蔡 力 杜懿陽 胡 強 彭向陽 陳紹東

火箭引雷至架空線路與地面電流對比分析

蔡 力1杜懿陽1胡 強1彭向陽2陳紹東3

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院 武漢 430072 2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 廣州 5100003. 中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所 廣州 510080）

2018—2019年夏季在廣州從化開展了火箭引雷試驗，雷擊對象分為兩種，分別是架空線路和地面。對比了兩種引雷情況下各階段雷電流的電流波形參數(shù)的差異，發(fā)現(xiàn)引雷至地面情況下初始階段的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷、作用積分分別是引雷至架空線路情況下的2.8、2.4、2.0、5.3倍。引雷至地面情況下回?fù)舻纳仙龝r間幾何均值為0.25 μs，小于引雷至線路情況下的0.60 μs，而對于電流峰值等其他回?fù)舨ㄐ螀?shù)而言，差異不明顯。M分量與初始連續(xù)電流脈沖類似，引雷至線路情況下的電流峰值、轉(zhuǎn)移電荷、連續(xù)電流水平均小于引雷至地面情況下的?；谥Z頓電流源等效電路模型分析兩種引雷情況下雷電流不同階段存在差異的原因，可能是雷電在不同電流階段時其通道等效阻抗不一樣所導(dǎo)致的。

火箭引雷 架空線路 雷電流 回?fù)?/p>

0 引言

雷電災(zāi)害是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，獲取真實的雷電參數(shù)對電力系統(tǒng)雷電防護(hù)具有重要意義[1-4]?；鸺准夹g(shù)可以在特定的時間和地點進(jìn)行引雷，并且能夠把雷電引向指定的被擊對象，很好地解決了自然閃電隨機性強、難觀測的問題[5]。相關(guān)學(xué)者研究了火箭引雷和自然閃電的相似性，證明火箭引雷回?fù)艨梢杂脕砟M自然閃電的繼后回?fù)鬧6-8]。目前積累的火箭引雷雷電觀測數(shù)據(jù)絕大部分來自直擊地面的閃電，關(guān)于雷擊架空線路的觀測資料還比較少。

雷電流是雷電研究的重要參數(shù)，對雷電防護(hù)研究非常有益。例如，它可以用來估算先導(dǎo)攜帶的電荷量。測量雷電流的主要方法有通過帶測量儀器的高塔、人工引雷、閃電定位系統(tǒng)估算和磁場反演等[9-11]。一次人工觸發(fā)閃電的電流波形主要可以分為初始階段（Initial Stage, IS）、回?fù)簦≧eturn Stroke, RS）和M分量三部分。人工觸發(fā)閃電的初始階段是自然下行地閃所不具備的，但研究人工觸發(fā)閃電的初始階段可以幫助理解從高大結(jié)構(gòu)（如高塔、輸電線路、山區(qū)架空線路）上始發(fā)的自然上行閃電。M. Miki等[12]比較了人工觸發(fā)閃電初始階段電流參數(shù)和高塔始發(fā)的自然上行閃電的相應(yīng)參數(shù)，認(rèn)為兩者基本相似。Qie Xiushu等[13]于2014年報告了在中國山東測量的6次火箭引雷的初始階段電流參數(shù)，而Zheng Dong等[14]于2017年報告了在中國廣東測量的45次火箭引雷的初始階段電流參數(shù)。初始階段會疊加一些明顯的脈沖，這些脈沖被稱為初始連續(xù)電流脈沖（Initial Continuing Current Pulse, ICCP）。

回?fù)羰情W電電流波形中最受關(guān)注的部分，V. A. Rakov等[15]于1998年報道了不同接地電阻情況下的回?fù)綦娏鞣逯?。J. Schoene等[16]于2009年報道了1999—2004年在佛羅里達(dá)州Camp Blanding獲得的回?fù)綦娏鲾?shù)據(jù)。Zheng Dong等[14]于2017年報道了2008—2016年在廣州從化測得的50個觸發(fā)閃電的回?fù)綦娏鞑ㄐ螀?shù)。

M分量是發(fā)生在回?fù)糁蟑B加在連續(xù)電流之上的脈沖，首次由D. J. Malan進(jìn)行研究并命名[17]。Zhang Yijun等[18]總結(jié)了2006—2016年在廣州從化獲取的M分量電流波形參數(shù)。Ma Zilong等[19]基于2005—2017年在山東濱州進(jìn)行的火箭引雷試驗，分析了109個M分量的電流波形參數(shù)。

相關(guān)研究已經(jīng)表明被擊物體的屬性會影響雷電的參數(shù)，例如，當(dāng)閃電擊中數(shù)百米的高塔時，雷電流會在高塔的阻抗不連續(xù)處發(fā)生折反射，這會增強高塔內(nèi)部的雷電流，增強的雷電流會輻射出更強的電磁場[20-23]。閃電直接擊中地面與閃電直接擊中架空線路兩種情況下雷電流的泄流路徑非常不同，獲取真實的架空線路直擊雷的雷電參數(shù)并分析它與地面直擊雷雷電參數(shù)的異同，對電力系統(tǒng)雷電防護(hù)十分有益。本文將比較分析引雷至地面和引雷至架空線路兩種情況下火箭引雷的初始階段、回?fù)艏癕分量的電流參數(shù)特征，并分析產(chǎn)生差異的原因。

1 火箭引雷試驗裝置及數(shù)據(jù)

2018—2019年夏季，武漢大學(xué)雷電防護(hù)與接地技術(shù)教育部工程研究中心與廣東電科院、中國氣象局合作，在廣州野外雷電實驗基地開展了國內(nèi)首次引雷至架空線路的火箭引雷試驗。

火箭引雷的基本過程如下：使用大氣電場儀、氣象雷達(dá)等設(shè)備，判斷環(huán)境電場合適時，向雷暴云發(fā)射一枚小火箭，小火箭尾部連接著數(shù)百米長的金屬導(dǎo)線。由于金屬導(dǎo)線的快速上升，小火箭頭部的電場會發(fā)生強烈畸變，從而在火箭頭部誘發(fā)上行先導(dǎo)。當(dāng)上行正先導(dǎo)發(fā)展至雷暴云內(nèi)后，會誘使雷暴云沿著這條通道發(fā)生強烈的放電，類似于自然閃電的箭式先導(dǎo)-繼后回?fù)舻姆烹娺^程。

雷擊對象分為兩種，一種是架空線路，另一種是地面。圖1給出了試驗現(xiàn)場的布置圖。當(dāng)引雷至地面時，雷電流由引流桿引入安裝在地面發(fā)射架中的電流測量設(shè)備，經(jīng)測量后直接流入土壤（接地電阻為6.7 Ω）。當(dāng)引雷至架空線路時，雷電流首先由引流桿引入安裝在塔發(fā)射架頂部的電流測量設(shè)備，測量后經(jīng)一根導(dǎo)線流入10 kV架空線路，最后絕大部分的雷電流經(jīng)最近的兩基桿塔流入土壤。架空線路每級桿塔采用單根垂直接地體接地，桿塔接地電阻為25～110 Ω。架空線路總長為1 513 m，共包含22基桿塔，桿塔高度為10 m，間距為70 m。

圖1 試驗現(xiàn)場布置

電流測量設(shè)備為1 mΩ同軸分流器（Hilo公司ISM系列同軸分流器），3 dB帶寬為DC～200 MHz，可測量雷電流的范圍為-50～50 kA。電流信號由光纖傳輸采集系統(tǒng)（HBM公司ISOBE5600）傳輸至控制室內(nèi)，由日本橫河高速多通道數(shù)字示波器（DL850E）進(jìn)行采樣，采樣率為設(shè)備上限50 MHz，采樣時間為2 s。整個電流測量系統(tǒng)的帶寬為20 MHz。2018—2019年共成功觸發(fā)了60次閃電，其中34次雷擊對象為地面，26次雷擊對象為架空線路?？偦?fù)魯?shù)為225次，其中引雷至地面的回?fù)魯?shù)為105次，引雷至架空線路的回?fù)魯?shù)為120次。

一次典型的觸發(fā)閃電的電流波形如圖2所示。

圖2 一次典型觸發(fā)閃電的電流波形

火箭引雷的電流波形主要由初始階段電流（其中包含初始階段電流脈沖ICCP）、回?fù)綦A段電流和回?fù)糁蟑B加在連續(xù)電流之上的M分量組成。

2 試驗結(jié)果

2.1 初始階段電流參數(shù)

可供定量分析的初始階段電流波形樣本為30個，其中15個為擊中架空線路的情況，15個為擊中地面的情況。為了定量分析初始階段電流波形，定義了5個波形參數(shù)[14]，分別是最大電流max（kA）、平均電流ave（A）、轉(zhuǎn)移電荷（C）、作用積分I（103A2·s）、持續(xù)時間D（ms）。轉(zhuǎn)移電荷指的是電流的積分，而作用積分是指電流二次方的積分，定義式分別為

平均電流的定義為轉(zhuǎn)移電荷除以持續(xù)時間，表達(dá)式為

這30個初始階段電流波形參數(shù)的分布如圖3所示。采用箱線圖來展示數(shù)據(jù)的分布，能夠直觀地顯示數(shù)據(jù)的最大值、最小值、上四分位點、下四分位點及中位數(shù)。

如圖3a所示，引雷至地面情況下，初始階段的平均電流的算術(shù)均值和幾何均值分別為198.0 A和133.9 A，引雷至架空線路情況下則分別為64.9 A和56.2 A。引雷至地面情況下初始階段的平均電流約為引雷至架空線路情況下的2.4倍。

類似地，從圖3b～圖3d可以看出，引雷至地面情況下初始階段的最大電流、轉(zhuǎn)移電荷和作用積分同樣遠(yuǎn)大于引雷至架空線路情況下。當(dāng)引雷至地面時，幾何均值分別為1.7 kA、29.5 C和8.0×103A2·s。當(dāng)引雷至線路時，幾何均值分別為0.6 kA、15.0 C和1.5×103A2·s。

而從圖3e中可以發(fā)現(xiàn)，在兩種引雷情況下，初始階段的持續(xù)時間沒有明顯差異。引雷至地面時，初始階段持續(xù)時間的算術(shù)均值和幾何均值分別為275.7 ms和220.2 ms，引雷至架空線路時，初始階段持續(xù)時間的算術(shù)均值和幾何均值分別為300.7 ms和267.1 ms。

圖3 初始階段電流波形參數(shù)分布

需要注意的是，Zheng Dong等[14]的試驗地點與本文的試驗地點相同，試驗情況是引雷至地面，所得到的初始階段的平均電流、最大電流、轉(zhuǎn)移電荷、作用積分和持續(xù)時間的幾何均值分別為132.5 A、1.3 kA、45.1 C、10.0×103A2·s和347.9 ms，與本文中引雷至地面的結(jié)果相似，但與引雷至架空線路的結(jié)果有很大不同。這意味著架空線路的存在大大降低了初始階段的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷和作用積分，卻并不影響初始階段的持續(xù)時間。

2.2 初始連續(xù)電流脈沖電流參數(shù)

本文可供定量分析的ICCP樣本一共有52個，其中引雷至地面有31個，引雷至架空線路有21個。為了定量分析ICCP電流波形，參照Zhou Fangcong等[24]的參數(shù)定義，對6個波形參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計，分別是電流峰值P（A）、10%～90%上升時間10-90（μs）、半峰值寬度HPW（μs）、持續(xù)時間D（μs）、轉(zhuǎn)移電荷（C）和連續(xù)電流水平CC（A）。其中，連續(xù)電流水平指ICCP發(fā)生時背景電流的大小。

兩種引雷情況下ICCP波形參數(shù)的分布如圖4所示。這里采用小提琴圖來展示數(shù)據(jù)，以便于觀察數(shù)據(jù)的密度分布。圖4還給出了所有數(shù)據(jù)點的值以及數(shù)據(jù)的算術(shù)均值±1 SD（SD為標(biāo)準(zhǔn)差），為了方便對比，還將兩種引雷情況數(shù)據(jù)的算術(shù)均值用虛線進(jìn)行連接。

圖4 初始連續(xù)電流脈沖波形參數(shù)分布

引雷至地面情況下，ICCP電流峰值的算術(shù)均值和幾何均值分別為444.1 A和373.6 A，引雷至架空線路工況下則分別為424.8 A和256.8 A。兩種情況的算術(shù)均值很接近，幾何均值有明顯差別，這是因為引雷至架空線路情況下有一個樣本的值為2 583.3 A，明顯偏大。如果排除這個異常樣本，對比幾何均值，可以認(rèn)為引雷至架空線路情況下ICCP的電流峰值要小于引雷至地面情況下的，約小31%。

從圖4b～圖4d來看，兩種引雷情況下ICCP的10%～90%上升時間、半峰值寬度和持續(xù)時間的差別都較小。引雷至地面情況下，ICCP轉(zhuǎn)移電荷的算術(shù)均值和幾何均值分別為0.59 C和0.40 C，引雷至架空線路情況下分別為0.28 C和0.22 C，后者明顯小于前者。這可能與引雷至架空線路情況下ICCP的電流峰值更小以及持續(xù)時間略微偏小有關(guān)。

引雷至地面情況下，ICCP的連續(xù)電流水平的算術(shù)均值和幾何均值分別為380.2 A和315.0 A，引雷至架空線路情況下分別為126.8 A和78.8 A，后者明顯小于前者。從圖4f可以看出，引雷至地面情況下ICCP連續(xù)電流水平的值主要分布于250～500 A區(qū)間，而引雷至架空線路情況下則主要分布于0～250 A區(qū)間。造成這種差別的原因與上文分析的引雷至架空線路情況下初始階段的平均電流明顯低于引雷至地面情況下的有關(guān)，也就是說引雷至架空線路情況下ICCP發(fā)生時所處的背景電流水平更低。

2.3 回?fù)綦A段電流參數(shù)

回?fù)羰抢纂娮钍荜P(guān)注的階段，因為回?fù)舻纳仙龝r間很短，電流幅值很大，能夠輻射出強烈的電磁場，容易對被擊物體或近距離物體造成破壞性損害。本文可供定量分析的回?fù)綦娏鳂颖疽还?57個，其中擊中地面的樣本87個，擊中架空線路的樣本一共70個。為了定量分析回?fù)綦娏鞑ㄐ翁卣鳎x了7個波形參數(shù)，即電流峰值P（kA）、10%～90%上升時間10-90（μs）、半峰值寬度HPW（μs）、回?fù)糸g隔時間IN（ms）、1 ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷1ms（C）、1 ms內(nèi)作用積分I-1ms（103A2·s）?；?fù)舻? ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷和1 ms內(nèi)作用積分的定義與初始階段的轉(zhuǎn)移電荷和作用積分定義相同，只是積分間隔是在回?fù)糸_始時刻后的1 ms內(nèi)?；?fù)糸g隔時間是指兩次相鄰回?fù)舻臅r間間隔。這些參數(shù)的分布如圖5所示。

引雷至地面情況下，回?fù)綦娏鞣逯档乃阈g(shù)均值和幾何均值分別為14.6 kA和13.4 kA，而引雷至架空線路情況下則分別為18.0 kA和16.4 kA?？雌饋砑芸站€路的存在增加了測得的回?fù)綦娏鞣逯?，但V. A. Rakov[20]比較了雷電擊中不同高度物體時測得的雷電回?fù)綦娏鞣逯蛋l(fā)現(xiàn)，測量的回?fù)綦娏鞣逯挡粫艿轿矬w本身的影響。J. Schoene等[16]對全長628 m的架空線路開展了引雷實驗，也得到了類似的結(jié)論，雷擊架空線路的回?fù)綦娏鞣逯岛屠讚舻孛娴谋容^接近，幾何均值分別為12.4 kA和11.1 kA。Zheng Dong等[14]的試驗地點與本文相同，試驗工況為引雷至地面，測得的回?fù)綦娏鞣逯档乃阈g(shù)均值和幾何均值分別為17.7 kA和16.4 kA，與本文的引雷至架空線路情況下測得的回?fù)綦娏鞣逯递^一致。圖5a顯示兩種引雷情況下回?fù)綦娏鞣逯档姆植寄Ｊ绞窍嗨频?，樣本最大分布區(qū)間均為8～16 kA，均占30%以上。

圖5 回?fù)綦娏鞑ㄐ螀?shù)分布

當(dāng)引雷至架空線路時，回?fù)綦娏?0%～90%上升時間的幾何均值為0.6 μs，是引雷至地面情況（0.25 μs）的2.4倍。如圖5b所示，對于引雷至地面的情況，大多數(shù)回?fù)舻?0%～90%上升時間都分布在0.1～0.3 μs之內(nèi)，占71%。對于引雷至架空線路的情況，占比最大的范圍是0.4～0.6 μs，占68%。在J. Schoene等[16]的比較試驗中，當(dāng)引雷至地面時，回?fù)綦娏?0%～90%上升時間的幾何均值為0.4 μs，引雷至架空線路時則為1.2 μs，同樣表明架空線路的存在增加了回?fù)綦娏鞯?0%～90%上升時間。這種增加效應(yīng)很可能是由于引雷至架空線路時雷電流遇到了較大的線路特征阻抗（數(shù)百歐姆）所造成的。

引雷至地面時，半峰值寬度的算術(shù)均值和幾何均值分別為13.1 μs和9.9 μs；引雷至架空線路時，半峰值寬度的算術(shù)均值和幾何均值為12.0 μs和6.8 μs。架空線路的存在似乎降低了回?fù)綦娏鞯陌雽挄r間，但這種差異不夠明顯，特別是從算術(shù)均值來看。圖5c顯示引雷至架空線路時半峰值寬度的最大分布區(qū)間為0～3 μs，占33%，引雷至地面時半峰值寬度最大分布區(qū)間為3～6 μs，占24%。

兩種引雷情況下回?fù)糸g隔時間沒有明顯差異。當(dāng)引雷至架空線路時，回?fù)糸g隔時間的幾何均值為38.2 μs，引雷至地面時的幾何均值為41.9 μs?；?fù)糸g隔時間的最小值為2.4 ms，最大值達(dá)到499.9 ms，

本文的回?fù)? ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷的幾何均值在引雷至地面時為0.8 C，引雷至架空線路時為1.1 C，這與Qie Xiushu等[13]測得的0.86 C較為接近。在 J. Schoene等[16]的比較試驗中，當(dāng)引雷至地面時，回?fù)綦娏鞯? ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷的幾何均值為0.8 C，引雷至架空線路時則為1.1 C，與本文的測量結(jié)果接近。作用積分表征了雷電流的電阻能量，本文的回?fù)? ms內(nèi)作用積分的幾何均值在引雷至地面時為2.6×103A2·s，引雷至架空線路時為3.5×103A2·s。引雷至架空線路情況下1 ms內(nèi)轉(zhuǎn)移電荷和1 ms內(nèi)作用積分的幾何均值比引雷至地面情況下的略高，這是因為引雷至架空線路情況下回?fù)舻碾娏鞣逯德晕⒏咴斐傻模醒芯勘砻麟娏鞣逯翟酱蟮幕負(fù)艮D(zhuǎn)移的電荷也越多[14]。

2.4 M分量電流參數(shù)

回?fù)舻南陆笛赜袝r會存在持續(xù)時間約為數(shù)十毫秒的連續(xù)電流，在連續(xù)電流上會疊加一些脈沖，這些脈沖的主要特點是上升時間長（約為幾百微秒），幅值?。s為幾百安培），波形近似對稱，這種脈沖被稱為M分量。本文可供定量分析的M分量電流波形樣本為147個，其中引雷至地面的有44個，引雷至架空線路的有103個。針對M分量電流波形定義了6個波形參數(shù)，分別為電流峰值P（A）、10%～90%上升時間10-90（μs）、半峰值寬度HPW（μs）、持續(xù)時間D（μs）、轉(zhuǎn)移電荷（C）、連續(xù)電流水平CC（A）。這些波形參數(shù)的定義方法與R. Thottappillil等[25]的定義方法一致。M分量電流波形參數(shù)的分布如圖6所示。

如圖6a所示，引雷至地面情況下，M分量電流峰值的算術(shù)均值和幾何均值分別為952.9 A和553.1 A，引雷至架空線路情況下則分別為877.9 A和398.4 A。兩種情況下電流峰值的算術(shù)均值很接近，幾何均值有明顯差別，是因為引雷至架空線路情況下有兩個樣本的值大于6 kA，明顯偏大。如果排除這兩個樣本，對比幾何均值，可以認(rèn)為引雷至架空線路情況下M分量的電流峰值要小于引雷至地面情況下的，約小28%。

圖6 M分量電流波形參數(shù)分布

兩種引雷情況下M分量的10%～90%上升時間、半峰值寬度、持續(xù)時間的異同規(guī)律是一致的，都是引雷至架空線路情況下的偏小，分別見圖6b～圖6d。引雷至架空線路情況下，這三個參數(shù)明顯分布得更緊密，更偏向0軸。這三個參數(shù)兩種引雷情況下表現(xiàn)出一樣的異同規(guī)律可能是因為M分量的電流波形是近乎對稱的，這樣更小的上升時間意味著M分量的下降時間也會更小，從而會有更小的脈沖寬度和持續(xù)時間。

如圖6e所示，引雷至地面情況下，M分量轉(zhuǎn)移電荷量的算術(shù)均值和幾何均值分別為0.35 C和0.24 C，引雷至架空線路情況下則分別為0.16 C和0.08 C。引雷至架空線路情況下的轉(zhuǎn)移電荷明顯低于引雷至地面情況下的，根據(jù)轉(zhuǎn)移電荷的定義，這樣的結(jié)果是合理的。因為引雷至架空線路情況下M分量的電流峰值、10%～90%上升時間、半峰值寬度、持續(xù)時間均更小，所以轉(zhuǎn)移的電荷會更少。注意到部分M分量的轉(zhuǎn)移電荷很多，引雷至地面情況下最大值可達(dá)1.17 C，引雷至架空線路情況下最大值可達(dá)1.09 C。因此，部分M分量幅值大、上升時間小、轉(zhuǎn)移電荷多，并且M分量的數(shù)量往往比回?fù)舻臄?shù)量多，所以在雷電防護(hù)工作中，M分量也是一個需要考慮的因素。

圖6f給出了M分量連續(xù)電流水平的條形圖以及數(shù)據(jù)點的分布。引雷至地面情況下，M分量連續(xù)電流水平的算術(shù)均值和幾何均值分別為895.6 A和674.0 A，引雷至架空線路情況下則分別為1 375.6 A和471.7 A。引雷至架空線路情況下算術(shù)均值遠(yuǎn)大于幾何均值是由于存在3個遠(yuǎn)大于6 kA的數(shù)據(jù)樣本值，明顯偏大，并沒有在圖6f中展示。如果不考慮這3個值，引雷至架空線路情況下M分量所處的背景電流水平更低，這可能意味著架空線路的存在不僅會降低初始階段的平均電流，同樣降低了回?fù)糁筮B續(xù)電流階段的平均電流。

3 分析與討論

上述分析表明架空線路的存在極大地影響了雷電流的電流參數(shù)，且架空線路的存在對雷電流不同階段的影響不同。本節(jié)基于圖7所示的諾頓等效電路研究各種物體對雷電流參數(shù)的影響，該簡化模型忽略了非線性過程[20]。

圖7 閃電擊中不同物體的諾頓等效電路

圖7中所示的閃電連接點在閃電通道底部，也就是引流桿的頂部，本文測量電流的位置在引流桿的下方。當(dāng)引雷至地面時，接地電阻（gr）為6.7 Ω；引雷至架空線路時，雷電流遇到的阻抗是架空線路的特征阻抗（c）。本文采用CIGRE技術(shù)手冊549（2013）所提出的參數(shù)，即400 Ω。當(dāng)引雷至架空線路時，大部分雷電流從最接近雷擊點的兩基桿塔流入地面，所以圖7中的模型只包含兩基桿塔，雷電流注入點為架空線路中點，因此在引雷至架空線路情況下，雷電流遇到的有效波阻抗約為200 Ω。兩種工況下雷電不同階段的ch和ef見表1。

表1 兩種工況下雷電不同階段的ch和ef

Tab.1 Zch and Zef at different stages of lightning under two conditions

ch為閃電通道的等效阻抗，在本模型中假定它是恒定的。為短路電流，也被稱為“未受干擾”的電流，即當(dāng)ch=∞和gr=0時的電流。mea為雷擊點的實際測量電流，計算式為

對于初始階段電流來說，架空線路的存在使初始階段的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷和作用積分分別降低至引雷至地面情況下的35%、42%、51%和19%。架空線路對初始階段電流參數(shù)有很大影響。根據(jù)圖7中的模型，只有當(dāng)初始階段的閃電通道等效阻抗小于線路特征阻抗（200 Ω）時，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。根據(jù)平均電流的降低系數(shù)，初始階段閃電通道等效阻抗的估算值為145 Ω（遠(yuǎn)大于6.7 Ω）。

對于初始連續(xù)電流脈沖來說，架空線路的存在使初始連續(xù)電流脈沖的電流峰值和轉(zhuǎn)移電荷量分別降低至引雷到地面情況下的69%和55%。只有當(dāng)初始連續(xù)電流脈沖的閃電通道等效阻抗與線路特征阻抗處于同一個數(shù)量級時，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。根據(jù)初始連續(xù)電流脈沖電流峰值的降低量，初始連續(xù)電流脈沖的閃電通道等效阻抗的估算值為445 Ω。

對于回?fù)綦娏?，除?0%～90%上升時間增加為地面情況的2.4倍以外，架空線路的存在對回?fù)綦娏鞣逯禌]有明顯影響或者不會降低回?fù)綦娏鞣逯?。根?jù)圖7所示模型，只有當(dāng)回?fù)綦A段的閃電通道等效阻抗都非常大時，才會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，即對回?fù)舳裕琧hef，此時，可以把回?fù)綦A段的閃電通道視為一個理想的電流源，其閃電通道等效阻抗的準(zhǔn)確值無法確定，但本文認(rèn)為它至少為200 Ω的10倍以上。

對于M分量來說，架空線路的存在對電流的影響與初始連續(xù)電流脈沖類似，電流峰值和轉(zhuǎn)移電荷量分別降低至引雷到地面情況下的72%和33%。根據(jù)電流峰值的降低量，M分量的閃電通道等效阻抗的估算值為514 Ω。

4 結(jié)論

2018—2019年夏天在廣州開展了引雷至架空線路與引雷至地面兩類的火箭引雷試驗，分析了兩種情況下閃電各階段的雷電流波形特征，主要結(jié)論如下：

1）引雷至地面情況下初始階段的最大電流、平均電流、轉(zhuǎn)移電荷、作用積分分別是引雷至架空線路情況下的2.8、2.4、2.0、5.3倍。兩種引雷情況下初始階段的持續(xù)時間沒有明顯差異。

2）兩種引雷情況下回?fù)綦娏鞑ㄐ紊仙龝r間存在明顯差異，引雷至地面情況下幾何均值為0.25 μs，引雷至架空線路情況下則為0.60 μs。兩種引雷情況下回?fù)舻钠渌娏鞑ㄐ螀?shù)差異不明顯。

3）引雷至架空線路情況下M分量與ICCP的電流峰值、轉(zhuǎn)移電荷、連續(xù)電流水平均略小于引雷至地面情況下的。此外，M分量的上升時間、半峰值寬度、持續(xù)時間也小于引雷至地面情況下的，前者分別約為后者的56%、59%、40%。

4）人工引雷試驗中，雷電在不同電流階段其通道的等效阻抗存在顯著差異，基于諾頓電流源等效電路模型推測等效阻抗初始階段雷電通道約為100 Ω，在ICCP階段約為400 Ω，在M分量階段約為500 Ω，在回?fù)綦A段大于2 000 Ω。

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Comparative Analysis of Current of Rocket-Triggered Lightning Striking the Overhead Line and the Ground

Cai Li1Du Yiyang1Hu Qiang1Peng Xiangyang2Chen Shaodong3

（1. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Guangdong Grid Electric Power Research Institute Guangzhou 510000 China 3. Guangzhou Institute of Tropical and Marine Meteorology China Meteorological Administration Guangzhou 510080 China）

Most of the current rocket-triggered lightning experiments are conducted with lightning strikes on the ground. Related studies have shown that the properties of the struck object affect the parameters of the lightning. The paths of the lightning flow are very different between direct lightning strikes on the ground and direct lightning strikes on overhead line. It is necessary to obtain the lightning parameters of a real overhead line direct strike and analyze the similarities and differences between them and the ground direct strike lightning parameters for power system lightning protection.

Rocket-triggered lightning experiments were conducted at the Guangzhou Field Experiment Site for Lightning Research and Testing in Conghua, Guangzhou, during the summer of 2018 and 2019. Lightning strikes objects are divided into two kinds, one is overhead line and the other is ground. When lightning strikes on the ground, the lightning current is introduced by the inducing rod to the current measuring equipment installed in the ground launcher, and flows directly into the soil after measurement (grounding resistance is 6.7 Ω). When the lightning strikes on overhead line, the lightning current is first introduced by the current measuring equipment installed in the top of the tower launcher, measured and then flows into the 10 kV overhead line via a wire, and finally the majority of the lightning current flows into the soil via the two nearest towers (the characteristic impedance of the overhead line is about 200 Ω). The current parameters characteristics of the initial stage, return strokes and M-components in the case of lightning to ground and lightning to overhead line are analyzed to compare whether they differ and to analyze the reasons for the differences.

The maximum current, average current, transfer charge, and action integral of the initial stage in the case of lightning to the ground are 2.8, 2.4, 2.0, and 5.3 times those of the lightning to the overhead line. There is no significant difference in the duration of the initial stage between two conditions. The geometric mean of the rise time of the return stroke when the lightning strikes the ground is 0.25 μs, which is much smaller than 0.60 μs when the lightning strikes the overhead line. For other waveform parameters of return strokes such as the current peak, the difference is not obvious. The M-components are similar to the initial continuing current pulses, and the current peak value, transfer charge, continuing current level in the case of lightning to the overhead line are all smaller than those of the lightning to the ground. The rise time, half-peak width, and duration of the M-components are also smaller than those of the lightning to the ground, with the former being about 0.56, 0.59, and 0.40 times the latter. Analysis based on Norton current source equivalent circuit model. The reason for the difference in lightning current between the two lightning conditions is that the equivalent impedance of the lightning channel is different in each stage.

Rocket triggered lightning, overhead line, lightning current, return stroke

TM863

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222127

國家自然科學(xué)基金（52177154）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金（2042023kf0183）資助項目。

2022-11-11

2022-12-01

蔡 力 男，1987年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為雷電防護(hù)與接地技術(shù)，雷電物理與雷電探測。E-mail：cail@whu.edu.cn（通信作者）

杜懿陽 男，2000年生，碩士研究生，研究方向為雷電物理與雷電防護(hù)。E-mail：dyy0318@163.com

（編輯 李 冰）