不同波形雷电流的频谱特性分析

马依拉古丽·赛提，余 华，刘晓月

(新疆维吾尔自治区吐鲁番市气象局，新疆 吐鲁番 838000)

1 引言

一直以来，雷电对人类的生活和生产有着极大危害。随着人类社会的发展，雷电表现出不同的危害形式，早期的雷电危害形式为雷击，随着电子科技领域的发展，雷电以雷电波侵入的方式对电子设备造成了很大的损坏，即当雷击于各种线路(电力、信号、天馈等线路)或线路附近时,会在线路上发生雷电流侵入,由于大电流或过电压的作用,从而损坏与之相连的各种电子设备。每年造成大量的人畜伤亡、建筑物的损坏以及森林火灾等。在当今的信息化时代，强大的雷电电磁脉冲可导致各种微电子设备的运行失效，甚至损坏，成为威胁航空航天、国防军事、计算机与通信领域的灾害之一。

雷电流频谱特征是雷电防护技术的重要依据。分析雷电流的幅频、能频、累积幅频等有助于理清雷电危害重要波段的存在,即通过这些数据可以估算出通信系统以及电力系统频带范围内雷电冲击波的振幅和能量的大小,进而确定防雷措施。同时在浪涌保护器的选取、开发和研究高性能的电子浪涌保护器、雷电风险评估等方面也具有重大的指导意义[1]。

2 研究方法

利用Origin工具，本文通过文献[2]选举参数为8/20 μs雷电流模型进行仿真，来实现对雷电流常用的3种模型，即双指数函数模型、Heidler函数模型和脉冲函数模型的图形再现。

本文首先对3种函数进行傅里叶变换，得出了雷电流的幅频谱、能量谱以及振幅累积谱和能量累积谱。然后对实验室测得的不同峰值的雷电流进行频谱分析，最终总结了不同波形雷电流的频谱特性。

3 结果与分析

3.1 不同模型雷电流的频谱特性分析

随着频率的增加，在3种函数模型下的单位峰值雷电流的振幅是逐渐减少的趋势，其中双指数函数模型的振幅频谱下降速率比其他两个函数模型的下降速率快些(表1)。

表1 单位峰值雷电流的振幅频谱Tab.1 Amplitude spectrum of lightning current in unit peak

在双指数函数模型，Heidler函数模型和脉冲函数模型下，从0.5～1 MHz的振幅累积变化速率分为为6.056×10-8、4.18×10-7、3.2×10-8，相对于从100～500 kHz的变化速率来说已经很小了。因此可以说，在3种模型下的雷电流振幅的累积频谱主要分布在100～500 kHz(表2)。

表2 单位峰值雷电流的振幅累积变化Tab.2 The amplitude of the peak and lightning flow of the unit

在3种函数模型下，雷电流能量从500 kHz之后的变化很小几乎不变。3种模型下从100～500 kHz雷电流能量的累积频谱变化分别为2.75×10-5、3.087 5×10-4、2.367 5×10-4，与0.5～1 M的能量的变化速率相差10-2个量级。因此可以说，3种模型下的能量的累积频谱主要集中在500 k以下的频段范围内(表3)。

表3 单位峰值雷电流能量的累积频谱Tab.3 Cumulative spectrum of lightning flow energy in unit peak

3.2 实验分析

对不同峰值雷电流进行实测实验，I0取值分别为20 kA，36 kA，52 kA，68 kA，85 kA。

实验证明，随着频率的增加，不同峰值雷电流的振幅频谱、能量谱逐渐增大，雷电流峰值越大、振幅和能量就越大(图1和图2)。

图1 不同峰值雷电流振幅频谱变化图Fig.1 Variation of amplitude spectrum of thunderbolt current at different peaks

从图1中可以看出，不同峰值雷电流的振幅主要集中在2×105Hz的低频段。雷电流峰值越大，雷电流振幅在低频段的增长速率就越大，反之则缓慢。

从图3中可以看出，不同峰值雷电流的振幅累积主要集中在6×105Hz频率段。由于不同峰值雷电流的振幅主要集中在低频部分，因此在低频段雷电流的振幅累积增值迅速，在高频段则缓慢。峰值I0越大，在低频段的增长速率就越大，反之则缓慢。

从图2和图4中可以看出，不同峰值雷电流的能量主要分布在1.2×105Hz的低频段，越大，雷电流能量就越大，雷电流能量在低频段的增值就越大，增长速度就越快，反之则较缓慢。不同峰值雷电流的能量累积主要集中在20k以下的低频部分，越大，雷电流能量累积就越大，在低频段的增长速率越快，反之则较缓慢。

图2 不同峰值雷电流的能量变化图Fig.2 Energy variation diagram of lightning current at different peaks

图3 不同峰值雷电流的振幅累积频谱变化图Fig.3 Amplitude cumulative frequency spectra of lightning current at different peaks

图4 不同峰值雷电流的能量累积频谱变化图Fig.4 Energy accumulation spectra of lightning flow at different peaks

4 结论

本文通过对基于双指数函数、Heidler函数以及脉冲函数的模拟雷电流的计算并结合试验室测得的雷电流数据分析了各种模拟波形的幅频、能量谱的分布规律，得到以下结论：

①双指数函数模型、Heidler函数模型以及脉冲函数模型和实验室实测得到的结论一致，即雷电流的振幅和能量主要集中在低频部分；通过实验得出，不同波形雷电流的振幅主要集中在2×105Hz的低频段，能量主要集中在1.2×105Hz频率段。

②不同峰值雷电流的振幅和能量主要集中在低频部分，峰值I0越大，雷电流的振幅，振幅累积和能量累积就越大，在低频段的增值就越大，高频段则缓慢。

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