單站式大氣電場儀探測距離分析

鄧海利等

摘要通過對電子設備防雷需求的計算，確定大氣電場儀應有的探測距離；通過對幾種情況下大氣電場的分析、計算，結合大氣電場儀的探測原理及探測公式，確定大氣電場儀的探測距離，并對其進行分析。通過對大氣電場儀探測距離和電子設備防雷需求的預警距離對比，得出單站式大氣電場儀應根據使用者的需求，降低探測距離，提高探測準確度。

關鍵詞單站式；大氣電場儀；防雷；探測距離；探測準確度

中圖分類號S16文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2015）21-222-03

雷電監測與預警系統在國外早已應用，如美國等建立國家雷電監測網（NLDN，National Lightning Detection Network），多種探測儀器相結合捕捉雷電信息，對雷電的監測取得了較好的成果[1-2]。我國自動雷電監測系統的建設始于20世紀80年代，目前已完成全國閃電定位網的建設[3]。山東省氣象局于2006年建成了雷電監測系統，根據時差定位原理，采用高精度授時型GPS定時，可以得到閃電每一個回擊的全部信息[4]。這是在大范圍內開展的雷電預警工作。大型企業利用單站式大氣電場儀，為企業內部提供精細化的雷電預警工作還沒有開展。根據具體需求情況，確定大氣電場儀的探測距離與預警時間是開展這項工作的技術基礎。筆者在此通過對大氣電場儀探測距離和電子設備防雷需求的預警距離對比，對單站式大氣電場儀探測距離進行分析。

1從電子設備防雷要求看探測距離

試驗證明，0.3 Gs的磁場強度可以造成微電子設備誤動作，0.75 Gs的電磁脈沖會出現假性損壞，2.4 Gs的電磁波沖擊能造成電子設備的元件擊穿[5]。所以，對于設備儀器穩定性要求較高的部門，設備所在地磁場強度不得高于0.3 Gs，也就是雷擊點到該設備應保持一定的距離，該距離能夠使電磁波傳送到設備時強度衰減到0.3 Gs之下。而提前預警的目的就是該距離之外若有雷擊將要發生，大氣電場儀能報警。

在理想狀態下，磁場強度公式為[6]：

H=i/2πSa（A/m） （1）

式中，i為雷電流（A）；Sa為雷擊點到所考慮點的距離。對于雷電流i有不同的表達式，Bruce等提出了雷電流的雙指數表達式將雷電流表示為[7]：

i（0，t）=0，t<0

I0η[exp（-αt-exp（-βt）]，t≥0 （2）

式中，常數α和β可由回擊通道電荷密度、回擊速度、先導電荷復合率等參數確定。

國際電工委員會（IEC）基于Heidlc模型和傳輸線模型定義了一個分析雷電流波形的解析表達式，稱為Heidle函數模型[8]。其表達式為：

i（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2） （3）

式中，I0為峰值電流；n為電流陡度因子；ks=t/τ1；τ1為波頭時間；τ2為波尾時間（GB50057-2010中稱為半值時間）；η為峰值電流修正系數，當n1、τ2/τ11時η≈1；ksn/（1+ksn）決定雷電流波形的上升部分；exp（-t/τ2）決定衰減部分。

在此選用Heidle函數模型，把公式（2）帶入公式（1），那么磁場強度為：

H（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2）/2πSa （4）

根據要求，設備所在地的磁場強度不得大于0.3 Gs，約為24 A/m，即Hmax<24 A/m。為確定雷擊點的距離，應當假設一個最大雷電流、確定波頭時間和半值時間等參數，GB50057-2010人為地給定了首次雷擊的雷電流參數（表1）。

那么，假定最大雷電流為100～200 kA，依據Hmax<24 A/m，經計算Sa應為664～1 327 m，即在不考慮地形、建筑物、屏蔽層、大氣氣溶膠等對電磁波傳播影響的理想狀態下，雷電流幅值為200 kA的情況下，雷擊點在1 327 m距離之外，對設備沒有影響，而大氣電場儀的探測距離應滿足這個要求。

3結語

為建立單站式小型雷電預警系統，需要使用大氣電場儀來探測雷雨云過境時的電場強度，從而確定是否在一定范圍內有發生雷擊放電的可能性。

對于地面大氣電場儀的使用，大部分部門都是通過其組網并結合雷達、閃電定位等資料進行雷電預警。通過該研究可以看出，單獨的企事業單位也可以利用單站式大氣電場儀對自身進行雷電預警。目前，大氣電場儀的探測距離一般為15～20 km[11]，1 327 m之外的雷擊放電對電子設備影響不大。所以，對于個體用戶來說不需要對如此遠距離的雷電進行預警。那么預警時可以根據自身設備或人員的防雷需求，調小預警范圍，增大傳感器輸出電流I，從而提高預警準確度。

安徽農業科學2015年

參考文獻

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