模拟雷电流多分量组合脉冲与通道光强度关系

周蜜, 左芯睿, 王冬冬, 赵伟翰, 蔡力, 王建国

(1.武汉大学 电气与自动化学院,湖北 武汉 430072; 2.雷电防护与接地技术教育部工程研究中心,湖北 武汉 430072; 3.中国舰船研究设计中心,湖北 武汉 430060)

0 引 言

雷电是雷暴天气中发生的一种瞬时放电现象。一次完整的雷电放电过程往往包含十分丰富的雷电流分量信息,如Rakov等[1]报道了一次负地闪放电中电荷向地面转移的3种模式:先导/回击模式、连续电流模式和M分量模式。其中,回击过程会导致大峰值电流、高峰值功率、强电磁辐射以及冲击波等,这些物理效应能对地面设施产生可观的破坏作用[2-6]。另外,雷击放电全过程中的转移电荷量作为评估闪电放电能量或强度的核心参数,是自然雷电引起森林火灾和各类金属接闪器、飞机机翼以及金属屋顶等部件发热、烧蚀和穿孔等灾害的重要原因[6-10]。

雷电电流及其电荷量的测量对雷电防护领域的发展有重要的现实意义。然而,雷电的发生在时空上随机程度很高,目前主要采用人工触发闪电[10-13],或在高建构物[14-15]上进行定点测量,这种通过直接测量方式收集到的可用数据有限,且效率较低。雷云对地放电形成的主通道不被云层遮挡,其辐射光的强度与放电通道中的电流大小密切相关,光学观测方法是诸多雷电相关研究中最重要的手段之一[16-17]。

Mitchard等[18-19]在实验室内通过半球形间隙自击穿产生了闪电电弧光谱,报道了大电流和高电压条件下产生的雷电弧光谱与自然闪电光谱的相似性,为联系实验室电弧放电与自然界雷电电弧放电提供了潜在的参考依据。在实验室开展电弧放电实验,模拟在波形特征上类似于雷电流的冲击电流,可以有效把控试验各阶段的工况,相对容易地制造可重复的放电。综合自然观测与实验室模拟试验结果,有助于揭示闪电通道的电流空间分布和时间演化特征,提升对于雷电发展过程的科学认识。

目前针对实验室放电观测的各类影响因素已有一些研究[20-21],然而所观测的电流脉冲仍集中于单一分量。如,利用实验室放电产生具有较短波前时间和较长衰减时间的电流波形以模拟自然雷电回击过程,发现光强仅在后续缓慢衰减阶段与密切跟随电流波形变化[22-23]。通过石墨间隙放电,产生具有缓慢上升前沿的衰减振荡电流波形对自然雷电M分量电流进行模拟,发现光强峰值与电流峰值间显著的线性关系[24-25]。有必要针对雷电全过程放电波形,综合各类分量的波形特性,研究组合电流脉冲与放电通道光强度的关系。

本文通过在高压实验室搭建模拟闪电通道的人工传输线模型电路,研究类似自然雷电回击电流、M分量、连续电流等不同阶段波形叠加的参数调控方法。在此基础上,利用构建的实验室电弧放电电流与通道光辐射强度同步观测系统,使用两种光谱响应不同的光电探测器,开展电弧放电电流与通道光辐射强度的同步观测,分析不同波形下长间隙放电通道光辐射波形变化特征。最后,对通道电流与光辐射强度波形特征参数之间的关系进行探究,讨论不同光谱带宽的光电探测器观测结果的差异。

1 试验布置

闪电通道可以用图1所示的分布电路模型来描述RLC传输线,其电压V与电流I的电报方程如下:

图1 闪电通道的分布电路模型

(1)

(2)

式中:R、L、C分别为单位长度串联电阻、串联电感和并联电容;z′为闪电通道方位纵坐标;t是时间。通道的传输线参数会随时间和空间发生变化,即传输线是非线性且不均匀的。通道电感随携带z方向电流的通道核半径的变化而变化,通道电阻与通道电子密度及通道核半径有关。

利用集总参数链式网络,通过构建如图2所示的非均匀参数分布的人工传输线模型电路,将多个高压脉冲电容(C1～Cn)和电感(L1～Ln)串联,形成L-C链。电容器充电后,经触发间隙(FS)放电,产生电流脉冲波形,各链输出电流波形都是与前级链路波形叠加的结果。一个完整的雷电流多分量组合脉冲波形包含具有快速上升波头和缓慢下降波尾的回击电流,以及后续叠加有若干个M分量的连续电流。总体思路是,将首链(L1-C1链)设计为过阻尼状态,产生类似回击电流的波形。通过调节中间链的电感值,可以改变叠加脉冲的数量及脉冲的振荡幅度,制造叠加有模拟M分量电流脉冲的连续电流波形。

图2 集总链式网络电路原理图

搭建了如图3所示的模拟雷电多分量电流实验平台,输出多分量组合电流波形,模拟雷电全过程的波形特征及发展趋势。该平台主要由模拟多分量电流发生器及放电通道同步观测系统组成。使用电感-电容器组经连接构成L-C链,链数为10链。链数越多,形成的电流上升速度越快,同时电流持续的时间越长,本文实验中调试发现链数为10是较为合适的。将每链电容器容量固定为6 μF,调整电感抽头可改变每链电感值,可调节范围为1～3.6 mH。调波电阻值设置为14.6 Ω,作为集中参数链式网络电路中的负载电阻串入主回路,可以抑制电流反峰,因为自然界雷电流中除极为罕见的特殊案例外,绝大多数电流波形是单极性的。调波电阻越大,对电流反峰的抑制效果越明显,但电阻过大将导致电流输出峰值的降低。使用额定容量为15 kVA的充电变压器,经整流器向电容器充电。放电时,通过钨铜半球电极触发,由一对安装于绝缘放电架、直径为10 mm的石墨棒电极放电,电极间空气间隙长度为5 mm。

图3 模拟雷电多分量电流实验平台

石墨棒放电间隙的通道光辐射强度由通道光辐射强度观测系统进行测量,该系统由Thorlabs雪崩光电探测器、延长套管、中性密度滤光片、可调水平机械狭缝及相应连接组件构成。因雷电流通道发光光谱范围主要集中在红光敏感带和近红外敏感带,采用了两种不同型号的光电探测器,其中红光敏感型光电探测器型号为APD120A2,其带宽范围由DC至50 MHz,响应峰值为600 nm,可测量200～1 000 nm光谱范围的光信号;近红外敏感型光电探测器型号为APD120A,其带宽范围由DC至50 MHz,响应峰值为800 nm,可测量400～1 000 nm光谱范围的光信号。使用光学隔振平台支撑光电探测器,调整光电探测器的机械狭缝中心对准石墨放电间隙中心,对光信号同步观测并分析对比两种型号光电探测器的输出数据。

2 结果分析与讨论

2.1 数据概况

通过调节每链电感值,产生了不同充电电压下的多分量组合全过程电流波形,并同步观测其光辐射强度脉冲波形,对波形及波形参数进行对比分析。试验输出的波形数据包含3个模拟回击脉冲和15个模拟M分量脉冲。图4是充电电压设定为20 kV输出模拟雷电流多分量组合波形,及利用两种光电探测器同步测量的电弧通道光强度波形。

图4 模拟雷电流多分量组合波形及同步通道光强度波形

对比Zhou等[26]记录的火箭触发闪电所有放电过程的通道底部电流波形(如图5所示),试验中输出的组合电流幅值难以与真实雷电流分量幅值水平相匹配,但在波形形状及发展趋势上已能够充分模拟。

图5 触发闪电通道底部电流波形(摘自Zhou等[26])

下文将红光敏感型光电探测器输出的光强波形命名为光强度A,近红外敏感型光电探测器观测到的波形命名为光强度B。

在模拟回击脉冲阶段,红光敏感型光电探测器观测到的光强波形A能更好地跟随电流变化,而近红外敏感型光电探测器观测的波形B在下降沿产生了一定的畸变。对于此类畸变的产生,已有学者对其进行研究。Quick和Krider[27]在处理火箭触发闪电的试验数据中发现,某些光辐射强度波形在初始上升阶段后衰减比电流的更为迅速,而在后续衰减阶段,光辐射强度波形出现“平台”或“第二峰值”,电流则不存在类似的“平台”或“第二峰值”,他们推测,这可能是由于初始高温发展阶段后,电弧通道后续冷却,导致光谱朝波长更长的方向转移。Carvalho等[28]总结了15次触发闪电回击过程的观测结果,发现光辐射波形在首次峰值之后,紧接着出现第二次峰值,同样将这一现象归因于回击电流到达峰值后通道冷却过程中相关谱线强度得到增强。此外,根据文献[20]在实验室产生模拟回击及连续电流电弧对此类畸变成因的研究,这一现象可以归因于重复放电过程中所导致的电极表面不同程度的烧蚀以及电极形状的差异引起的电弧形态的扭曲。

在其后的模拟连续电流阶段及叠加M分量阶段,两光电探测器总体与电流波形的变化趋势基本保持一致,但总体上图4(c)中近红外敏感型光电探测器输出的结果相对图4(b)红光敏感型光电探测器与电流波形吻合得更好。

在图4中对电流及两种光电探测器测量的光强度波形脉冲进行了标记,将初始回击脉冲标记为R1,后续叠加在连续电流过程中的M分量脉冲逐个标记为M1、M2、M3及M4,将连续电流阶段基本结束后产生的M分量脉冲标记为M5。针对上述脉冲波形,对其特征参数(峰值、脉冲峰值、10%～90%上升时间及转移电荷量)进行测算,研究模拟雷电流多分量组合波形脉冲及同步通道光强度波形脉冲间的关系。

2.2 幅值关联

关于通道光强度幅值与雷电流幅值间的关系,国内外研究者通过对自然闪电和人工触发闪电进行观测,如Diendorfer等[29]在对奥地利Gaisberg塔上行闪电初始阶段电流的观测和研究中发现电流幅值与相应的光强度幅值呈线性相关。Gomes和Cooray[30]测量了250 mm和500 mm长火花间隙的输出光信号和通道电流,发现在上升部分光学信号紧跟电流波形,且光强度上升时间与电流上升时间、光强度幅值与电流幅值均呈线性关系。利用国际空间站上599～900 nm波长的光度计,Kikuchi等[31]提取了11个闪电事件的可见光闪电数据,分析表明负极性回击绝对光强度与峰值电流呈明显的正比关系。

借鉴上述研究进展,以及结合我们试验得到的数据趋势,针对产生的所有模拟回击电流及模拟M分量电流及其对应光强度的峰值与峰值脉冲进行关联分析,分别绘制强制过零点线性拟合回归线于图6(a)和(b)。图6(a)中可以看出两种光电探测器观测到的光辐射强度峰值与电流峰值具有一定线性相关性,对于图6(b)所示的电流与光强峰值脉冲,同样呈现较为强烈的线性相关性。其中,光强度B的峰值与电流峰值以及光强脉冲峰值与电流脉冲峰值的相关系数分别为0.979和0.994,而光强度A得到的数据进行线性拟合的结果相关性较弱,分别为0.842和0.982,进一步展现了两类光电探测器观测结果的差异。

图6 模拟雷电流多分量组合波形及同步通道光强度波形峰值关系

Wang等[32]发现在雷电流发展的不同阶段,由于波形特征与放电通道环境的差异,光强与电流之间的关系也存在差异,在图6中同样可以观察到,相对于模拟M分量电流峰值和峰值脉冲,模拟回击电流的峰值及峰值脉冲存在不规律偏移的现象,表明回击电流和M分量电流与各自对应的光强度应遵循不一样的规律。除去回击数据,仅对模拟M分量电流与光强峰值及峰值脉冲数据进行线性拟合分析,同样强制回归线过零点,如图7(a)及图7(b)所示。与图6(a)相比,图7(a)中光强度峰值与电流峰值的线性相关性更强,相关系数增大到更接近于1。但是,拟合回归线斜率发生了明显减小:光强度A从0.294变为0.175,减少了40%;光强度B则从0.342变为0.318,减少了7%。上述变化表明,即使针对同一电流水平,对于上升迅速、变化率更高的回击电流,其通道辐射的光强度要比变化更慢的M分量的高,其中光强度A的这一效应比光强度B的更加显著。

图7 模拟雷电流M分量波形及同步通道光强度波形峰值关系

计算M分量脉冲峰值时,电流需要减去背景连续电流水平,光强度也需要对应减去背景光强水平。此时,光强度A的拟合线斜率从图7(a)中的0.175增大为图7(b)中的0.204,增幅为16%,同时线性相关性变差;光强度B从图7(a)中的0.318增大为图7(b)中的0.370,增幅为17%,也发生线性相关性变差的现象。上述结果表明,同样针对同一电流水平,对于存在一定变化率的M分量电流,其通道辐射的光强度要比变化更慢甚至不变化连续电流的高,但是光强度A和光强度B的这一效应相当。

上述结果进一步说明,对于不同分量的波形,其辐射产生的光强度与电流幅值的相关关系存在差异,这种差异与光强度探测仪器的光谱范围有关。比较线性拟合相关系数数值大小,综合考虑不同电流分量的线性斜率变化,可以推断近红外敏感型光电探测器观测到的光强峰值(光强度B)与电流峰值的拟合结果更好。

2.3 波形时间关联

Gomes和Cooray[30]通过在实验室产生长间隙闪电,并同步观测电流与光强波形,发现光强波形在上升阶段能较好地跟随电流波形,认为可以通过光学手段推算电流上升时间。通过绘制图8所示的电流10%～90%上升时间与对应光强度10%～90%上升时间线性拟合关系图,线性拟合回归线被强制过零点,两种光强探测器输出的拟合波形都呈现出很强的线性相关性,光强度上升时间均随着电流上升时间增加呈正比例增长。光强度A和光强度B波形上升时间关系的线性拟合表达式分别为y=0.926x和y=0.938x,表明光强度上升时间总体上比对应电流上升时间约短7%。由于模拟回击脉冲波前时间较模拟M分量脉冲波前时间小2～3个数量级,近红外敏感型光电探测器输出波形中的畸变对拟合结果的影响可以忽略不计,所得两回归线的数据差异较小,回归线斜率几乎一致,均略小于1,表明光强波形上升时间较电流上升时间略短。

图8 模拟雷电流多分量组合波形10%～90%上升时间与同步通道光强度10%～90%上升时间关系

2.4 转移电荷量关联

图9为模拟雷电流多分量电荷转移量与通道光强度-时间积分的线性拟合关系图,其中转移的电荷量在0.51～2.93 C之间。由于回击脉冲持续时间较短,此处同样忽略近红外敏感型光电探测器观测到的回击波形畸变的影响。根据拟合结果可知,两种光电探测器对应光辐射强度-时间积分的相关系数较高,说明其对应光辐射强度-时间积分与模拟连续电流转移电荷量具有较强的线性关系。其中光强度B积分得到的拟合结果更好。试验结果与文献[33]报导的触发闪电回击在1 ms内传输到地面的电流转移电荷量与相对光强度对时间积分之间存在较强的线性相关性的结论较为一致,为通过光学观测反演雷电流转移电荷量提供了依据。值得注意的是,文献[33]中的电弧是自然界回击电流电弧,而本文是在实验室中产生的模拟雷电流多分量组合波形。

图9 模拟雷电流多分量组合波形转移电荷量与同步通道光强度-时间积分关系

3 结 论

通过搭建集中参数链式网络电路,产生与波形特征与自然界雷电流全过程非常相似的模拟雷电流多分量组合脉冲,提供了产生模拟雷电流多分量波形的新思路。采用电流传感器和两种不同的光电探测器,同步测量了3组电流,共3个模拟回击脉冲和15个模拟M分量脉冲与对应通道光强度,开展了多分量组合脉冲电流与通道光强度特征参数关系研究,所得结论如下:

1)电流和两种光电探测器输出的光强度的峰值以及脉冲峰值间均存在较为明显的线性关系;

2)光强度10%～90%上升时间与电流10%～90%上升时间之间也大致线性相关;

3)电流转移电荷量与光强度-时间积分间呈现较为明显的线性相关性;

4)近红外敏感型光电探测器观测到的光强波形能更好地跟随实测电流波形的变化,有望更准确地对放电转移电荷量进行反演。