雷电计数器误差分析及回击脉冲识别研究

陕
文章 编 号 ：１ ０ — ３ ４ （ ０ ２ ３ ０ ３ — ４ ０ ６ ４ ５ ２ １ ）０ — ０ １ ０
西 气
象
雷 电计 数 器误 差 分 析 及 回击 脉 冲识 别 研究
陈 洁 ，行 鸿 彦
（ ．南京 信息 工程 大 学大 气物理 学 院 ，南京 １ ２０ ４ ； １ ０ ４
度 的提 高及 人工 引雷 技术 的成熟 ， ９ ８年起 国内 １９ 外 研 究 者 陆 续 测 量 到 电 流峰 值 超 过 千 安 级 的 Ｍ 分 量脉 冲［ 珀 ，它 产生 的触发 计数 脉 冲是 现有计 １ ］
（ １ ｉ ）
对两 种脉 冲 的波头斜 率进 行计 算 ，计算 结果 如表 ２ ，计算 满足关 系式
回击脉 冲 波头 陡度 为 １ ． ７ ３ ４ Ａ／ ｓ Ｏ ７ ～１ ． ４ｋ ＃ ，
数 器信 号处 理 电路 无 法识别 的 ，如果设 计 中忽 略
了这种 脉 冲的影 响 ，就会导 致计 数结果 偏 高 。因
此 ， 效 区分 回击 脉 冲及峰 值较 大 的 Ｍ 分 量脉 冲 有
波陡 ａ 娄 头度： 计 数的关 键 。
３ 回击脉 冲特 征参量 研 究 ３ １ 回击脉 冲波形判 断方 法 ．
（） １９ ａ ９ ３年 北 京 地 面人 工 引发 雷 电流
（） １ ９ ｂ ９ ６年 江 西南 昌空 中 引 发 雷 电 流
图 ２ 不 同 地 区 连 续 电 流波 形
１ ３ Ｍ 分 量脉 冲 特 征 ．
注 ，是 防雷减灾 工作 中的研究 重点 。
２ 雷 电计 数 器 设 计 依 据 及 工 作 原 理
图 ５ 雷 电计 数 器 电路 框 图
表 １ 回击 脉 冲 与 Ｍ 分 量 脉 冲 电 流 参 量
电流 参 量
ｊ ／Ａ ｒ ｋ ｋ
Ｔ１ ～０ ／ｓ ｏ ９ ＃ ％
回 击 脉 冲 １ ． ９ １ ． ４ ０ ９ １４ ２ Ｏ ～ ６３ ． ～ ．
２ ３ 计 数 误 差 分 析 ．
一
致的。
图 ３ Ｍ 分 量 脉 冲 放 电 过 程
２ ２ 计数 器工 作原理 ．
根据这 种雷 电流波 形特 征设计 的计 数器 电路 地 闪雷 电流是 雷 电防护设计 中最 重要 的 电参
构成 如 图 ５ ，当雷 电流 流经放 电回路 或 引下 装置
量之一 ，在上述三种放电脉冲电流中由于回击电
量 放 电过程 ， 呈 现为一个 准对 称 的电流 脉冲波 。 它
雷 电计 数器 是一种 用 以记录传 输线 路或 设备 遭受 地 闪回击脉 冲冲击 次数 的在 线测量 仪器 ，通
常安 装在输 电线 避雷器 放 电 回路 或雷 电防护 系统 引下 装 置上 。现 有计 数器 Ｃ 采用 国际 电工委 员 会（ 简称 Ｉ Ｃ） 范 中推 荐 的双指数 型波 作为 回击 Ｅ 规 电流 脉冲 的典 型 波形 ， 图 ４ 这种 波形 广泛 用于 如 。
１ ２ 连 续 电流脉 冲特征 ．
多数 回击后 伴 随有连 续 电流放 电过程 ，发生 在 回击过 程后 的这 种脉 冲相对平 缓 ，电流 幅值几
十 到几百 Ａ， 续时 间为几 到几 百 ｍｓ 持 ，同时伴随
实 际 地 闪是 一个 包含 不 同类型 云对 地放 电 电 荷转移 的过 程 ，大致 分为 先 导一 回击过 程 、连续
口 丁 一 』 Ｌ） ０ ＝ ＝ ， ｔ
Ｕ 』 １
由于 回击过 程后 的连续 电流及叠 加在 连续 电 流过 程 中 Ｍ 分量 的 电流幅值 低于 ｏ 不会 对雷 电 ，
计 数器 计数 结果 造成 影响 ，现 有计数 器设 计 中并
未 考 虑这两 种 脉冲 电流 的干扰 。随着 测量 仪器 精
流特 征 的基 础上 ，探 讨计 数 器产生 计数 误差 的来 源 ，并 研 究有 效信 号 的识 别 方法 ，为设 计 高精度 的雷 电计 数器 提供 理论 指导 。
１ 实际地 闪电流 特征
次 回击雷 电流波形 总体 符合 Ｂ ｕ ｅ和 Ｇ ｄｅ提 出 ｒｃ ｏｌ
的双 指数 形式 ，波 头上升 陡度较 大 、波尾下 降较 缓慢 ，具 有典 型 的单 峰值 特征 。
收 稿 日期 ：２ １— ３ ２ ０２ ０— ０
作者简介 ：陈洁 （９ ２ ，女 ，西 安市人，汉族 ，在读硕士研究生 ，主要从 事雷电防护设计 。 １８ 一）
基金项 目：江苏省 “ 六大人才高峰”计划 ；江苏省高校科研成果产业化推进项 目 （ＨＢ ０１ ５ ；江苏省 ‘ Ｊ ２ １ —１ ） 传感
网与现代气象装备”优势学科平 台
陕
西
气
象
值为 ３ ０Ａ，持续 时 间为 ４ｍｓ ５ ，正 负连续 电流之 间 的时 间间隔为 ６ｍｓ 一般较 南方 人工触 发 闪电 。
而 言 ，北方人 工触发 闪 电要弱 得多 ，连续 电流强 度 也如 此 ，如 图 ２ 。
图 １ 编号 ００ ５ ３地 闪 中 两 次 回 击 电 流波 形
６是 一 次 编号 为 ０ ０ ９ ２的 负极 性 完 整 地 闪放 电过
程ｍ］ 包括 ４次 回击 过程 （ 和 ６次峰值千 ， Ｒ ～Ｒ ）
安 级 的 Ｍ 分量过程 （ ～Ｍ ， １是 ０ ０ Ｍ ）表 ９ ２号波
形 的 回击脉 冲和大 峰值 Ｍ 分量脉冲的 电流参量 。
图 ４ 双 指 数 型 雷 电流 波 形
２ １ 回 击 电流 波 形 选 取 ．
Ｍ 分 量 是 叠加 在 连 续 电流 上 的 脉 冲 放 电过
程 ，伴 随 的是 通道 内发光 亮度 瞬态增 强现 象 ，其
特 征 参 数 大 多 来 源 于 人 工 引 雷 实验 数 据 。赵 阳 等Ｃ 指 出约 ４ 的 地 闪 回击 过 程后 跟 随 有 Ｍ 分 ６ ］ ８
中图 分 类 号 ：Ｐ ２ ． ２ ４ ７ ３ 文 献 标 识 码 ：Ａ
雷 电计 数器 为评 估雷 电 防护装 置 的防护效 能 提供 了一种 直观 、可靠 的在线检 测手 段 ，它不 仅 为 电力 部 门 分 析 输 电线 路 事 故 原 因 提供 数 据 支
１ １ 回 击 电 流脉 冲 特 征 ．
正 地 闪和负 地 闪， 中 自然界 中 ９ 以上 的地 闪 其 Ｏ
为 负极性 ［ 。图 １给 出了张其 林在 山东 滨州 传统 ３ ］ 引发 雷 电 实验 中测 量 到 编号 ０ ０ ５ ３闪 电 中 的第 ２ 次 和第 ７次负极 性 回击 电流波形“ ， 以看 出 ， ］可 单
传感 器 的设计 ［ ，关 于 雷 电流模 型 选取 引起 的误 １ ］ 差却 很少 有深 入探 究 。本文 在分 析实 际地 闪雷 电
持 ，同时也 为相关 单位 优化 防雷 系统 设计 提供 科
学 依据 。准确 计数 是 实现这 些功 能 的基础 ，也 是 衡 量雷 电计数 器性 能 的重要 指标 ，因此 ，提高 计 数精 度一 直是 雷 电计数 器 的研究 重 点 。 目前 使 用 的雷 电 计 数 器 是 基 于 双 指 数 型 雷 电 流波 形 设 计 的 ，提 高这种 计数 器精 度 的研究 大 多集 中在信 号
Ｔ ｏｔｐ ｉｉ等 统 计 的 １ ９ ｈ ｔａ ｐｌｌ ｌ ９ ５年 前 实 验 数 据 中典 型 Ｍ 分 量 电流 峰值范 围在 １ ０ ０ ７ Ｏ ～２ ０Ａ［ ，平均 ］ 半 峰值 宽度为 数百 ｓ８ ［ ，如 图 ３ ］ 。
雷 电物理研究 及 电气工 程 防护设计 ，尽 管与 自然 界 中实际 的雷 电波形有 一定差 别 ，但 主要特 征是
电流 的脉 冲造成 的计 数 干扰 。ｊ ｏ一般 取 值 ６ ０ ｏ ～
７ Ｅ 。 ００ Ａ 。 。。 ＿
高 计 数器 门限 电 流值无 法 科 学 消除 Ｍ 分 量脉 冲
的影 响 ，还可 能造成 小 型 回击 脉 冲计数 的遗 失 。 雷 电流 陡度 是 指雷 电流在 单位时 间 内上升 的数值 ， 表示 雷 电流增长 的速 度 ， 由雷 电流 ｉ 对时 间ｔ 的微分求 得 ，一 般采用 ｋ ｔ 表示 ，其 平均 Ａ／ ｓ ￣ 上 升 陡度 ａ为
注 ： ｋ 电 流 峰值 ； ｏ～ 一 波 头 时 间 ； ｐ一 半 ， 一 丁ｌ ％ Ｔｈ
峰值时 间，数据参考文献 ［ ２１ ］ １—３ 。
较 Ｍ 分量 脉 冲而言 ， 回击 脉 冲具 有 电流峰值
大 、波头 上升 快及 脉冲持 续时 间短 的特点 ， 由于 回击 脉 冲电流 峰 值范 围几 ～几 百 ｋ Ａ，单 纯 的提
Ｍ 分量脉冲
３ ７～ ６ ９ １． ～ ７ ． ． ９ ．９ ２ ４ １７
基 于 电磁感 应原 理 的电流互 感器 用于计 数 器 的信号 采样 ，在 实际 运行 中各种 瞬态 脉 冲都可 能 通 过传 感器 输 出感应 信号 ， 产 生触发 计数 脉 冲 。 并 为 了避 免被 测量线 路 或设备 受操 作暂态 脉 冲 的影 响， 通过设 置 门 限电流值 ｏ 除幅值 明显 小于 雷 滤
２ ．南京信 息工程 大 学江 苏省 气象传 感 网技 术 工程 中心 ， 南京
摘
２０ ４） １ ０ ４
要 ：研 究 了实 际 地 闪 过 程 中 三 种 放 电 脉 冲 的形 成 机 理 及 电流 参 量 ，在 此 基 础 上 结 合 雷 电 计 数
器 工 作原 理 分 析 了计 数 误 差 的 来 源 ，指 出峰 值 较 大 的 Ｍ 分 量 脉 冲是 导 致 计 数 结 果 偏 高 的 主 要 原 因 。通 过 大量 的 自然 雷 电 及 人 工 引 雷 测 量 数 据 对 比研 究 ，提 出通 过 计 算 脉 冲波 头 陡 度 识 别 有 效 计 数 信 号 的 方 法 ，将 ｏ ８ｋ ｔ 为 判 断 脉 冲 类 型 的特 征 值 ，为研 制 能 够 测 量 具 有 科 学 意 义 计 数 结 ． Ａ／ｓ作 ￣ 果 的雷 电计 数 器 提 供 设 计依 据 。 关 键 词 ：误 差 分 析 ； 回击 脉 冲 ；Ｍ 分 量 脉 冲 ；波 头 陡 度
电流过 程 和 Ｍ 分量过 程 ［三类 。 究不 同形 式地 ２ 研
有通 道 内的持续 发 光现象 。张义军 Ｃ在石 岗及南 ｓ ］ 汇地 区 的人工触 发 闪电实 验 中测 量到 负连续 电流 峰值 为 ５ ０Ａ，持 续 时间 为 ８ｍｓ ０ ，正 连续 电流峰
闪脉 冲是 否会对 计数 结果 造成 影响 ，首 先应 对这 三种放 电脉 冲特 征进 行分 析 。
流的 幅值最大 、破 坏力 最强 ，受到 人们 的普遍 关
泄 人大地 时 ，传感器将 感 应到 的极性 有异 、峰值
较 大 的雷 电流 脉 冲信 号输 出为一 个较 小 的电压 电
陈
洁 等 ： 电 计 数 器 误 差 分 析 及 回击 脉 冲 识 别 研 究 雷
州进行 的人工 引雷实验获取 了大 量雷电流资料 ， 图
回击 是 由 不 同极 性 的 先导 纵 向移 动 而 激 发 的 ， 导在 雷云与 大地 之间建 立起 了放 电通道 ， 先 通 道 接地后 随之发生 的 回击过程 使云 地之 间的异 种 电荷 迅速 中 和 ，产 生峰值 达几 十 ～几 百 ｋ 的 回 Ａ 击 电 流 ，持 续时 间十几 ～几百 ｓ 。地 闪可 以分为
流信号 ，然 后经 限 幅整形 和极性 转换 电路 后产 生 ＿ 个波 形平 稳 、极性 恒定 的矩形 脉 冲 ，该 脉 冲可 二 以触 发计数 显示 电路 ，即计 数器 将每 感应 到一 个 电流 脉 冲计 数 一次 。
图 ６ 山 东 滨州 ０ ０ ９ ２号 地 闪 电 流 波形
ｌ Ｈ 整广 霸 计 ｉ样ｒｊ 冲 Ｈ ｌ Ｈ 信 Ｈ ｊ ＿及 形 判 采 ＋脉 数拳 显 —