触发闪电产生的地网地电位抬升及暂态效应

颜 旭 张义军 杜 赛 陈绍东 吕伟涛

1)(中国气象局广州热带海洋气象研究所， 广州 510080)

2)(复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院， 上海 200438)

3)(中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室/雷电物理和防护工程实验室， 北京 100081)

引 言

雷电是自然大气中的超强、超长放电现象，具有极强的破坏性[1]，而接地是一种非常有效的防雷措施，它可以通过接地系统将雷电流快速泄放入大地，减小雷击造成的危害。但在接地系统泄放雷电流的过程中，接地系统的地电位会瞬间抬升至几百甚至上千千伏，以地电位反击形式，对接地系统周围人员及与其相连的设备形成巨大威胁。研究地电位抬升的特点及破坏机理有助于采取更有效的防护措施，保护人民生命财产安全。

由于试验条件及环境限制，部分学者通过高压冲击试验或仿真建模等形式进行接地系统地电位抬升及暂态效应研究[2]。随着对闪电活动认识的加深[3-6]，人工触发闪电技术逐渐成熟，利用人工触发闪电开展真实雷电环境条件下相关研究成为一种较好途径。Schoene等[7]利用人工触发闪电开展架空配电线路雷击试验，发现雷电流在距离杆塔11 m 处入地时，通过地电位反击引起配电线路中电流流动；Chen等[8]利用人工触发闪电开展自动气象站雷电防护试验，发现地电位反击损坏5 m远地网上浪涌保护器(SPD)的现象；颜旭等[9]、朱良等[10]基于人工触发闪电分析地网间共地和非共地情况下地电位抬升电压的波形特征。

近年，随着人工触发闪电技术的进步，开展真实雷电环境下地网地电位抬升电压和暂态效应的研究也取得了一定进展，但由于近距离闪电时强雷电电磁脉冲对测量设备的干扰，采集到的数据相对较少。2019年中国气象局雷电野外试验基地攻克了该难题，成功测量并记录到多次雷电流及接闪地网上的地电位抬升电压波形，对于加深对地电位抬升电压及其暂态效应的理解和研究其破坏机理具有重要意义。

1 试验现场布置

本试验在位于广东省广州市从化区的中国气象局雷电野外科学试验基地(Field Experiment Base on Lightning Sciences, China Meteorological Administration, CMA_FEBLS)人工引雷试验场开展。图1是试验现场布置示意图，当触发闪电成功后，雷电流通过引流杆注入接闪地网，随后泄放入地。接闪地网由水平接地体和垂直接地体共同组成，接闪地网大小为10 m×10 m，分4个网格(5 m×5 m)，由规格为40 mm×4 mm的镀锌扁钢连接，埋深0.8 m，垂直接地体采用规格40 mm×40 mm×4 mm，长2.5 m的镀锌角钢，每隔5 m均匀分布于地网的四周，接闪地网的工频接地电阻为15.8 Ω。

当人工触发闪电成功后，雷电流通过引流杆经地网泄放入大地，雷电流波形由引流杆下同轴分流器进行采集，其采样带宽为0～20 MHz，由高压隔离采集系统采集和记录，采样率为100 MS/s。地网的地电位抬升电压通过分压器比587：1、高压臂电容307.0 pF的阻容式分压器分压和100倍衰减器衰减后由高压隔离采集系统采集和记录，设置采样率是10 MS/s；测量地网地电位的零点为参考点，采用10 kV电压等级绝缘电缆埋地外引接地的形式设置，零电位参考点和地网的距离为63 m，并以采样率10 MS/s的高压隔离采集系统采集记录。

图1 试验现场布置

2 数据分析

2019年夏季，在广州市从化区利用引雷火箭拖拽金属丝的方式开展人工触发闪电试验，在3个雷暴过程中，共记录7次触发闪电的雷电流及其对应的地电位抬升电压数据，7次触发闪电均为中和云中负极性电荷的负极性闪电，共包含39个回击和10个M分量。

2.1 雷电电流波形特征

图2为2019年6月11日(下文记做T0611)一次经典人工触发闪电的雷电流测量结果。由图2可以清楚地看到触发闪电的初始连续电流、8次继后回击(记做RS1～RS8)和2次M分量(记做M1,M2)等物理过程。

对2019年获取的7次触发闪电过程共计39次继后回击和10个M分量的雷电流波形参数进行统计分析，分析参量包括回击和M分量的雷电流峰值(Ipeak)、半峰宽度(tHPW)、10%～90%上升时间(t)、上升时间10%～90%之间的平均陡度(G1)，统计结果如表1所示。

由表1可见，继后回击过程雷电流峰值变化范围为-5.61～-36.44 kA,几何平均值为-12.78 kA；半峰宽度最小值为2.56 μs，最大值为29.27 μs，几何平均值为7.48 μs；10%～90%上升时间变化范围为0.14～0.56 μs，几何平均值为0.27 μs；上升时间10%～90%之间的平均陡度最小值为16.40 kA· μs-1，最大值为104.20 kA·μs-1，几何平均值为38.46 kA·μs-1。

图2 触发闪电T0611雷电流波形 (a)T0611雷电流整体波形，(b)初始长连续电流过程波形，(c)M分量M1波形，(d)继后回击RS3

本试验观测的雷电流回击峰值与中国气象局雷电野外试验基地野外综合观测试验[11-12]统计中回击峰值电流几何平均值(约16 kA)相比偏小，也比山东触发闪电[13]的回击峰值几何平均值(约14.6 kA)略小，与美国佛罗里达触发闪电[14]的12.4 kA相当。

M分量[15]是叠加在回击后发生的连续电流之上的电流快速变化脉冲，其统计特征见表1。M分量幅值变化范围为-1.77～-0.37 kA, 几何平均值为-0.60 kA；10%～90%上升时间最小值为67.70 μs，最大值为1946.29 μs，几何平均值为330.09 μs；半峰宽度变化范围为106.00～1141.78 μs，几何平均值为343.11 μs。本试验统计M分量幅值几何平均值比广东雷电综合观测试验M分量幅值(195 A)、山东触发闪电M分量观测结果(276 A)[16]和美国佛罗里达触发闪电观测结果(117 A)[17]偏大；本试验中M分量10%～90%上升时间(330.09 μs)和半峰宽度(343.11 μs)在4个对比观测试验统计中居中，其他3个试验统计结果分别为广东2006—2011年统计结果(379 μs 和638 μs)、山东触发闪电统计结果(251 μs 和242 μs)[18]和美国佛罗里达触发闪电统计结果(422 μs 和816 μs)[19]。

表1 触发闪电雷电流波形特征参数统计

2.2 地电位抬升电压波形特征

人工触发闪电在引流杆上接闪后，雷电流经地网泄放入大地，地网因雷电流的泄放电位会瞬间大幅升高，将39次回击和10个M分量在地网上引起的地电位抬升电压波形特征参数进行统计，分析参量包括地电位抬升电压峰值(Vpeak)、半峰宽度(THPW)、10%～90%上升时间(T)、上升时间10%～90%之间的平均陡度(G2)，统计结果如表2所示。

表2 雷电流引起的地电位抬升电压参数表

由表2统计结果可见，继后回击引起的地电位抬升电压峰值变化范围为-321.05～-52.49 kV，几何平均值为-138.97 kV；半峰宽度最小值为0.44 μs，最大值为11.34 μs，几何平均值为1.93 μs；10%～90%上升时间变化范围为0.22～0.73 μs，几何平均值为0.29 μs；上升时间10%～90%之间的平均陡度最小值为125.17 kV· μs-1，最大值为883.58 kV·μs-1，几何平均值为379.22 kV·μs-1。

M分量引起的地电位抬升电压波形峰值变化范围为-18.46～-4.28 kV，几何平均值为-7.18 kV；半峰宽度最小值为72.44 μs，最大值为2031.49 μs，几何平均值为239.53 μs；10%～90%上升时间变化范围为80.96～2006.64 μs，几何平均值为403.99 μs。

图3是触发闪电T0611的继后回击雷电流和对应的地电位抬升电压波形对比图，由于数据分别由两套系统采集，没有GPS时间，所以利用峰值对齐作图方式将两者进行对比。由图3可以看到，回击电流波形与对应的地电位抬升电压波形具有明显差异，地电位抬升电压波形在上升沿过程变化非常迅速，在达到峰值电压后紧接着又快速下降，这个过程达到亚微秒量级，之后电压反向形成一个次峰，然后较缓慢恢复零值，具有类似波形特征的地电位抬升电压波形在Liu等[20]和颜旭等[9]的研究中也发现过。对39次继后回击的次峰峰值统计发现，次峰变化范围为-206.58～-52.31 kV，几何平均值为-90.09 kV，与对应地电位抬升电压峰值的比例分别为58.28%～83.22%，几何平均值为64.86%。在地电位电压到达峰值反向形成次峰的过程中，当电压回落幅度较大时(超过幅值一半)，会出现波形半峰宽度相对较小的情况。由表2可知，继后回击引起的地电位抬升半峰宽度最小只有0.44 μs，几何平均值为1.93 μs，只有与其对应的回击雷电流半峰宽度的25.8%。

图3 触发闪电T0611的8次回击电流和对应的地网地电位抬升电压波形

续图3

由表2可见，M分量引起的地电位抬升电压波形半峰宽度相对较大[21-23]，最大达到2 ms以上，几何平均值约为继后回击对应地电位抬升电压波形半峰宽度几何平均值的124倍，且其引起的地电位抬升电压最小也在4.28 kV。在低压配电线路中，SPD的动作电压范围一般为0.5～1.0 kV，M分量引起的地电位抬升电压足以使SPD动作，且由于M分量半峰宽度很长，将会使SPD长时间处于动作状态，极易引起SPD热崩溃损坏。所以，大电流M分量也是地电位反击造成SPD损坏的重要原因。

2.3 地电位抬升电压相关分析

雷电流引起的地网上地电位抬升电压是雷电流在土壤中的泄放和感应耦合共同作用的结果，将39次雷电流继后回击的峰值和10%～90%上升陡度对应地电位抬升电压峰值做相关性分析，线性拟合曲线如图4a和图4b所示。结果发现，继后回击的地电位抬升电压峰值与雷电流峰值相关系数达到0.94，而与10%～90%上升时间平均陡度相关系数只有0.55，前者远大于后者，这说明在统计的39个继后回击个例中，地电位抬升电压主要是由雷电流在土壤中的泄放引起，感应耦合的作用相对较弱。将10次雷电流M分量的峰值与对应地电位抬升电压做相关性分析，线性拟合曲线如图4c所示，两者线性相关系数达到0.99，由此判断雷电流M分量引起的地电位抬升电压均由雷电流在土壤中的泄放引起，感应耦合的作用仅很小一部分。

以上分析说明地网地电位抬升电压除了受导体电感(电流的变化率)影响外，主要受注入地网闪电电流本身的影响[24]，GPR波形变化最终由注入地网电流特征和地网的冲击特性共同决定。

图4 地电位抬升电压与对应的雷电流回击峰值(a)、陡度(b)和M分量(c)的线性拟合

2.4 暂态效应

雷电流在接地体及周围土壤中的散流是复杂的电磁暂态过程，伴有土壤电离、电感效应等特征现象[25-26]，而当雷电流通过接地体流向大地时，接地体电压峰值与接地体电流峰值之比称为冲击接地电阻，通常两者峰值不会同时发生。冲击接地电阻值可以用于表征接地体在瞬间雷电流冲击下暂态效应的结果。在雷电流的瞬间冲击下，地网会与周围土壤放电，发生使地网周围土壤电阻率变小的土壤电离现象，地网散流更加容易，可等效看作接地体半径扩大，从而引起冲击接地电阻减小；同时也会因电感作用，在地网上阻碍雷电流向远端流动，从而引起冲击接地电阻变大，且注入雷电流频率越高则电感效应的阻碍作用越明显，计算得到的冲击接地电阻值是在这些暂态现象共同作用下的结果。

对39次继后回击过程和10次M分量过程的冲击接地电阻进行统计，结果显示，继后回击阶段的冲击接地电阻最小值为8.81 Ω，最大值为12.48 Ω，几何平均值为10.87 Ω；M分量阶段的冲击接地电阻最小值为10.42 Ω，最大值为13.46 Ω,几何平均值为12.02 Ω。两个过程的冲击接地电阻均明显小于测到的工频接地电阻15.8 Ω。因此，在瞬态雷电流的冲击下，地网上的电感效应使接地体电阻变大，而雷电流泄放使接地体对周围土壤放电，土壤电离会使土壤电阻率变小，两种暂态效应共同作用下，土壤电离作用明显强于地网的电感作用，出现了冲击接地电阻小于工频接地电阻的情况。

对比分析M分量和继后回击引起的冲击接地电阻，M分量引起的冲击接地电阻明显大于继后回击引起的，前者约是后者的1.1倍。因此，继后回击阶段雷电流强度(几何平均值为12.78 kA)远大于M分量(几何平均值为0.6 kA)，其在通过接地体流入大地时，对接地体周围土壤的放电更强，土壤电离效果更好，接地网表现出的暂态效应为继后回击阶段的冲击接地电阻比M分量时更小。

3 结 论

通过对7次触发闪电过程的39次回击和10次M分量及其对应的地电位抬升电压数据分析，主要结论如下：

1) 触发闪电继后回击阶段雷电流峰值几何平均值为-12.78 kA，其对应的地电位抬升电压峰值几何平均值为-138.97 kV；M分量雷电流峰值几何平均值为-0.60 kA，其对应的地电位抬升电压峰值几何平均值为-7.18 kV。

2) 继后回击引起的地电位抬升电压波形具有明显的次峰，其波形上升沿变化迅速，达到峰值电压后即出现亚微秒量级的快速下降过程，反向形成一个次峰，然后是较为缓慢的恢复零值过程，地电位抬升电压次峰峰值平均约为最大峰值的64.86%。

3) 继后回击引起的地电位抬升电压半峰宽度最小只有0.44 μs，几何平均值为1.93 μs，只有与其对应的回击雷电流半峰宽度的25.8%。M分量的半峰宽度最大可达2 ms，约为继后回击半峰宽度几何平均值的124倍，它可以使SPD长时间处于动作状态，极易引起SPD热崩溃损坏。

4) 继后回击引起的地网地电位抬升电压主要是由雷电流在土壤中的泄放引起，感应耦合的作用相对较弱；M分量引起的地电位抬升电压基本是由雷电流在土壤中的泄放引起，感应耦合的作用只占很小部分。

5) 在雷电流的瞬间冲击下，继后回击阶段地网冲击接地电阻几何平均值为10.87 Ω，而M分量阶段的冲击接地电阻几何平均值为12.02 Ω，后者是前者的1.1倍，两者均明显小于工频接地电阻。