差分式雷电电磁脉冲水平电场仪试验研究

周璧华 徐 云 何 伟 马洪亮 丁雅菲

（解放军理工大学 电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，江苏 南京210007）

引 言

地闪回击电流产生的水平电场会对地面附近沿水平方向敷设的电力线、通信线产生较强的耦合，从而在所接设备端口处形成过电压、过电流，造成设备的损坏。在大地电导率比较低的情况下，地面附近距雷电流较近处的水平电场其强度尽管比垂直电场低很多，但仍然很高，不能忽视［1］。

关于地闪回击雷电电磁脉冲（LEMP）水平电场的测量问题［2－6］，目前能查阅到的文献极少，主要原因在于测量地面附近水平电场过程中，峰值较高的垂直电场分量形成的干扰难以排除。特别是在测量地闪远区辐射场时，垂直电场的峰值远远大于水平电场，以至水平电场探头在加工精度或安装工艺方面的很小偏差都可能导致水平电场测量的失败［2］。在前人所进行的水平电场测量实验中，Thomson等曾于1984年采用三维球面天线电场测量系统［4］，同时测得27次闪击共42次回击中水平电场两个正交分量和垂直电场的波形，信号采集长度达200μs.该球形探头加工精度要求很高，此后的二十多年以来，未见类似的测量应用成果，可能与此有关。文献［5］中Mosaddeghi所采用的有源球形水平电场传感器（TSN 245－E30，Thomson CSF 1kHz～150MHz）用于测量固定方向的水平电场，仅是一维的，不能用于测量来自任意方向的二维水平电场。同样，文献［6］中Michishita等研制的地闪LEMP远区水平电场探头也只能测量水平电场一个方向的分量。

本文为测量地闪LEMP水平电场，新近研制成功的水平电场仪有源探头采用二维差分结构，内置光发射机，将测得的电信号转变为光信号，通过全介质光缆传输至系统的后置采集、显示和记录设备，可避免传输过程中的电磁干扰。电场仪的带宽为10 Hz～89MHz，能满足LEMP测量带宽的需求。

1 差分式LEMP水平电场仪简介

1.1 LEMP水平电场仪结构及系统设计

如图1所示，电场仪采用二维差分结构，天线由两对金属铜圆板制成，直径为5cm，安装于体积为9×9×10cm3的铝盒上。测量时将电场仪置于地面上的塑料防水箱内。

图1 闪电水平电场测量仪外形图

电场仪测量系统配置如图2所示。

图2中天线接收的信号传输至铝盒屏蔽壳体内的调理电路，将信号转化为电压信号，之后再转化为光信号，通过光隔离信号传输系统将测量信号传输至系统的终端设备。

图2 差分式LEMP电场仪系统配置图

1.2 差分测量原理及附加定向功能

闪电是一种随机的自然现象，目前还无法准确测量其雷击点位置。在自然雷电条件下，当采用一维电场仪测量LEMP水平电场波形时，将无法确定其波形的峰值，甚至测不到信号，故一般情况下采用一维传感器测量LEMP水平电场是不可行的。为解决这一问题，本文设计制作了两对正交的圆形平板天线，形成差分结构。这样不仅可通过测量水平电场信号的两个正交分量，经向量合成获得来自任意方向地闪回击电流产生的水平电场，同时还能实现对闪电放电通道的定向。

作为天线的圆形金属板接入电路后，与电场仪屏蔽壳体之间的电容设为c.当所处环境中水平电场变化量为ΔE，单个金属圆板感应电压变化量ΔU1满足下式

由于电场仪采用差分结构，则每组天线感应电压变化量应为ΔU＝2ΔU1.设两组天线测得的电压变化量分别为ΔUx和ΔUy时，于是，通过矢量合成即可得出取决于放电电流的总的电压变化量ΔU

闪电通道与电场仪天线轴向的夹角Φ则可由下式给出

2 实验研究

2.1 闪电放电通道模拟实验设置

为了在已知模拟雷电流极性的条件下，通过电场仪的两路输出极性组合及峰值比来判断闪电方向，设计了以下的闪电通道模拟实验。实验的整体布局如图3所示，在8m高的楼顶和大地之间架设了一根垂直于地面的粗导线，其下端通过接地体良好接地，上端接PrimaSUG 61005B型雷击浪涌发生器，以产生瞬变电流，模拟地闪放电通道。在导线上，套上标准的Rogowski线圈用以测量模拟闪电通道中的电流波形。同时以该垂直导线为轴，在地面相对于模拟放电通道不同角度上10m径向距离处放置所研制的水平电场仪。并通过光隔离系统将测得的信号传输至控制室内的显示、记录设备。

图3 闪电通道模拟实验布局示意图

2.2 对放电通道定向功能的模拟实验

Rogowski线圈测得的放电通道电流归一化波形如图4所示。图中显示的电流波形为负极性。

为获得电场仪的定向特性，将电场仪两组天线中轴线的交点设为直角坐标系原点，建立平面直角坐标系，来自模拟闪电通道的入射波可从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区即四个象限入射，当模拟闪电通道辐射的脉冲波分别从与x轴、y轴正向或负向成45°角的四个方向入射时，电场仪的输出波形如图5所示。

图4 归一化电流波形

由图5可见，当模拟闪电通道分别处于Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区中时，两组天线接收的脉冲信号极性呈现不同的组合；同时从图中可以看出，两组天线输出的电压比值约为1，由式（1）可算出来波方向与x轴、y轴正向或负向之间的夹角约为45°.可见，根据本电场仪两对天线测量结果，不仅可得出LEMP水平电场的合成波形，而且可确定雷电流的方向。

3 实测结果

3.1 实测结果对电场仪差分功能的验证

本文研制的电场仪（编号设为1）采用差分结构进行测量，可消除共模干扰，提高测量数据的信噪比。为了验证差分结构的抗干扰效果，另外制作了一个电场仪（编号设为2）。对电场仪的A组天线（任意一组对称天线）取消其接收电路的差分设置，令A组两天线获得的波形数据从不同的光发射机输出。为使所测数据具有可比性，将两副电场仪置于一个六层楼的楼顶的同一位置上用于对自然雷电产生的LEMP水平电场进行实际测量。

图6为2011年8月22日一次地闪的实测波形。图6（a）和图6（b）为2号电场仪A组天线分别测得的未经差分处理的波形，图6（c）为1号电场仪A组天线输出波形，图6（d）为图6（a）和图6（b）两波形数据进行差分计算获得的归一化波形与1号电场仪A组天线测得的归一化波形对比情况。对比图6（a）、图6（b）和图6（c）可以看出：2号电场仪因为没有引进差分模块，两天线测得的波形中出现了明显的共模干扰，波形严重畸变。具体表现为图6（a）幅度很小且出现较大的负向输出，与图6（a）相比，图6（b）峰值较高，波形后部变化变缓，整体波形变宽并失真。图6（d）中的两个波形一为差分电路输出，另一由差分计算处理得出，二者的差异就比较小了。可见，共模干扰对于水平电场的测量会造成极大影响；采用差分结构的电场仪可以消除共模干扰。由1号电场仪A和B两组差分结构天线获得的合成波形见图6（f）.

3.2 电场仪定向功能的实现

一同置于6楼测试平台上的垂直电场仪所测波形显示，这是一次负地闪的首次回击，与2.2节中对放电通道定向功能的模拟实验中所采用的电流源方向一致。图6（e）为1号电场仪的B组天线的输出波形，两个正交天线测到的波形极性为A组正、B组负，根据闪电放电通道模拟实验得出的判定准则，此次地闪放电通道位于“Ⅱ区”，即西北方向。由式（3）可算得：Φ＝tan（ΔUxm/ΔUym）＝tg－1（0.75）＝36.8°＋90°＝128.6°.表明放电通道产生的水平电场的极化方向与东西方向的夹角为128.6°.

4 结 论

本文研制成功的差分式LEMP水平电场仪，在对LEMP水平电场的实际测量中显示了以下优良性能：

1）所设计制作的电场传感器差分结构有效地消除了共模干扰的影响，达到预期的测量效果；

2）基于实验室条件下通过模拟实验获得的本测量传感器对雷电流不同极性的响应，可较好地实现对地闪放电通道的定向。

［1］YANG C S，ZHOU B H.Calculation methods of electromagnetic fields very close to lightning［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，2004，46（1）：133－141.

［2］MIKI M，RAKOV V A，RAMBO K J，et al.Electric fields near triggered lightning channels measured with pockels sensors［J］.J Geophys Res，2002，107（D16）：4277.

［3］BARBOSA C F，PAULINO J O S，DE MIRANDA G C，et al.J O S P.Measured and modeled horizontal electric field from rocket triggered lightning［J］.IEEE Trans Electromagn Compat，2008，50（4）：913－920.

［4］THOMSON E M，MEDELIUS P J，UMAN M A，et al.A remote sensor for the three components of transient electric field［J］.Electromagn Compat，1988，35（3）：426－433.

［5］MOSADDEGHI A，SHOORY A，RACHIDI F，et al.Lightning electromagnetic fields at very close distance associated with lightning strikes to the Gaisberg tower［J］.J Geophys Res，2010，115：D17101.

［6］MICHISHITA K，ISHII M，HOJO J I，et al.Measurement of horizontal electric elds associated with distant cloud－to－ground strokes［J］.J Geophys Res，1996，101（D2）：3861－3867.