模拟雷云背景下的感应电荷试验

任晓明，周 琴

（1.上海电机学院 电气学院，上海 200240；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030）

模拟雷云背景下的感应电荷试验

任晓明1，周 琴2

（1.上海电机学院 电气学院，上海 200240；2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院，上海 200030）

为了能对雷云背景下的感应电荷进行研究，搭建了模拟雷云的试验平台和研制了感应电荷测试仪。模拟雷云的试验平台由一个直径φ3m的金属圆盘构成。通过对该金属圆盘施加变化的电压，模拟电场的快慢变化。在金属圆盘上施加的直流电压，通过瞬间断电方式模拟电场的缓慢变化；在金属圆盘上施加冲击电压模拟电场的快速变化。感应电荷测试仪测量这两种方式下的感应电荷。试验结果表明，研制的感应电荷测试仪能够实现对模拟电场缓慢变化和快速变化的测量，该设备可以应用于感应电荷测试研究。

感应电荷；模拟雷云；直流电压；冲击电压

在天气好的情况下，地球表面是一个比较稳定的弱电场，故地面物体很少能测到电位差；地面电荷也根据地貌和地面物体均匀分布，即每个地方的表面电荷密度基本上相等。当有雷云时，雷云产生正的垂直电场，大地表面会感应到正电荷。当这些电荷失去束缚时，就会对附近的设备造成危害。文献［1－4］中研究了输电线路雷击感应过电压耦合机理及危害，文献［5－7］中研究了雷电感应对油罐的危害。自然界中雷电变幻莫测，随机性大，不易测量，因此，实验室模拟雷电就成为重要的研究方法之一［8］。本文通过在实验室搭建模拟雷云的试验平台，研制感应电荷测试仪测量电场快速变化和缓慢变化下的电荷量，进而开展感应电荷的研究。

1 感应电荷测试仪

1.1 场强变化仪

一般认为，雷暴云的电荷分布多数是正偶极结构，即正电荷区在云上部，负电荷区在云下部（也有观测表明，负电荷区以下还有一个小的正电荷区）。当有雷暴云出现时，地面电场会发生剧烈的变化。图1为场强变化仪的原理图［9］。金属感应圆板连接到运算放大器的反相输入端，同相端接地，这使感应板被维持到“虚地”状态。电阻R和电容C跨接于运算放大器的输入和输出端。在外界电场E的作用下，感应板上会产生感应电荷为

式中，A 为感应板的面积；ε0＝8.85pF／m 为真空介电常数。

当地面电场变化时，因感应电荷Q变化而产生的感应电流i将会流过R和C，则

由于

则当Δt≪RC时，有变化电压

式中，ΔE为变化的电场值。即运算放大器的输出与电场变化呈线性关系且极性相反。

图1 场强变化仪原理图Fig.1 Schematic of field strength change measurement

1.2 感应电荷测试仪

由于本试验需要测量的是金属圆盘的感应电荷Q，故对该场强变化仪稍作修改，可直接测量感应电荷的变化，如图2所示。图中，R和C并联后一端与运算放大器的反相端相接，另外一端接地，则运算放大器输出电压U即为电容的电压，感应电荷为式中，C＝10.2nF，R＝500MΩ。运放输出的电压需控制在±2V以内。

图2 感应电荷测量仪原理图Fig.2 Schematic of induction charge measurement

2 感应电荷实验测试

2.1 雷暴云的模拟

本试验设计的雷云由一个直径φ3m的金属圆盘构成。通过对该金属板施加变化的电压，进而让金属圆盘感应到电荷。产生变化的电压采取了2种方式：① 对φ3m的金属圆盘施加直流电压，然后突然断电；② 对金属圆盘施加冲击电压［10－15］。

2.2 直流电压瞬间断电感应电荷测试

图3 直流电压瞬间断电的感应电荷测试框图Fig.3 Schematic diagram of induction charge measurement under instantaneous power

一般用整流设备来产生直流高压，常用半波整流电路（见图3中的左边部分），其中R1为保护电阻。离地面高h1处为φ3m的金属圆盘，下面则是圆盘浮顶的示意图，两个圆盘之间的距离为h2。由于运放输出电压的限制，为了能够尽可能测量得到数据，需要调节不同的电压大小和金属圆盘的高度。表1和图4分别为直流电压瞬间断电时，感应电荷测试的数据波形，由图4可知，以直流电压瞬间断电的方式来产生感应电荷Q的变化比较缓慢（上升到峰值需要的时间约为3s）。这说明直流电压瞬间断电能够模拟电场缓慢变化的情况。

表1 直流电压瞬间断电时，感应电荷测试的数据Tab.1 The induced charge test under instantaneous power

图4 直流电压瞬间断电时感应电荷测试波形Fig.4 Induction charge measurement waveform under transient power

2.3 施加冲击电压下的感应电荷测试

对金属圆盘施加冲击电压以模拟雷云，如图5所示。本试验是在同一高度h1＝3.6m，h2＝3.3m，施加1.2／50μs冲击电压波。在施加冲击电压的同时，也可同时施加直流电压，测试结果表明直流电压对感应电荷的测量值影响不大。图6为冲击电压下的感应电荷波形，该波形比较陡，上升到峰值的时间只是几微秒，这主要是施加的冲击电压波形比较陡，能够模拟电场快速变化的过程。而直流电压瞬间断电的方式由于人工方式断电，变化不快，能够模拟电场缓慢变化的过程。表2为冲击电压下的感应电荷测试数据。

表2 冲击电压下的感应电荷测试数据Tab.2 The induced charge test under impulse voltage

3 结 语

直流电压瞬间断电方式能够模拟受雷暴云影响地面电场变化缓慢的过程，冲击电压方式则能够模拟受雷暴云影响地面电场快速变化的过程。因此，模拟雷云背景下的感应电荷测试能够在一定程度上反映实际雷暴云的情况，为开展实验室雷电感应试验研究提供一定的基础。但由于受其测量范围限制，研制的感应电荷测试仪只能测量20nC的电荷量，测试过程中需要通过调节不同的电压大小和金属圆盘的高度才能满足测量要求。

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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

任晓明（1977－），男，高级工程师，博士，专业方向为高电压测试技术及雷电防护，E－mail：rxm＿213＠163.com

TM 835

A

2095－0020（2012）03－0167－04

2012－05－03

上海市自然科学基金项目资助（12ZR1411700）