云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性
Waueform Characteristics of Ground Horizontal Electric Field of Cloud-to-Ground Lightning Under Different Return-Stroke Velocity and Geoelectric Parameters
- 电子学报 2021年49卷第8期 页码：1633-1640
- 作者机构：
1.现代电力系统仿真控制与绿色电能新技术教育部重点实验室（东北电力大学）, 吉林吉林 132012
2.武汉大学电气与自动化学院, 湖北武汉 430072
- 作者简介：
[ "于建立 男，1983年出生，博士，副教授，硕导.主要从事雷电电磁场计算、电力系统外部过电压及其防护等方面的研究工作.E-mail: yu_jianli@foxmail.com" ]
- 基金信息：
DOI：10.12263/DZXB.20200277
中图分类号： TM86;收稿：2020-03-20，
修回：2021-01-13，
纸质出版：2021-08-25
- 稿件说明：
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于建立,樊亚东,周蜜等.云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性[J].电子学报,2021,49(08):1633-1640.
YU Jian-li,FAN Ya-dong,ZHOU Mi,et al.Waueform Characteristics of Ground Horizontal Electric Field of Cloud-to-Ground Lightning Under Different Return-Stroke Velocity and Geoelectric Parameters[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2021,49(08):1633-1640.
于建立,樊亚东,周蜜等.云—地闪电地面水平电场在不同回击速度和地电参数时的波形特性[J].电子学报,2021,49(08):1633-1640. DOI： 10.12263/DZXB.20200277.
YU Jian-li,FAN Ya-dong,ZHOU Mi,et al.Waueform Characteristics of Ground Horizontal Electric Field of Cloud-to-Ground Lightning Under Different Return-Stroke Velocity and Geoelectric Parameters[J].ACTA ELECTRONICA SINICA,2021,49(08):1633-1640. DOI： 10.12263/DZXB.20200277.
摘要
针对地闪电磁脉冲计算在广域和高精度方面存在的难题，采用非均匀网格划分技术对均匀网格时域有限差分法进行改进，所提出的非均匀网格时域有限差分法适合广域地闪电磁脉冲计算.计算了100 km以内的地闪地面水平电场（
E
r
），揭示了
E
r
随回击距离变化所体现的波形变化规律.同时分析了大地电导率（
σ
）和回击速度（
v
）对该距离内
E
r
的影响.结果表明：
E
r
在2km内呈单极性脉冲，500m内在首次脉冲后出现过零现象且距离越远该现象越明显，50~100km内呈双极性连续脉冲；
E
r
的脉冲幅值、半峰值宽度、脉冲宽度、过零幅度均随
σ
增大而减小，
σ
≤2.5×10
-3
S/m时尤为明显；
v
对
E
r
的影响随距离增大明显增强，100m以外的脉冲幅值和10km以外的过零幅度随
v
增大有明显提高.
Abstract
Aim to difference limitations such as low computational accuracy and weak computational performance for wide-area lightning electromagnetic pulse (LEMP)
a new non-uniform grid finite difference time domain (FDTD) algorithm is proposed for large space distant conditions based on traditional uniform grid FDTD algorithm. The ground horizontal electric fields (
E
r
) generated by cloud-to-ground lightning were calculated
and the distance between the observation point and the return-stroke channel (
r
) within 100km. This work revealed the typical waveform variation laws of
E
r
generated by cloud-to-ground lightning changed along the return-stroke distance. Meanwhile
the effect of the earth conductivity (
σ
) and return-stroke velocity (
v
) on
E
r
in this range was studied by using the non-uniform grid FDTD method. Results show that the waveforms of
E
r
present in single pulse when
r
<
2km. There emerged zero-crossing phenomenon when
r
<
500m
and the farther distance the more obvious. The waveforms of
E
r
present in bipolar pulse when
r
in the range of 50~100km. The pulse amplitude
half peak width
pulse width and the zero-crossing amplitude of
E
r
attenuate with the increase of
σ
especially in the range of
σ
≤2.5×10
-3
S/m. The influence of
v
on
E
r
increase significantly as return-stroke distance increases. The pulse amplitude of
E
r
increase significantly with the increase of
v
when
r
>
100m
and the effect of
v
on the zero-crossing amplitude of
E
r
reflects the similar law when
r
>
10km.
关键词
Keywords
references
樊亚东 ， 于建立 ， 詹清华 ， 等 . 基于多阶FDTD雷电感应过电压计算新方法 ［J］. 电工技术学报 ， 2015 ， 30 （ 12 ）： 336 － 343 .
Fan Y D ， Yu J L ， Zhan Q H ， et al . New method of lightning induced over-voltage based on multiple order FDTD ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2015 ， 30 （ 12 ）： 336 － 343 . （in Chinese ）
何金良 ， 曾嵘 ． 配电线路雷电防护 ［M］. 北京 ： 清华大学出版社 ， 2013 . 2 － 18 .
李涵 ， 邓雨荣 ， 朱时阳 ， 等 ． 海-陆混合路径对雷电电磁场传播的影响 ［J］. 电工技术学报 ， 2014 ， 29 （ 1 ）： 229 － 235 .
Li H ， Deng Y R ， Zhu S Y ， et al . Propagation effects of the rough and ocean-land mixed path on the lightning-radiated electromagnetic fields ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2014 ， 29 （ 1 ）： 229 － 235 . （in Chinese ）
张岩 ， 刘福贵 ， 汪友华 ， 等 ． 改进的双指数函数雷电流波形及其辐射电磁场的计算 ［J］. 电工技术学报 ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 133 － 139 .
Zhang Y ， Liu F G ， Wang Y H ， et al . A modify double exponential base-current and its application in evaluating the lightning EM fields ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 133 － 139 . （in Chinese ）
李良福 ， 李家启 ． 雷电防护关键技术研究 ［M］ . 北京 ： 中国电力出版社 ， 2008 . 12 - 30 .
王明邦 ． 架空配电线路防雷设计与应用 ［M］ . 北京 ： 中国电力出版社 ， 2012 . 16 - 34 .
Mosaddeghi A ， Shoory A ， Rachidi F ， et al . Lightning electromagnetic fields at very close distances associated with lightning strikes to the gaisberg tower ［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres ， 2010 ， 115 （ D17 ）： 5030 － 5038 .
Uman M A ， Mclain D K . Magnetic field of the lightning return stroke ［J］. Journal of Geophysical Research ， 1969 ， 74 （ 28 ）： 6899 － 6910 .
Chen Y Z ， Wang X J ， Rakov V A . Approximate expressions for lightning electromagnetic fields at near and far ranges： Influence of return-stroke speed ［J］. Journal of Geophysical Research： Atmospheres ， 2015 ， 120 （ 7 ）： 2855 － 2880 .
Rubinstein M ， Uman M A . Methods for calculating the electromagnetic fields from a known source distribution： application to lightning ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 1989 ， 31 （ 2 ）： 183 － 189 .
Cooray V . Horizontal fields generated by return strokes ［J］. Radio Science ， 1992 ， 27 （ 4 ）： 529 － 537 .
Rubinstein M . An approximate formula for the calculation of the horizontal electric field from lightning at close， intermediate， and long range ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 1996 ， 38 （ 3 ）： 531 － 535 .
Omari M ， Mimouni A . Electromagnetic fields at very close range from a tower struck by lightning in presence of a horizontally stratified ground ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2019 ， 61 （ 1 ）： 166 － 173 .
Luz E ， Oliveira R ， Machado P . Calculation of lightning-induced voltages and currents on the transformers courtyard of tucuruí hydroelectric generation plant using the finite-difference time-domain method ［J］. IEEE Latin America Transactions ， 2016 ， 14 （ 4 ）： 1600 － 1611 .
Zhang Q L ， Zhang L ， Hou W H ， et al . Validation of the approximate time-domain method for the lightning-horizontal electric field at the surface of two-layer earth by using FDTD ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2014 ， 56 （ 5 ）： 1121 － 1128 .
Aoki M ， Baba Y ， Rakov V A . FDTD simulation of LEMP propagation over lossy ground： Influence of distance， ground conductivity， and source parameters ［J］. Journal of Geophysical Research ， 2015 ， 120 （ 16 ）： 8043 － 8051 .
于建立 ， 樊亚东 ， 詹清华 ， 等 . 特征参数对地闪通道附近地面水平电场的影响 ［J］. 中国电机工程学报 ， 2015 ， 35 （ 15 ）： 3979 － 3987 .
Yu J L ， Fan Y D ， Zhan Q H ， et al . The influence of characteristic parameters on the ground horizontal electric field nearby return stroke ［J］． Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 15 ）： 3979 － 3987 . （in Chinese ）
Yang G ， Yu Z Q ， Zhang B ， et al . Evaluation of lightning current from magnetic field based on deconvolution method ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2018 ， 60 （ 3 ）： 679 － 684 .
Javor V ， Karl M L ， Milica P R ， et al . Analytical representation of measured lightning currents and its application to electromagnetic field estimation ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2018 ， 60 （ 5 ）： 1415 － 1426 .
Nag A ， Rakov V A ， Tsalikis D ， et al . Characteristics of the initial rising portion of near and far lightning return stroke electric field waveforms ［J］. Atmospheric Research ， 2012 ， 117 （ 11 ）： 71 － 77 .
Haddad M A ， Rakov V A ， Cummer S A . New measurements of lightning electric fields in Florida： Waveform characteristics， interaction with the ionosphere， and peak current estimates ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres ， 2012 ， 117 （ D10101 ）： 1 － 26 .
Yang M W ， Chen Y C . AutoMesh： An automatically adjustable， nonuniform， orthogonal FDTD mesh generator ［J］. Antennas Spropagation Magazine ， IEEE， 1999 ， 41 （ 2 ）： 13 － 19 .
Shoory A ， Rachidi F ， Rubinstein M ， et al . On the measurement and calculation of horizontal electric fields from lightning ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2011 ， 53 （ 3 ）： 792 － 801 .
于建立 ， 樊亚东 ， 詹清华 ， 等 . 分层土壤时特征参数对地闪通道附近地面垂直电场的影响 ［J］. 高电压技术 ， 2015 ， 41 （ 5 ）： 1671 － 1679 .
Yu J L ， Fan Y D ， Zhan Q H ， et al . Influence of characteristic parameters on the ground vertical electric field nearby return stroke with layered soil ［J］. High Voltage Engineering ， 2015 ， 41 （ 5 ）： 1671 － 1679 . （in Chinese ）
边凯 ， 陈维江 ， 王立天 ， 等 . 高速铁路牵引供电接触网雷电防护 ［J］. 中国电机工程学报 ， 2013 ， 33 （ 10 ）： 191 － 199 .
Bian K ， Chen W J ， Wang L T ， et al . Lightning protection of traction power supply catenary of high-speed railway ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2013 ， 33 （ 10 ）： 191 － 199 . （in Chinese ）
Nucci C A ， Diendorfer G ， Uman M A ， et al . Lightning return stroke current models with specified channel-base current：A review and comparison ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres ， 1990 ， 95 （ D12 ）： 20395 － 20408 .
Rakov V A ， Dulzon A A . Calculated eldctromagnetic fields of lightning return stroke ［J］. Teknicheskaya Electrodinamika ， 1987 ， 1 ： 87 － 89 .
葛德彪 . 电磁波时域有限差分方法 ［M］. 西安 ： 西安电子科技大学出版社 ， 2011 . 261 － 290 .
Yang C S ， Zhou B H . Calculation methods of electromagnetic fields very close to lightning ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2004 ， 46 （ 1 ）： 133 － 141 .
Romero F ， Piantini A ， Cooray V . On the influence of stroke current propagation velocity on lightning horizontal electric fields ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2014 ， 56 （ 4 ）： 940 － 948 .
Cooray V . Some considerations on the "Cooray-Rubinstein" formulation used in deriving the horizontal electric field of lightning return strokes over finitely conducting ground ［J］. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility ， 2002 ， 44 ： 560 － 566 .
Shoory A ， Rachidi F ， Rubinstein M ， et al . Why do some lightning return stroke models not reproduce the far-field zero crossing？ ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres ， 2009 ， 114 （ D16204 ）： 1 － 9 .
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