模擬雷云背景下的感應(yīng)電荷試驗(yàn)

任曉明，周 琴

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030）

模擬雷云背景下的感應(yīng)電荷試驗(yàn)

任曉明1，周 琴2

（1.上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200030）

為了能對雷云背景下的感應(yīng)電荷進(jìn)行研究，搭建了模擬雷云的試驗(yàn)平臺和研制了感應(yīng)電荷測試儀。模擬雷云的試驗(yàn)平臺由一個直徑φ3m的金屬圓盤構(gòu)成。通過對該金屬圓盤施加變化的電壓，模擬電場的快慢變化。在金屬圓盤上施加的直流電壓，通過瞬間斷電方式模擬電場的緩慢變化；在金屬圓盤上施加沖擊電壓模擬電場的快速變化。感應(yīng)電荷測試儀測量這兩種方式下的感應(yīng)電荷。試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的感應(yīng)電荷測試儀能夠?qū)崿F(xiàn)對模擬電場緩慢變化和快速變化的測量，該設(shè)備可以應(yīng)用于感應(yīng)電荷測試研究。

感應(yīng)電荷；模擬雷云；直流電壓；沖擊電壓

在天氣好的情況下，地球表面是一個比較穩(wěn)定的弱電場，故地面物體很少能測到電位差；地面電荷也根據(jù)地貌和地面物體均勻分布，即每個地方的表面電荷密度基本上相等。當(dāng)有雷云時，雷云產(chǎn)生正的垂直電場，大地表面會感應(yīng)到正電荷。當(dāng)這些電荷失去束縛時，就會對附近的設(shè)備造成危害。文獻(xiàn)［1－4］中研究了輸電線路雷擊感應(yīng)過電壓耦合機(jī)理及危害，文獻(xiàn)［5－7］中研究了雷電感應(yīng)對油罐的危害。自然界中雷電變幻莫測，隨機(jī)性大，不易測量，因此，實(shí)驗(yàn)室模擬雷電就成為重要的研究方法之一［8］。本文通過在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬雷云的試驗(yàn)平臺，研制感應(yīng)電荷測試儀測量電場快速變化和緩慢變化下的電荷量，進(jìn)而開展感應(yīng)電荷的研究。

1 感應(yīng)電荷測試儀

1.1 場強(qiáng)變化儀

一般認(rèn)為，雷暴云的電荷分布多數(shù)是正偶極結(jié)構(gòu)，即正電荷區(qū)在云上部，負(fù)電荷區(qū)在云下部（也有觀測表明，負(fù)電荷區(qū)以下還有一個小的正電荷區(qū)）。當(dāng)有雷暴云出現(xiàn)時，地面電場會發(fā)生劇烈的變化。圖1為場強(qiáng)變化儀的原理圖［9］。金屬感應(yīng)圓板連接到運(yùn)算放大器的反相輸入端，同相端接地，這使感應(yīng)板被維持到“虛地”狀態(tài)。電阻R和電容C跨接于運(yùn)算放大器的輸入和輸出端。在外界電場E的作用下，感應(yīng)板上會產(chǎn)生感應(yīng)電荷為

式中，A 為感應(yīng)板的面積；ε0＝8.85pF／m 為真空介電常數(shù)。

當(dāng)?shù)孛骐妶鲎兓瘯r，因感應(yīng)電荷Q變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電流i將會流過R和C，則

由于

則當(dāng)Δt?RC時，有變化電壓

式中，ΔE為變化的電場值。即運(yùn)算放大器的輸出與電場變化呈線性關(guān)系且極性相反。

圖1 場強(qiáng)變化儀原理圖Fig.1 Schematic of field strength change measurement

1.2 感應(yīng)電荷測試儀

由于本試驗(yàn)需要測量的是金屬圓盤的感應(yīng)電荷Q，故對該場強(qiáng)變化儀稍作修改，可直接測量感應(yīng)電荷的變化，如圖2所示。圖中，R和C并聯(lián)后一端與運(yùn)算放大器的反相端相接，另外一端接地，則運(yùn)算放大器輸出電壓U即為電容的電壓，感應(yīng)電荷為式中，C＝10.2nF，R＝500MΩ。運(yùn)放輸出的電壓需控制在±2V以內(nèi)。

圖2 感應(yīng)電荷測量儀原理圖Fig.2 Schematic of induction charge measurement

2 感應(yīng)電荷實(shí)驗(yàn)測試

2.1 雷暴云的模擬

本試驗(yàn)設(shè)計的雷云由一個直徑φ3m的金屬圓盤構(gòu)成。通過對該金屬板施加變化的電壓，進(jìn)而讓金屬圓盤感應(yīng)到電荷。產(chǎn)生變化的電壓采取了2種方式：① 對φ3m的金屬圓盤施加直流電壓，然后突然斷電；② 對金屬圓盤施加沖擊電壓［10－15］。

2.2 直流電壓瞬間斷電感應(yīng)電荷測試

圖3 直流電壓瞬間斷電的感應(yīng)電荷測試框圖Fig.3 Schematic diagram of induction charge measurement under instantaneous power

一般用整流設(shè)備來產(chǎn)生直流高壓，常用半波整流電路（見圖3中的左邊部分），其中R1為保護(hù)電阻。離地面高h(yuǎn)1處為φ3m的金屬圓盤，下面則是圓盤浮頂?shù)氖疽鈭D，兩個圓盤之間的距離為h2。由于運(yùn)放輸出電壓的限制，為了能夠盡可能測量得到數(shù)據(jù)，需要調(diào)節(jié)不同的電壓大小和金屬圓盤的高度。表1和圖4分別為直流電壓瞬間斷電時，感應(yīng)電荷測試的數(shù)據(jù)波形，由圖4可知，以直流電壓瞬間斷電的方式來產(chǎn)生感應(yīng)電荷Q的變化比較緩慢（上升到峰值需要的時間約為3s）。這說明直流電壓瞬間斷電能夠模擬電場緩慢變化的情況。

表1 直流電壓瞬間斷電時，感應(yīng)電荷測試的數(shù)據(jù)Tab.1 The induced charge test under instantaneous power

圖4 直流電壓瞬間斷電時感應(yīng)電荷測試波形Fig.4 Induction charge measurement waveform under transient power

2.3 施加沖擊電壓下的感應(yīng)電荷測試

對金屬圓盤施加沖擊電壓以模擬雷云，如圖5所示。本試驗(yàn)是在同一高度h1＝3.6m，h2＝3.3m，施加1.2／50μs沖擊電壓波。在施加沖擊電壓的同時，也可同時施加直流電壓，測試結(jié)果表明直流電壓對感應(yīng)電荷的測量值影響不大。圖6為沖擊電壓下的感應(yīng)電荷波形，該波形比較陡，上升到峰值的時間只是幾微秒，這主要是施加的沖擊電壓波形比較陡，能夠模擬電場快速變化的過程。而直流電壓瞬間斷電的方式由于人工方式斷電，變化不快，能夠模擬電場緩慢變化的過程。表2為沖擊電壓下的感應(yīng)電荷測試數(shù)據(jù)。

表2 沖擊電壓下的感應(yīng)電荷測試數(shù)據(jù)Tab.2 The induced charge test under impulse voltage

3 結(jié) 語

直流電壓瞬間斷電方式能夠模擬受雷暴云影響地面電場變化緩慢的過程，沖擊電壓方式則能夠模擬受雷暴云影響地面電場快速變化的過程。因此，模擬雷云背景下的感應(yīng)電荷測試能夠在一定程度上反映實(shí)際雷暴云的情況，為開展實(shí)驗(yàn)室雷電感應(yīng)試驗(yàn)研究提供一定的基礎(chǔ)。但由于受其測量范圍限制，研制的感應(yīng)電荷測試儀只能測量20nC的電荷量，測試過程中需要通過調(diào)節(jié)不同的電壓大小和金屬圓盤的高度才能滿足測量要求。

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Test of Induced Charge with Simulated Thundercloud Background

REN Xiaoming1，ZHOU Qin2
（1.School of Electrical Engineering，Shanghai Dianji University，Shanghai 200240，China；2.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China）

To study induced charge with simulated thundercloud background，a thundercloud simulation test platform has been built，and the induced charge tester developed.The test platform consists of a metal disk with a 3m diameter.Change of electric field can be simulated by applying changing voltages to the metal disk.Slow changes of the electric field can be simulated by applying instantaneous power－off of the DC voltage to the disk，while fast changes can be simulated by applying impulse voltages to the disk.The induced charge can be measured with the tester using these two methods.The results show that the induced charge tester can measure simulated fast and slow fields.Therefore the developed tester can be use in the study of induced charge.

induced charge；simulated thundercloud；DC voltage；impulse voltage

任曉明（1977－），男，高級工程師，博士，專業(yè)方向?yàn)楦唠妷簻y試技術(shù)及雷電防護(hù)，E－mail：rxm＿213＠163.com

TM 835

A

2095－0020（2012）03－0167－04

2012－05－03

上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（12ZR1411700）