廣州高建筑物地閃水平磁場頻譜特征分析

曾陽斌,殷啟元,胡銳俊

( 廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心,廣東 廣州 510080)

1 引言

隨著城市的經(jīng)濟水平發(fā)展，為了提升城市的形象，高建筑物甚至是超高建筑物日益不斷的增多，使得雷電的強電磁脈沖對建構(gòu)筑物的影響也日益增加[1-4]。閃電對地放電過程可以等效為與大地垂直的電偶極子天線，對于不能直接用分流器或者安裝Rogowski線圈測量雷電流的，一般都會采用將磁天線放置于地面對地閃過程產(chǎn)生的水平磁場進行測量[7,8]。本研究在廣州高建筑物雷電觀測站(距離地面約80 m)架設(shè)一副正交環(huán)天線對珠江新城高建筑物群自然閃電地閃過程進行測量[5-7]。本文主要對2012年觀測結(jié)果頻譜特征進行分析，從而為雷電防護中雷電電磁脈沖侵入防護提供參考。

2 設(shè)備架設(shè)

本研究所用的磁天線是3個正交的磁環(huán)，如圖1所示。本文僅采集東西分量和南北分量2個磁環(huán)數(shù)據(jù)，2個正交磁環(huán)外部均采用鋁質(zhì)材料構(gòu)成的圓管狀矩形，利用環(huán)氧樹脂材料隔離開外導體，以免形成導電環(huán)路，確保內(nèi)部線圈對磁場信號的接收，內(nèi)部導線線圈采用75 Ω同軸電纜構(gòu)成[8-9]。

本文主要對珠江新城地區(qū)高建筑物群的自然閃電接閃過程進行觀測，距離觀測點較遠，2個正交磁環(huán)天線分別置于被觀測物的東西和南北方向，以便接收測點位置地閃過程所產(chǎn)生的磁場信號，根據(jù)兩正交磁環(huán)天線得到的磁場波形峰值，即地閃水平磁場東西分量和南北分量的峰值，可以實現(xiàn)對雷電發(fā)生位置定向測量，通過2個向量合成可以獲得接閃點處地閃水平磁場波形。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

①廣州高建筑物雷電觀測站的主要觀測設(shè)備包括閃電連接過程光學觀測系統(tǒng)(Lightning Attachment Process Observation System，簡稱LAPOS)、數(shù)字化高速攝像機、快慢電場變化儀以及磁場天線等聲、光、電、磁綜合觀測設(shè)備。本文采用的正交磁環(huán)天線環(huán)的面積為30 cm×30 cm，帶寬為100 Hz～0.5 MHz，輸出范圍為±10 V；采用DL750示波器同步采集存儲，采樣率是10 MHz，記錄長度為2 s，預觸發(fā)位置為40%。

圖1 2012年5月6日16時04分05秒實測的地閃水平磁場波形Fig.1 The horizontal magnetic field waveform of ground lightning on May 6, 2012 16∶04∶05

②本文主要分析地閃回擊過程磁場波形，觀測點位于廣州市城區(qū)高樓樓頂，周圍電磁環(huán)境較為復雜，對探測數(shù)據(jù)有一定影響。本文采用小波閾值去噪法和基礎(chǔ)噪聲歸零法。對比小波閾值軟去噪法和小波閾值硬去噪法發(fā)現(xiàn)，小波閾值軟去噪法處理后波形較為平滑，故選用該方法。圖2為F1245和F1206回擊時刻磁場合成波形去噪處理前后對比圖[13,14]。

圖2 F1248首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖(高度600 m，距離2 390 m)Fig.2 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1248(Height:600 m; Distance:2 390 m)

圖3 F1206首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖F1206(高度90 m，距離470 m)Fig.3 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1206(Height:90 m; Distance:470 m)

4 磁場頻譜分析

本文共分析4次多回擊地閃過程水平磁場頻譜特征[14]，即F1206，F(xiàn)1210，F(xiàn)1247，F(xiàn)1248，基本觀測信息見表1。4次地閃過程的每次回擊磁場能量分布見圖4。

表1 自然閃電基本觀測信息表Tab.1 The basic observation information table of lightning

圖4 地閃過程的回擊磁場能量分布圖Fig.4 Energy distribution diagram of return stroke magnetic field in ground lightning

F1206102～104F1210102～104F1247102～105F1248102～105199.6199.1199.981100297.1298.3299.5297.5398.7398.6399.73100497.3498.1499.8499.9599598.4598.65100698.26699.5699.97977799.2894.5994.91099.11198.61298.71397.11499

從圖4和表2可知，F(xiàn)1206和F1210的磁場能量主要集中在102～104 Hz內(nèi)，F(xiàn)1247和F1248的磁場能量主要集中在102～105 Hz內(nèi)。F1206和F1210接閃高度90 m和110 m，F(xiàn)1247和F1248接閃高度440 m，可推知接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。

5 結(jié)束語

①在廣州高建筑物雷電觀測站架設(shè)完成一套正交磁環(huán)天線，獲取到了珠江新城高建筑物群地閃水平磁場東西分量和南北分量。

②采用小波軟閾值去噪法和基礎(chǔ)噪聲歸零法對合成的地閃回擊過程磁場數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，較好地還原了接閃點雷電流磁場波形。

③根據(jù)對所統(tǒng)計的回擊過程磁場波形頻譜分析發(fā)現(xiàn)，接閃高度較低的磁場能量主要在102～104 Hz內(nèi)，接閃高度較高的磁場能量主要在102～105 Hz內(nèi)，故對地閃過程產(chǎn)生的強電磁場脈沖影響的屏蔽設(shè)計，應(yīng)著重考慮這一頻段,接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。