單站式大氣電場儀探測距離分析

鄧海利等

摘要通過對電子設(shè)備防雷需求的計算，確定大氣電場儀應(yīng)有的探測距離；通過對幾種情況下大氣電場的分析、計算，結(jié)合大氣電場儀的探測原理及探測公式，確定大氣電場儀的探測距離，并對其進行分析。通過對大氣電場儀探測距離和電子設(shè)備防雷需求的預(yù)警距離對比，得出單站式大氣電場儀應(yīng)根據(jù)使用者的需求，降低探測距離，提高探測準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞單站式；大氣電場儀；防雷；探測距離；探測準(zhǔn)確度

中圖分類號S16文獻標(biāo)識碼

A文章編號0517-6611（2015）21-222-03

雷電監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)在國外早已應(yīng)用，如美國等建立國家雷電監(jiān)測網(wǎng)（NLDN，National Lightning Detection Network），多種探測儀器相結(jié)合捕捉雷電信息，對雷電的監(jiān)測取得了較好的成果[1-2]。我國自動雷電監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，目前已完成全國閃電定位網(wǎng)的建設(shè)[3]。山東省氣象局于2006年建成了雷電監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)時差定位原理，采用高精度授時型GPS定時，可以得到閃電每一個回?fù)舻娜啃畔4]。這是在大范圍內(nèi)開展的雷電預(yù)警工作。大型企業(yè)利用單站式大氣電場儀，為企業(yè)內(nèi)部提供精細(xì)化的雷電預(yù)警工作還沒有開展。根據(jù)具體需求情況，確定大氣電場儀的探測距離與預(yù)警時間是開展這項工作的技術(shù)基礎(chǔ)。筆者在此通過對大氣電場儀探測距離和電子設(shè)備防雷需求的預(yù)警距離對比，對單站式大氣電場儀探測距離進行分析。

1從電子設(shè)備防雷要求看探測距離

試驗證明，0.3 Gs的磁場強度可以造成微電子設(shè)備誤動作，0.75 Gs的電磁脈沖會出現(xiàn)假性損壞，2.4 Gs的電磁波沖擊能造成電子設(shè)備的元件擊穿[5]。所以，對于設(shè)備儀器穩(wěn)定性要求較高的部門，設(shè)備所在地磁場強度不得高于0.3 Gs，也就是雷擊點到該設(shè)備應(yīng)保持一定的距離，該距離能夠使電磁波傳送到設(shè)備時強度衰減到0.3 Gs之下。而提前預(yù)警的目的就是該距離之外若有雷擊將要發(fā)生，大氣電場儀能報警。

在理想狀態(tài)下，磁場強度公式為[6]：

H=i/2πSa（A/m） （1）

式中，i為雷電流（A）；Sa為雷擊點到所考慮點的距離。對于雷電流i有不同的表達式，Bruce等提出了雷電流的雙指數(shù)表達式將雷電流表示為[7]：

i（0，t）=0，t<0

I0η[exp（-αt-exp（-βt）]，t≥0 （2）

式中，常數(shù)α和β可由回?fù)敉ǖ离姾擅芏?、回?fù)羲俣?、先?dǎo)電荷復(fù)合率等參數(shù)確定。

國際電工委員會（IEC）基于Heidlc模型和傳輸線模型定義了一個分析雷電流波形的解析表達式，稱為Heidle函數(shù)模型[8]。其表達式為：

i（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2） （3）

式中，I0為峰值電流；n為電流陡度因子；ks=t/τ1；τ1為波頭時間；τ2為波尾時間（GB50057-2010中稱為半值時間）；η為峰值電流修正系數(shù)，當(dāng)n1、τ2/τ11時η≈1；ksn/（1+ksn）決定雷電流波形的上升部分；exp（-t/τ2）決定衰減部分。

在此選用Heidle函數(shù)模型，把公式（2）帶入公式（1），那么磁場強度為：

H（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2）/2πSa （4）

根據(jù)要求，設(shè)備所在地的磁場強度不得大于0.3 Gs，約為24 A/m，即Hmax<24 A/m。為確定雷擊點的距離，應(yīng)當(dāng)假設(shè)一個最大雷電流、確定波頭時間和半值時間等參數(shù)，GB50057-2010人為地給定了首次雷擊的雷電流參數(shù)（表1）。

那么，假定最大雷電流為100～200 kA，依據(jù)Hmax<24 A/m，經(jīng)計算Sa應(yīng)為664～1 327 m，即在不考慮地形、建筑物、屏蔽層、大氣氣溶膠等對電磁波傳播影響的理想狀態(tài)下，雷電流幅值為200 kA的情況下，雷擊點在1 327 m距離之外，對設(shè)備沒有影響，而大氣電場儀的探測距離應(yīng)滿足這個要求。

3結(jié)語

為建立單站式小型雷電預(yù)警系統(tǒng)，需要使用大氣電場儀來探測雷雨云過境時的電場強度，從而確定是否在一定范圍內(nèi)有發(fā)生雷擊放電的可能性。

對于地面大氣電場儀的使用，大部分部門都是通過其組網(wǎng)并結(jié)合雷達、閃電定位等資料進行雷電預(yù)警。通過該研究可以看出，單獨的企事業(yè)單位也可以利用單站式大氣電場儀對自身進行雷電預(yù)警。目前，大氣電場儀的探測距離一般為15～20 km[11]，1 327 m之外的雷擊放電對電子設(shè)備影響不大。所以，對于個體用戶來說不需要對如此遠(yuǎn)距離的雷電進行預(yù)警。那么預(yù)警時可以根據(jù)自身設(shè)備或人員的防雷需求，調(diào)小預(yù)警范圍，增大傳感器輸出電流I，從而提高預(yù)警準(zhǔn)確度。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

參考文獻

[1]

CUMMINS K L，MURPHY M J，BARDO E A，et al.A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S .National lightning detect ion network [J].Geophys Res，1998，103（D8）： 9035-9044.

[2] JERAULD J，RAKOV V A，UMAN M A，et al.An evaluation of the performance characteristics of the U.S.National Lightning Detection Network in Florida using rockettriggered lighting [C].Helsinki： 18th Lightning Detection Conference，2004.

[3] 許小峰.雷電災(zāi)害與監(jiān)測預(yù)報[J].氣象，2004，12（30）：277-284.

[4] 張玉潔.山東省雷電監(jiān)測系統(tǒng)常見故障及解決方法[J].山東氣象，2008，28（4）： 40-42.

[5] 魏明，劉尚合，程景升.LEMP成因與特性[J].高電壓技術(shù)，2000，26（4）：28-30.

[6] 鄧海利，朱桂林，李華昭.PLC系統(tǒng)的防雷保護[J].山東氣象，2011，31（1）： 34-35.

[7] BRUCE C E R，GOLDE R H.The lightning discharge[J].J Instn Eleet Eng，1941，88（P2）：487-520.

[8] International eleetroteehnieal commission.IEC61312-1.Proteetionagainst 1ightning electromagnetic im pulse-Partl：General Prinei ple[S].Geneva，Switzerland，1995：23-107.

[9] 陳瑤.雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)-地面電場處理軟件的設(shè)計與閃電活動特點的分析[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.

[10] 羅福山，何渝暉，張鍵，等.新型倒裝式旋轉(zhuǎn)電場儀[J].空間科學(xué)學(xué)報，2004，24（6）： 470-473.

[11] 陳渭民.雷電學(xué)原理[M].2版.北京：氣象出版社，2003.