雷电流光强响应特性研究

作     者：裴立献 

作者单位：武汉大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王建国

授予年度：2017年

学科分类：0808[工学-电气工程] 080803[工学-高电压与绝缘技术] 08[工学] 

主      题：雷电 光学测量 波前 半峰宽 延迟 距离 

摘      要：雷电是自然界壮观的放电现象,雷电放电弧道长、电流幅度大、电磁场强度大,对于建构筑物及工业系统安全构成巨大的威胁。由于雷电发生时间地点的随机性,闪电通道雷电流的直接测量仍很困难,目前主要采用基于电磁原理的测量方法。光学信号反映了雷电通道内的热力环境,实现基于光强信号的雷电流的测量将为雷电通道电流的测量提供有效的观测手段。本文建立了一套基于光电探测器的雷电流光学响应测量系统,在实验室内通过冲击电流发生器产生雷电冲击电流,在石墨间隙和不锈钢间隙两种电极型式冲击放电情况下,测量了放电过程中间隙电弧辐射的光强,并同步测量冲击电流,研究雷电流与发光强度之间的关系,研究冲击电流波形变化以及光学探测距离变化对光强及与电流特征量的影响。主要研究结果如下:在石墨间隙下,光强峰值对电流峰值的平方有很高的相关性,30/80μs、8/20μs和10/350μs的下相关系数分别为0.9983、0.9998和0.9997。光强峰值与距离的关系近似和自然常数的负2.7次方线性相关。光波前时间和半峰值时间不随距离发生明显的变化。在石墨间隙下,30/80μs三个峰值延迟时间平均值分别为0.25、5.49和10.62μs。10/350μs延迟时间平均值为0.757μs。在不锈钢间隙下,光强峰值对电流峰值的平方也有很高的相关性,30/80μs、8/20μs、4/10μs下的相关系数分布为0.9988、0.9993和0.9986。雷电流信号与光强信号的10-90%波前时间、半峰值时间与电流幅值相关性不大。光强信号幅值近似与以自然常数为底,以距离的负2.7次方为指数的函数成正比变化。光强信号波前时间和半峰值时间随距离变化不大。在不锈钢间隙下,30/80μs、8/20μs和4/10μs光强信号延迟时间平均值分别为10.43μs、0.88μs和0.32μs。雷电流的波前时间在4.1μs～50.0μs之间时,雷电流和对应光强的波前时间呈线性关系,且与雷电流幅值、狭缝到不锈钢间隙的距离无关。雷电流的半峰值时间在10.1μs～110.5μs之间时,光强信号的半峰宽时间与雷电流的半峰宽时间有线性关系,且与雷电流的幅值、狭缝到不锈钢间隙的距离无关。石墨间隙下,10/350μs雷电流和光强信号幅值拟合曲线的斜率为0.0013,大于30/80μs和8/20μs信号的拟合斜率。不锈钢间隙下30/80μs波形、8/20μs波形和4/10μs波形,三个拟合曲线的斜率分别为0.0078、0.0063和0.0080,斜率比较一致,且明显大于石墨间隙的拟合斜率。以上结果揭示了实验室冲击电流间隙放电产生的雷电流和光强信号有很好的时域响应波形同步性,本文建立的测量系统得到的光强信号能够反映雷电流的幅度变化、波形参数和波形时域变化,得到了较为系统的定量结果,为雷电流光强测量方法的发展提供了技术支撑。