電弧形態對雷電流光輻射強度觀測的影響

周蜜， 趙偉翰， 秦鋒， 王建國， 范雅蓓， 蔡力， 樊亞東

(1.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072； 2.西北核技術研究所，陜西 西安 710024；3.強電磁脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024)

0 引 言

雷電是自然界一種長距離放電現象[1-2]，云對地閃電過程中產生的大電流、高溫和強電磁輻射等物理效應會對地面建筑、電力電子設備等造成嚴重威脅[3-6]。由于雷電本身的隨機性和不可預測性，直接測量雷電流較為困難?，F階段研究表明，雷電流放電過程中光輻射強度與雷電流之間存在密切聯系[7-9]，因此通常使用光學測量方法作為雷電流的間接測量手段。研究雷電流與其光強之間的聯系能夠了解雷電發展全過程[10-11]并建立電磁輻射計算模型[12-14]以進行相關防護措施研究[15-17]。

過去對雷電流光學特征觀測過程中，往往會觀測到光強波形產生一定程度畸變。如，在對自然閃電觀測的研究中[18-20]，Wang等[19]在自然雷電的通道亮度和通道底部電流的同步觀測中首次報道了“駝峰”現象，發現隨著電流不斷下降，光輻射強度信號呈現出一種上升趨勢，在后續衰減過程中達到第二個最大峰值。針對于人工觸發閃電觀測[21-25]，Zhou等[23]在1次閃電的7次回擊中，發現其中1次回擊對應的光強波形中存在一個不尋常的“凸起”，他們推測與回擊的不同分支有關。Quick等[24]在70次火箭觸發閃電的通道光強度波形中，發現某些光強在初始上升階段之后的衰減比對應電流的衰減更為迅速，而在后續衰減階段，光強波形出現“平臺”或“第二峰值”，對應電流則均勻減小，即不存在類似光強的“平臺”或“第二峰值”，他們推測這一現象與電弧通道冷卻有關。Carvalho等[25]總結了15次觸發雷電回擊過程的光學觀測結果，發現通道光強波形在首次峰值之后，緊接著出現第二次峰值，推測這一現象可能與回擊電流峰值后通道冷卻過程中相關譜線強度增加有關。通過在實驗室模擬雷電流進行通道光學觀測[26-29]，Lu等[28]發現，當觀測狹縫未能對準放電間隙時，光強波形中往往會出現“駝峰”。上述在自然界、人工觸發閃電及實驗室模擬試驗中，盡管都報道過通道光強度波形的畸變問題，但其成因至今沒有取得較為清晰的認識。

本文通過在高壓實驗室內模擬產生類似自然界兩種不同分量類型的雷電流，使用兩種具有不同光譜響應的光強探測系統，對電弧通道產生的光輻射強度進行同步測量，圍繞不同電極形狀和電極燒蝕產生的扭曲電弧，探究電弧形態對光輻射強度觀測的影響，以期對上述討論中存在的問題進行解釋。

1 試驗布置

使用實驗室電弧放電通道電流和光輻射強度同步觀測實驗平臺，對電流產生的通道光輻射進行觀測，試驗布置如圖1(a)和圖1(b)所示。沖擊電流發生器和連續電流發生器分別模擬產生類似自然界回擊和連續電流分量。兩種電流發生器均主要由交流試驗變壓器、整流器、電容器組、電感器組、觸發間隙和調波電阻組成，通過改變電流發生器的電路參數獲取期望的電流波形，這些電流波形由Pearson電流傳感器(Model 4418)進行測量，其輸出靈敏度為0.001 V/A，帶寬為1 Hz～1.2 MHz，最大測量電流峰值為500 kA，最大測量電流時間積分為75 A·s。

通道光輻射強度觀測系統由雪崩光電倍增管模塊、透射率為0.1%的中性密度濾光片、延伸管和可調節狹縫組成，狹縫寬度為0.5 mm，狹縫與放電間隙之間距離為110 cm，狹縫經嚴格校正對準放電中心。選取兩種光譜響應不同的光強觀測系統同時進行觀測，其中A型光強觀測系統帶寬為DC～50 MHz，響應峰值為600 nm、波長范圍為200～1 000 nm；B型光強觀測系統帶寬為DC～50 MHz，響應峰值為800 nm，波長范圍為400～1 000 nm。光強探測系統擺放以及光譜響應曲線如圖1(c)和圖1(d)所示。放電電極選取直徑為10 mm的圓柱形石墨棒電極。靜止相機采用長時間曝光的方法記錄每次放電時的電弧形態，曝光時間設置為10 s。

2 試驗現象分析

2.1 電極形狀與電弧形態

為探究試驗中電極端部形狀對光輻射強度觀測的影響，分別選用圓柱形平面石墨棒電極與曲面石墨電極進行試驗，如圖1(a)所示。輸入的電流波形為模擬回擊電流波形，幅值約為5.5 kA。

首先，使用平面電極作為放電電極，在保持試驗過程中參數設置等因素不變的情況下進行了多次重復性試驗。通過觀察靜止相機記錄的每次電弧形態，可以發現，電弧多呈現扭曲形態，示例見圖2，總體表現為在空間位置上沿石墨電極放電間隙四周擺動，相對于電極中軸線存在不同程度的偏移，即電弧通道不能保持相對穩定。從光電探測系統觀測的角度觀察，圖2(a)～圖2(i)中，電弧總體朝向光電探測系統的方位凸起，位于放電電極與光電探測器兩者之間；圖2(d)呈現出電弧通道總體沿順時針偏移，而圖2(i)則是總體表現為逆時針偏移的電弧通道。圖2(j)～圖2(l)中，電弧相對遠離光強探測系統，位于放電電極的后方，電弧形態同樣呈彎曲的弧形，電弧的部分發光區域被電極遮擋。對于不同的放電過程，電弧通道偏移兩電極中軸線的程度也各不相同。放電過程中，電弧并未在兩個電極之間的最短距離(或兩電極中軸線)處建立穩定的放電通道，而是在平面電極的邊沿處率先產生，并在遠離電極中軸線處拉長，總體呈現出圍繞石墨電極四周游動的現象，這是由于圓柱形平面電極上下平面邊沿為電場激增處，放電更容易在平面電極邊沿處率先起始。當平面電極表面相對越平整、越光滑，施加電壓后兩電極平面之間形成的電場越對稱，電弧在邊沿處產生的位置也相應更為隨機。

保持通道注入的模擬回擊電流不變，如圖3(a)所示，觀測到光輻射強度波形存在較大差異，大致可以歸為以下兩類：正常波形和畸變波形。當光輻射強度波形為正常波形時，如圖3(b)，類似文獻[27]所報道的，首先經歷一個快速上升階段達到峰值，隨后幅值快速下降而后進入緩慢衰減階段。當光輻射強度波形為畸變波形時，如圖3(c)，觀測到的結果中出現明顯“駝峰”現象，并產生幅值的變化。值得注意的是，由于兩種光電探測器的光譜響應有所區別，觀測到的波形之間也有差異。A型光電探測器觀測到的“駝峰”現象出現在峰值過后的快速衰減階段，而B型光電探測器在波形的上升階段觀測到了“駝峰”。兩種不同型號的光電探測器同時觀測到波形發生畸變，說明光輻射強度畸變波形與所觀測的電弧本身發光情況有關。

圖1 試驗布置與概況Fig.1 Experiment setup and overview

圖2 平面電極對應的模擬回擊電流電弧形態Fig.2 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the planar electrode

結合平面電極產生的多種電弧形態，當電弧通道主要位于平面電極中心軸線處附近時，觀測到的光輻射強度波形多表現為正常波形，幅值較高；當電弧通道出現明顯扭曲或位于相對遠離光強觀測系統的電極側后方時，觀測到的光輻射強度波形極易發生畸變，具體表現為產生“駝峰”且光強幅值存在一定程度的降低。隨后，使用曲面石墨電極作為放電電極，兩電極之間的電場均勻程度有所增加，間隙之間電場分布更加均勻對稱。靜止相機增添灰度濾光片以便于更加清楚確定電弧通道的形態，同時降低環境光干擾。重復試驗后觀察電弧形態，示例如圖4。相較圓柱形平面電極放電時電弧的扭曲和四周飄動，當電極端部為曲面時，電弧雖然存在細微的彎曲，但大體上總是沿著上下兩電極中軸線在尖端之間最短處建立放電通道，電弧總體是筆直的，且相對于中軸線對稱。兩種光強觀測系統同步觀測到的光輻射強度波形畸變率也相應大幅減小。因此，平面電極相較于曲面電極更容易產生扭曲的電弧，對應觀測到的光輻射強度波形往往也會出現一定的畸變，如出現“駝峰”或峰值減小。

圖4 模擬回擊電流對應曲面電極對應的電弧形態Fig.4 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the curved electrode

2.2 電極燒蝕與電弧形態

為探究電弧放電過程中石墨表面的不同燒蝕程度對電弧形態的影響，本文還采用相較于模擬回擊電流持續時間更長、電荷轉移量更大的模擬連續電流作為輸入，進一步研究不同電弧形態與光輻射強度觀測結果之間的聯系。試驗采用圓柱形曲面石墨電極，表面對稱且光滑。

在保持試驗布置的基礎上進行多次重復性放電試驗。圖5和圖6分別展示了前幾次放電對應的電弧形態和經歷多次試驗后放電對應的電弧形態。在前幾次放電試驗中，電弧發光區域主要分布在曲面電極的間隙之間，電弧通道自下而上逐漸變寬，呈倒三角形，發光區域較?。浑S著試驗次數逐漸累積，可以明顯觀察到放電電弧逐漸向尾部逐漸延伸擴張，出現較長的“拖尾”，發光區域明顯增大。圖7(a)所示為每次放電注入的模擬連續電流波形。根據光強觀測系統的觀測結果可知，前幾次放電試驗中，模擬連續電流對電極表面影響程度較小，光輻射強度能夠較好地跟隨電流波形，如圖7(b)所示；隨著累計放電次數的增加，光輻射強度的波形出現明顯的畸變現象(圖7(c))，具體表現為兩種光強波形在中部平坦期出現向下凹陷，與圖7(b)中光強波形存在較大差異。

圖5 模擬連續電流對應電極燒蝕前期電弧形態Fig.5 Arc channels in the early stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

圖6 模擬連續電流對應電極燒蝕后期電弧形態Fig.6 Arc channels in the late stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

由于連續電流持續時間較長，電流電弧產生時的大量焦耳熱對石墨放電處表面灼燒，以至于多次重復試驗中電弧形態難以保持穩定。每次放電之后電極表面出現一定程度的燒蝕痕跡，如圖8所示，左側為電弧頭部電極，右側為電弧尾部電極，電極表面燒蝕痕跡與圖6中電弧形態相吻合；隨著放電次數的逐漸增多，電弧總會在表面燒蝕區域繼續建立新的通道，燒蝕區域則是沿電弧通道的延伸不斷增大、燒蝕深度增加，燒蝕的嚴重程度與每次放電時電流波形參數(如電流幅值、電流持續時間等)以及累積放電次數密切相關。電極燒蝕會影響電弧形態進而對光輻射強度波形造成影響，導致觀測到的光輻射強度結果存在一定的偏差。

圖7 模擬連續電流與光強同步波形Fig.7 Synchronous waveforms of current and luminosity corresponding to the simulated continuing current

圖8 模擬連續電流對應電極燒蝕情況Fig.8 Electrode ablation corresponding to the simulated continuing current

3 討 論

本文圍繞電極形狀和電極燒蝕，比較了正常電弧和扭曲電弧與其分別對應的光輻射強度波形。結果表明，電弧形態的扭曲會引起對應光強度出現畸變，而正常形態的電弧幾乎不會出現此現象。

Quick等[24]與Carvalho等[25]認為，這種畸變現象可能與相關譜線的變化有關，而在對自然界雷電觀測相關研究中，觀測到光輻射強度畸變并非總是存在于每次光學觀測之中。依照本文觀測結果推測，當電弧無法保持在電極中軸線處穩定放電、電弧形態發生劇烈變化時，相應光輻射強度波形容易發生畸變，產生“駝峰”。光強觀測系統本身是對通道電弧的光輻射強度進行觀測并保持與通道間隙中心絕對水平且嚴格對準的觀測角度，如果電弧相較于光強觀測系統觀測方位出現位置上的偏移，則會很大程度上影響最后的觀測結果。以平面電極放電為例，由于電極形狀導致電場分布不均勻，放電時電弧在兩電極邊沿隨機建立曲線放電通道。當電弧出現在相對光強觀測系統探頭狹縫較遠的側后方時，電弧通道發展過程中會經歷先遠離光強觀測系統隨后靠近探測器的階段，完整電弧通道中不同位置相對光強觀測系統之間的距離也會出現差異。因此在放電電弧通道發展過程中，光輻射自產生至抵達光強觀測系統狹縫的時間也會存在細微的變化。由于觀測對象本身的空間形態扭曲引起光輻射強度波形出現波動起伏，產生了“駝峰”等現象，觀測到的光輻射強度幅值同樣會由于側后方的電弧距離較遠而有所降低。當電弧能夠在固定通道穩定產生時，波形的畸變率大大下降，光輻射強度與電流之間的對應關系較為理想。

自然界閃電和實驗室模擬閃電研究觀測到的畸變波形與本文闡述的電弧形態帶來的影響密切相關。自然界閃電放電過程中，放電通道電弧并非一條直線，其空間形態相對于地面閃電光學觀測系統較為彎曲，觀察光輻射強度波形時出現“駝峰”與本文中實驗室觀測模擬雷電電弧時由于電弧形態不固定導致的“駝峰”現象較為相似。

本文利用靜止相機對試驗中產生的電弧進行記錄，所得照片為多幀疊加后的電弧形態。后續研究將采用高速相機觀測每次放電過程中電弧形態隨時間的變化，進一步探究電弧形態與光輻射強度觀測之間的聯系。

4 結 論

本文通過實驗室產生模擬回擊和連續電流探究電弧形態對光輻射強度波形觀測的影響，分析了電極形狀和電極表面燒蝕與電弧形態之間的聯系。結果表明，平面電極相較于曲面電極更容易產生扭曲的電弧形態，重復放電過程中導致的電極表面燒蝕同樣會導致電弧形態發生扭曲。光輻射強度波形中的“駝峰”現象與電弧形態有關，電弧形態的扭曲與光學觀測中光強波形畸變之間存在緊密聯系。