闪电是一种自然放电现象，通常具有大电流、快变化的放电特征，会产生高达数万安培的电流脉冲，是电力系统安全防护的重要威胁之一。自然闪电的强随机性导致其观测效率较低，而火箭引雷技术能够在指定的时间和地点进行引雷，能够集中多种测量手段对其进行详细观测。2019年夏季，武汉大学团队在广东开展了引雷至架空线路和引雷至地面两种工况下的人工引雷试验，对两种工况下雷电产生的不同距离磁场波形参数进行了测量和对比。

研究背景

闪电会引发大峰值电流、高功率、高温、电磁辐射和冲击波等物理效应，严重干扰电子和电气设备的正常工作，甚至导致设备严重损坏。我国输配电线路每年遭受雷击高达35万余次，输电线路雷击跳闸次数约占总跳闸数的50%，雷击故障一直是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，获取真实的闪电参数对电力系统雷电防护具有重要意义。

自然闪电的发生存在着很大的随机性，对自然闪电观测的难度与时间成本很大。人工引雷是一种最接近自然雷电的模拟方法，可以在预定的时间和地点产生雷电，以便进行雷电放电参数、雷电物理特性和电磁辐射效应的研究，以及防雷设备的检验。

论文所解决的问题及意义

目前积累的雷电观测数据绝大部分都来自直击地面的闪电，也就是说目前电力系统雷电防护测试数据主要参考的是闪电直击地面的情况。许多研究已经表明被击物体的属性会影响雷电的参数。对电力系统而言，雷电防护的对象主要是架空输配电线路，架空线路是否会影响雷电的参数是一个值得关注的问题。

进行引雷至架空线路和引雷至地面两种引雷试验并分析两种情况下雷电参数的异同，既可以积累真实的雷击线路的雷电观测数据，又可以明晰架空线路对雷电参数的影响，这对电力系统雷电防护有重要意义。

论文方法及创新点

1、人工引雷试验

图1 人工引雷试验现场示意图

如图1所示，进行了两种方式的人工引雷试验，一种是引雷至10kV架空线路，一种是引雷至地面。架空线路的塔距为70m，高度为10m，总长度为1.5km，共包含22基杆塔。当引雷至架空线路时，雷电流由引流杆和导线引入架空线路的C相。当引雷至地面时，雷电流经由引流杆直接流入土壤。设置了三个观测点用于测量闪电产生的不同距离的磁场波形。

2、回击磁场波形参数的定义

图2 典型近距离回击磁场波形及参数定义

针对回击磁场波形，定义了5个波形参数：总磁感应强度峰值BT、先导磁感应强度峰值BL、回击磁感应强度峰值BRS、10%-90%上升时间T10-90、半宽时间THPW。不同于以往研究，本文将磁场峰值更细致地划分为先导阶段和回击阶段两部分。从图2中可以发现磁场波形的前沿部分由变化速率不同的两段组成，结合电流波形，可以推定变化较慢的部分对应先导过程，变化较快的对应回击过程。

3、两种工况下回击磁场参数的对比

图3 两种工况下观测点3磁场数据分布对比

引雷至线路情况下回击磁场的幅值比引雷至地面情况下的偏低，数据点的分布更靠下。如果将电流统一折算到15kA，那么种偏低的现象会更加明显，引雷至线路情况下比引雷至地面情况下约低27.8%。引雷至线路情况下的10%-90%上升时间和半宽时间显著高于引雷至地面情况下。

磁场特征参数的差异可能与雷击架空线路的电流上升时间较大有关，这种增加效应很可能是由于雷电流在引雷至线路时雷电流遇到的较大的线路特征阻抗（数百欧姆）造成的。

4、回击磁场幅值与电流幅值间的关系

图4 两种工况下回击磁场幅值与电流幅值的拟合分析

闪电通道的高度通常处于千米量级，因此在近距离情况下（18～130m）磁场是以感应场为主导，如果忽略辐射场分量，就可以将其视为无线长载流直导线附近的磁场计算，也就是说，近距离磁感应强度峰值与电流峰值之间呈现线性关系。由于1550m和1600m与闪电通道的高度处于同一量级，在该距离下，磁场的辐射场分量不可忽略，因此电流峰值与磁感应强度峰值之间不再是单纯的线性关系。

结论

本文对比分析了引雷至架空线路与引雷至地面近距离磁场波形参数的异同。大多数磁场参数都呈明显的对数正态分布，引雷至线路情况下磁场幅值更低，约低27.8%，引雷至线路情况下磁场10%-90%上升时间和半宽时间更大，分别高出约60%和70%。

两种引雷情况下，不同距离下的总磁感应强度峰值与回击电流峰值之间存在线性关系，18m~130m的线性拟合效果要优于1550m和1600m处的拟合效果，这是由于18m~130m处磁场主要只受感应场分量作用，而1550m和1600m处的辐射场分量影响不可忽略。

团队介绍

蔡力，武汉大学电气与自动化学院教授、博士生导师、院长助理。2008年和2013年分别于武汉大学获得学士和博士学位。长期从事雷电物理、雷电探测与雷电防护等方面的研究工作，主持国家自然基金、GF基础科研、国家电网公司、南方电网公司科技项目10余项。以第一作者及通讯作者发表SCI/EI论文100余篇，其中SCI论文60余篇。授权专利25项，其中发明专利15项，担任CIGRE WG C4.57工作组成员、第四届IDCOMPU大会秘书长等。获全国学会及省部级奖励7项。

本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“火箭引雷至架空线路与地面近距离磁场对比分析”。本课题得到国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。