雷电磁场的模拟及暂态循迹仿真分析

陈思淦，郑锦炎，余琪琪，王小怀

(韩山师范学院 物理与电子工程学院，广东 潮州 521000)

雷电是自然界中常见的一种放电现象，具有电流强度大、持续时间短、破坏性强等特点，其产生的电磁辐射功率高，电力、通信、建筑等诸多领域都容易受到雷电灾害的影响，因此，一直是相关从业人员的研究重点。深入开展雷电研究，探索更加有效的雷电防护技术有着重要的意义和价值，2021年7月中科院“人工引雷”实验也充分说明了这一点[1-3]。

本实验团队自制了一套雷电的模拟及测量装置，用于探究磁场与放电频率、放电时间(电流脉宽)、放电距离等参数对雷电磁场分布的影响[4-5]。

1 实验原理

1.1 雷电的模拟

利用自制的特斯拉线圈进行雷电磁场的模拟。特斯拉线圈实质上是一种利用电磁互感以及电磁振荡原理工作的变压器。工作时电源端输入交流电源，使初级LC回路发生串联谐振。经过初级线圈与次级线圈的耦合，次级LC回路发生串联谐振。这时放电顶端电压极高，产生尖端放电现象。利用特斯拉线圈的高压尖端放电实现对雷电的模拟，其原理图如图1所示。

图1 尖端放电原理图

1.2 磁场的产生

特斯拉线圈通电工作时，初级线圈和次级线圈中均有变化的电流，尖端放电产生电弧，线圈中快速周期变化的电流和尖端放电产生的电弧共同作用产生变化的磁场。利用LC电路具有电磁振荡的特点来进行雷电磁场的模拟。由于电磁振荡，磁场处于周期性变化状态，因此，实验装置产生的磁场和自然界中的雷电磁场类似具有时变性。

装置产生的雷电磁场变化频率：

=1.37×106Hz

装置产生的磁场变换频率较快，与自然界的雷电磁场具有不确定性、频率快速变化的特点类似。通过步进电机控制放电尖端与地面的高度h，以及改变脉宽I(放电时间)和放电频率f，从而实现对不同情形雷电磁场的模拟。

2 实验装置

实验装置如图2所示。

图2 实验装置图

如图2所示，装置具体部件分别是：①特斯拉线圈、②TES-593三维电磁测量仪、③暂态循迹测量轨道、④带丝杆滑轨的步进电机、⑤stm32f103c8t6单片机、⑥电机驱动器、⑦电源适配器。

3 雷电磁场的测量及分析

3.1 雷电磁场的测量

TES-593三维电磁测量仪(测量范围：53.00 μA/m—286.40 mA/m，误差±1.0%)可准确测量空间某一位置的磁场强度，并具备多组测量数据存储和读取功能。采用控制变量法，改变雷电磁场的参数，测量不同雷电磁场参数(h，f，I)对应的磁场大小，结果如表1所示。表中高频率f和长脉冲宽度用“大f大I”表示，其它以此类推。

表1 不同参数对应的磁场大小

对表1中数据进行测量不确定度评定：

A类不确定度：

(1)

B 类不确定度：

(2)

其中，Δ仪为仪器误差限。

总不确定度：

(3)

将h为57.5 cm，大f大I情况下十次测量数据为例，根据(1)式可以算得uA=0.66 mA/m。

将仪器最大量程286.40 mA/m和相对误差1.0%代入(2)式，可得：

故总不确定度

3.2 雷电磁场的分析

对于同一测量点，测量10次并用其平均值表征该点的磁场大小。作出不同参数下磁场大小的变化曲线，如图3所示。

图3 磁场大小的变化曲线

分析图3可得出以下结论：

(1)对于同一高度，雷电磁场H与放电频率f成正相关，f越大，H越大。

(2)对于同一高度，雷电磁场H与脉宽I成正相关，I越大，H越大。

(3)雷电磁场H不会随着距离h的下降而单调的变化，相对比较复杂。

鉴于雷电磁场H与距离地面高度h之间相对复杂的关系，本团队设计了暂态循迹仿真分析法开展进一步的探究。

4 暂态循迹仿真分析法探究磁场分布与高度的关系

4.1 暂态循迹仿真分析法

如图4所示，采用一块薄平板(50 cm×50 cm)按照10 cm的距离构造出二维平面点阵，自制准心可以减小误差，测量这37个点的磁场值，通过仿真得到这个平面上磁场的分布情况。

图4 暂态循迹轨道

先外到内，再从内到外测量37个点，每个测量点都会测到两次，取前后两次的平均值作为雷电磁场的大小。接着通过Origin软件来进行磁场分布的仿真，利用37个分离的数据点构造一个的二维数组，从而得到磁场的三维图，进而可以得到磁场在平面的上的分布情况。山峰越突出代表磁场越大，如下图5，中心区域的高度明显高于四周，说明中心区域的磁场大于四周的磁场。

图5 磁场分布仿真图

4.2 探究磁场分布与高度的关系

保持雷电磁场的参数设置为“大f大I”不变，利用步进电机结合丝杆改变雷电磁场距离地面的距离h(从57.5 cm递减到45 cm，步长为2.5 cm)通过预先设定好的程序编码，按键触发，发送预设的脉冲信号驱动步进电机，并带动丝杆垂直运动。由此精准控制距离h，减小人工操作带来的误差。

利用暂态循迹仿真分析法，可以得到下面的仿真图6，通过对比，可以看到：

图6 不同高度磁场分布

当雷电距离地面的距离为57.5 cm、 55 cm、52.5 cm时，中心区域的磁场明显比四周的磁场大，而当距离下降之50 cm时，中心区域的磁场和四周区域的磁场相差不大，甚至略小于四周，下降至47.5 cm，45 cm时，中心区域明显小于四周。

改变雷电参数(f，I)再次实验，均得到类似的实验结果。

实验结果与分析：当雷电距离地面较远时，雷电的劈击点对磁场的影响较小，中心区域的磁场大于四周；当雷电距离地面较近时，雷电的劈击点对磁场的影响很大，因放电呈四周辐射状，中心区域被直接劈中的概率小于四周，故而出现中心区域磁场明显小于四周的结果。

5 结 语

通过利用LC电磁振荡来进行雷电磁场的模拟，更加接近自然界雷电的真实情形，同时放电频率、脉宽、高度均可控实现了各种情形下雷电的受控模拟。采用二维平面点阵结合自制准心的测量方法减小实验误差。利用Origin软件得到磁场的三维分布图，使实验数据可视化。

为了实现磁场更全面的表征，运用原创“暂态循迹仿真分析法”，探究了雷电磁场分布与雷电与地面距离之间的关系。

实验的过程和结论，对研究雷电磁场的大小、分布特征有一定的参考价值，对雷电的利用与防治也发挥着重要作用。