流波形對(duì)自然雷電M分量電流進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)峰值與電流峰值間顯著的線性關(guān)系[24-25]。有必要針對(duì)雷電全過程放電波形,綜合各類分量的波形特性,研究組合電流脈沖與放電通道光強(qiáng)度的關(guān)系。

本文通過在高壓實(shí)驗(yàn)室搭建模擬閃電通道的人工傳輸線模型電路,研究類似自然雷電回?fù)綦娏?、M分量、連續(xù)電流等不同階段波形疊加的參數(shù)調(diào)控方法。在此基礎(chǔ)上,利用構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室電弧放電電流與通道光輻射強(qiáng)度同步觀測系統(tǒng),使用兩種光譜響應(yīng)不同的光電探測器,開展電弧放電電流與通道光輻射強(qiáng)度的同步觀測,分析不同波形下長間隙放電通道光輻射波形變化特征。最后,對(duì)通道電流與光輻射強(qiáng)度波形特征參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行探究,討論不同光譜帶寬的光電探測器觀測結(jié)果的差異。

1 試驗(yàn)布置

閃電通道可以用圖1所示的分布電路模型來描述RLC傳輸線,其電壓V與電流I的電報(bào)方程如下:

圖1 閃電通道的分布電路模型

(1)

(2)

式中:R、L、C分別為單位長度串聯(lián)電阻、串聯(lián)電感和并聯(lián)電容;z′為閃電通道方位縱坐標(biāo);t是時(shí)間。通道的傳輸線參數(shù)會(huì)隨時(shí)間和空間發(fā)生變化,即傳輸線是非線性且不均勻的。通道電感隨攜帶z方向電流的通道核半徑的變化而變化,通道電阻與通道電子密度及通道核半徑有關(guān)。

利用集總參數(shù)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò),通過構(gòu)建如圖2所示的非均勻參數(shù)分布的人工傳輸線模型電路,將多個(gè)高壓脈沖電容(C1～Cn)和電感(L1～Ln)串聯(lián),形成L-C鏈。電容器充電后,經(jīng)觸發(fā)間隙(FS)放電,產(chǎn)生電流脈沖波形,各鏈輸出電流波形都是與前級(jí)鏈路波形疊加的結(jié)果。一個(gè)完整的雷電流多分量組合脈沖波形包含具有快速上升波頭和緩慢下降波尾的回?fù)綦娏?以及后續(xù)疊加有若干個(gè)M分量的連續(xù)電流?？傮w思路是,將首鏈(L1-C1鏈)設(shè)計(jì)為過阻尼狀態(tài),產(chǎn)生類似回?fù)綦娏鞯牟ㄐ?。通過調(diào)節(jié)中間鏈的電感值,可以改變疊加脈沖的數(shù)量及脈沖的振蕩幅度,制造疊加有模擬M分量電流脈沖的連續(xù)電流波形。

圖2 集總鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)電路原理圖

搭建了如圖3所示的模擬雷電多分量電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái),輸出多分量組合電流波形,模擬雷電全過程的波形特征及發(fā)展趨勢。該平臺(tái)主要由模擬多分量電流發(fā)生器及放電通道同步觀測系統(tǒng)組成。使用電感-電容器組經(jīng)連接構(gòu)成L-C鏈,鏈數(shù)為10鏈。鏈數(shù)越多,形成的電流上升速度越快,同時(shí)電流持續(xù)的時(shí)間越長,本文實(shí)驗(yàn)中調(diào)試發(fā)現(xiàn)鏈數(shù)為10是較為合適的。將每鏈電容器容量固定為6 μF,調(diào)整電感抽頭可改變每鏈電感值,可調(diào)節(jié)范圍為1～3.6 mH。調(diào)波電阻值設(shè)置為14.6 Ω,作為集中參數(shù)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)電路中的負(fù)載電阻串入主回路,可以抑制電流反峰,因?yàn)樽匀唤缋纂娏髦谐龢O為罕見的特殊案例外,絕大多數(shù)電流波形是單極性的。調(diào)波電阻越大,對(duì)電流反峰的抑制效果越明顯,但電阻過大將導(dǎo)致電流輸出峰值的降低。使用額定容量為15 kVA的充電變壓器,經(jīng)整流器向電容器充電。放電時(shí),通過鎢銅半球電極觸發(fā),由一對(duì)安裝于絕緣放電架、直徑為10 mm的石墨棒電極放電,電極間空氣間隙長度為5 mm。

圖3 模擬雷電多分量電流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

石墨棒放電間隙的通道光輻射強(qiáng)度由通道光輻射強(qiáng)度觀測系統(tǒng)進(jìn)行測量,該系統(tǒng)由Thorlabs雪崩光電探測器、延長套管、中性密度濾光片、可調(diào)水平機(jī)械狹縫及相應(yīng)連接組件構(gòu)成。因雷電流通道發(fā)光光譜范圍主要集中在紅光敏感帶和近紅外敏感帶,采用了兩種不同型號(hào)的光電探測器,其中紅光敏感型光電探測器型號(hào)為APD120A2,其帶寬范圍由DC至50 MHz,響應(yīng)峰值為600 nm,可測量200～1 000 nm光譜范圍的光信號(hào);近紅外敏感型光電探測器型號(hào)為APD120A,其帶寬范圍由DC至50 MHz,響應(yīng)峰值為800 nm,可測量400～1 000 nm光譜范圍的光信號(hào)。使用光學(xué)隔振平臺(tái)支撐光電探測器,調(diào)整光電探測器的機(jī)械狹縫中心對(duì)準(zhǔn)石墨放電間隙中心,對(duì)光信號(hào)同步觀測并分析對(duì)比兩種型號(hào)光電探測器的輸出數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 數(shù)據(jù)概況

通過調(diào)節(jié)每鏈電感值,產(chǎn)生了不同充電電壓下的多分量組合全過程電流波形,并同步觀測其光輻射強(qiáng)度脈沖波形,對(duì)波形及波形參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)輸出的波形數(shù)據(jù)包含3個(gè)模擬回?fù)裘}沖和15個(gè)模擬M分量脈沖。圖4是充電電壓設(shè)定為20 kV輸出模擬雷電流多分量組合波形,及利用兩種光電探測器同步測量的電弧通道光強(qiáng)度波形。

圖4 模擬雷電流多分量組合波形及同步通道光強(qiáng)度波形

對(duì)比Zhou等[26]記錄的火箭觸發(fā)閃電所有放電過程的通道底部電流波形(如圖5所示),試驗(yàn)中輸出的組合電流幅值難以與真實(shí)雷電流分量幅值水平相匹配,但在波形形狀及發(fā)展趨勢上已能夠充分模擬。

圖5 觸發(fā)閃電通道底部電流波形(摘自Zhou等[26])

下文將紅光敏感型光電探測器輸出的光強(qiáng)波形命名為光強(qiáng)度A,近紅外敏感型光電探測器觀測到的波形命名為光強(qiáng)度B。

在模擬回?fù)裘}沖階段,紅光敏感型光電探測器觀測到的光強(qiáng)波形A能更好地跟隨電流變化,而近紅外敏感型光電探測器觀測的波形B在下降沿產(chǎn)生了一定的畸變。對(duì)于此類畸變的產(chǎn)生,已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。Quick和Krider[27]在處理火箭觸發(fā)閃電的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn),某些光輻射強(qiáng)度波形在初始上升階段后衰減比電流的更為迅速,而在后續(xù)衰減階段,光輻射強(qiáng)度波形出現(xiàn)“平臺(tái)”或“第二峰值”,電流則不存在類似的“平臺(tái)”或“第二峰值”,他們推測,這可能是由于初始高溫發(fā)展階段后,電弧通道后續(xù)冷卻,導(dǎo)致光譜朝波長更長的方向轉(zhuǎn)移。Carvalho等[28]總結(jié)了15次觸發(fā)閃電回?fù)暨^程的觀測結(jié)果,發(fā)現(xiàn)光輻射波形在首次峰值之后,緊接著出現(xiàn)第二次峰值,同樣將這一現(xiàn)象歸因于回?fù)綦娏鞯竭_(dá)峰值后通道冷卻過程中相關(guān)譜線強(qiáng)度得到增強(qiáng)。此外,根據(jù)文獻(xiàn)[20]在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生模擬回?fù)艏斑B續(xù)電流電弧對(duì)此類畸變成因的研究,這一現(xiàn)象可以歸因于重復(fù)放電過程中所導(dǎo)致的電極表面不同程度的燒蝕以及電極形狀的差異引起的電弧形態(tài)的扭曲。

在其后的模擬連續(xù)電流階段及疊加M分量階段,兩光電探測器總體與電流波形的變化趨勢基本保持一致,但總體上圖4(c)中近紅外敏感型光電探測器輸出的結(jié)果相對(duì)圖4(b)紅光敏感型光電探測器與電流波形吻合得更好。

在圖4中對(duì)電流及兩種光電探測器測量的光強(qiáng)度波形脈沖進(jìn)行了標(biāo)記,將初始回?fù)裘}沖標(biāo)記為R1,后續(xù)疊加在連續(xù)電流過程中的M分量脈沖逐個(gè)標(biāo)記為M1、M2、M3及M4,將連續(xù)電流階段基本結(jié)束后產(chǎn)生的M分量脈沖標(biāo)記為M5。針對(duì)上述脈沖波形,對(duì)其特征參數(shù)(峰值、脈沖峰值、10%～90%上升時(shí)間及轉(zhuǎn)移電荷量)進(jìn)行測算,研究模擬雷電流多分量組合波形脈沖及同步通道光強(qiáng)度波形脈沖間的關(guān)系。

2.2 幅值關(guān)聯(lián)

關(guān)于通道光強(qiáng)度幅值與雷電流幅值間的關(guān)系,國內(nèi)外研究者通過對(duì)自然閃電和人工觸發(fā)閃電進(jìn)行觀測,如Diendorfer等[29]在對(duì)奧地利Gaisberg塔上行閃電初始階段電流的觀測和研究中發(fā)現(xiàn)電流幅值與相應(yīng)的光強(qiáng)度幅值呈線性相關(guān)。Gomes和Cooray[30]測量了250 mm和500 mm長火花間隙的輸出光信號(hào)和通道電流,發(fā)現(xiàn)在上升部分光學(xué)信號(hào)緊跟電流波形,且光強(qiáng)度上升時(shí)間與電流上升時(shí)間、光強(qiáng)度幅值與電流幅值均呈線性關(guān)系。利用國際空間站上599～900 nm波長的光度計(jì),Kikuchi等[31]提取了11個(gè)閃電事件的可見光閃電數(shù)據(jù),分析表明負(fù)極性回?fù)艚^對(duì)光強(qiáng)度與峰值電流呈明顯的正比關(guān)系。

借鑒上述研究進(jìn)展,以及結(jié)合我們?cè)囼?yàn)得到的數(shù)據(jù)趨勢,針對(duì)產(chǎn)生的所有模擬回?fù)綦娏骷澳MM分量電流及其對(duì)應(yīng)光強(qiáng)度的峰值與峰值脈沖進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,分別繪制強(qiáng)制過零點(diǎn)線性擬合回歸線于圖6(a)和(b)。圖6(a)中可以看出兩種光電探測器觀測到的光輻射強(qiáng)度峰值與電流峰值具有一定線性相關(guān)性,對(duì)于圖6(b)所示的電流與光強(qiáng)峰值脈沖,同樣呈現(xiàn)較為強(qiáng)烈的線性相關(guān)性。其中,光強(qiáng)度B的峰值與電流峰值以及光強(qiáng)脈沖峰值與電流脈沖峰值的相關(guān)系數(shù)分別為0.979和0.994,而光強(qiáng)度A得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的結(jié)果相關(guān)性較弱,分別為0.842和0.982,進(jìn)一步展現(xiàn)了兩類光電探測器觀測結(jié)果的差異。

圖6 模擬雷電流多分量組合波形及同步通道光強(qiáng)度波形峰值關(guān)系

Wang等[32]發(fā)現(xiàn)在雷電流發(fā)展的不同階段,由于波形特征與放電通道環(huán)境的差異,光強(qiáng)與電流之間的關(guān)系也存在差異,在圖6中同樣可以觀察到,相對(duì)于模擬M分量電流峰值和峰值脈沖,模擬回?fù)綦娏鞯姆逯导胺逯得}沖存在不規(guī)律偏移的現(xiàn)象,表明回?fù)綦娏骱蚆分量電流與各自對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)度應(yīng)遵循不一樣的規(guī)律。除去回?fù)魯?shù)據(jù),僅對(duì)模擬M分量電流與光強(qiáng)峰值及峰值脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合分析,同樣強(qiáng)制回歸線過零點(diǎn),如圖7(a)及圖7(b)所示。與圖6(a)相比,圖7(a)中光強(qiáng)度峰值與電流峰值的線性相關(guān)性更強(qiáng),相關(guān)系數(shù)增大到更接近于1。但是,擬合回歸線斜率發(fā)生了明顯減小:光強(qiáng)度A從0.294變?yōu)?.175,減少了40%;光強(qiáng)度B則從0.342變?yōu)?.318,減少了7%。上述變化表明,即使針對(duì)同一電流水平,對(duì)于上升迅速、變化率更高的回?fù)綦娏?其通道輻射的光強(qiáng)度要比變化更慢的M分量的高,其中光強(qiáng)度A的這一效應(yīng)比光強(qiáng)度B的更加顯著。

圖7 模擬雷電流M分量波形及同步通道光強(qiáng)度波形峰值關(guān)系

計(jì)算M分量脈沖峰值時(shí),電流需要減去背景連續(xù)電流水平,光強(qiáng)度也需要對(duì)應(yīng)減去背景光強(qiáng)水平。此時(shí),光強(qiáng)度A的擬合線斜率從圖7(a)中的0.175增大為圖7(b)中的0.204,增幅為16%,同時(shí)線性相關(guān)性變差;光強(qiáng)度B從圖7(a)中的0.318增大為圖7(b)中的0.370,增幅為17%,也發(fā)生線性相關(guān)性變差的現(xiàn)象。上述結(jié)果表明,同樣針對(duì)同一電流水平,對(duì)于存在一定變化率的M分量電流,其通道輻射的光強(qiáng)度要比變化更慢甚至不變化連續(xù)電流的高,但是光強(qiáng)度A和光強(qiáng)度B的這一效應(yīng)相當(dāng)。

上述結(jié)果進(jìn)一步說明,對(duì)于不同分量的波形,其輻射產(chǎn)生的光強(qiáng)度與電流幅值的相關(guān)關(guān)系存在差異,這種差異與光強(qiáng)度探測儀器的光譜范圍有關(guān)。比較線性擬合相關(guān)系數(shù)數(shù)值大小,綜合考慮不同電流分量的線性斜率變化,可以推斷近紅外敏感型光電探測器觀測到的光強(qiáng)峰值(光強(qiáng)度B)與電流峰值的擬合結(jié)果更好。

2.3 波形時(shí)間關(guān)聯(lián)

Gomes和Cooray[30]通過在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生長間隙閃電,并同步觀測電流與光強(qiáng)波形,發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)波形在上升階段能較好地跟隨電流波形,認(rèn)為可以通過光學(xué)手段推算電流上升時(shí)間。通過繪制圖8所示的電流10%～90%上升時(shí)間與對(duì)應(yīng)光強(qiáng)度10%～90%上升時(shí)間線性擬合關(guān)系圖,線性擬合回歸線被強(qiáng)制過零點(diǎn),兩種光強(qiáng)探測器輸出的擬合波形都呈現(xiàn)出很強(qiáng)的線性相關(guān)性,光強(qiáng)度上升時(shí)間均隨著電流上升時(shí)間增加呈正比例增長。光強(qiáng)度A和光強(qiáng)度B波形上升時(shí)間關(guān)系的線性擬合表達(dá)式分別為y=0.926x和y=0.938x,表明光強(qiáng)度上升時(shí)間總體上比對(duì)應(yīng)電流上升時(shí)間約短7%。由于模擬回?fù)裘}沖波前時(shí)間較模擬M分量脈沖波前時(shí)間小2～3個(gè)數(shù)量級(jí),近紅外敏感型光電探測器輸出波形中的畸變對(duì)擬合結(jié)果的影響可以忽略不計(jì),所得兩回歸線的數(shù)據(jù)差異較小,回歸線斜率幾乎一致,均略小于1,表明光強(qiáng)波形上升時(shí)間較電流上升時(shí)間略短。

圖8 模擬雷電流多分量組合波形10%～90%上升時(shí)間與同步通道光強(qiáng)度10%～90%上升時(shí)間關(guān)系

2.4 轉(zhuǎn)移電荷量關(guān)聯(lián)

圖9為模擬雷電流多分量電荷轉(zhuǎn)移量與通道光強(qiáng)度-時(shí)間積分的線性擬合關(guān)系圖,其中轉(zhuǎn)移的電荷量在0.51～2.93 C之間。由于回?fù)裘}沖持續(xù)時(shí)間較短,此處同樣忽略近紅外敏感型光電探測器觀測到的回?fù)舨ㄐ位兊挠绊?。根?jù)擬合結(jié)果可知,兩種光電探測器對(duì)應(yīng)光輻射強(qiáng)度-時(shí)間積分的相關(guān)系數(shù)較高,說明其對(duì)應(yīng)光輻射強(qiáng)度-時(shí)間積分與模擬連續(xù)電流轉(zhuǎn)移電荷量具有較強(qiáng)的線性關(guān)系。其中光強(qiáng)度B積分得到的擬合結(jié)果更好。試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[33]報(bào)導(dǎo)的觸發(fā)閃電回?fù)粼? ms內(nèi)傳輸?shù)降孛娴碾娏鬓D(zhuǎn)移電荷量與相對(duì)光強(qiáng)度對(duì)時(shí)間積分之間存在較強(qiáng)的線性相關(guān)性的結(jié)論較為一致,為通過光學(xué)觀測反演雷電流轉(zhuǎn)移電荷量提供了依據(jù)。值得注意的是,文獻(xiàn)[33]中的電弧是自然界回?fù)綦娏麟娀?而本文是在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生的模擬雷電流多分量組合波形。

圖9 模擬雷電流多分量組合波形轉(zhuǎn)移電荷量與同步通道光強(qiáng)度-時(shí)間積分關(guān)系

3 結(jié) 論

通過搭建集中參數(shù)鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)電路,產(chǎn)生與波形特征與自然界雷電流全過程非常相似的模擬雷電流多分量組合脈沖,提供了產(chǎn)生模擬雷電流多分量波形的新思路。采用電流傳感器和兩種不同的光電探測器,同步測量了3組電流,共3個(gè)模擬回?fù)裘}沖和15個(gè)模擬M分量脈沖與對(duì)應(yīng)通道光強(qiáng)度,開展了多分量組合脈沖電流與通道光強(qiáng)度特征參數(shù)關(guān)系研究,所得結(jié)論如下:

1)電流和兩種光電探測器輸出的光強(qiáng)度的峰值以及脈沖峰值間均存在較為明顯的線性關(guān)系;

2)光強(qiáng)度10%～90%上升時(shí)間與電流10%～90%上升時(shí)間之間也大致線性相關(guān);

3)電流轉(zhuǎn)移電荷量與光強(qiáng)度-時(shí)間積分間呈現(xiàn)較為明顯的線性相關(guān)性;

4)近紅外敏感型光電探測器觀測到的光強(qiáng)波形能更好地跟隨實(shí)測電流波形的變化,有望更準(zhǔn)確地對(duì)放電轉(zhuǎn)移電荷量進(jìn)行反演。