雷电既非纯直流也非纯交流:其电流方向恒定但大小波动,傅里叶分析揭示它是直流量与交流量的叠加。实测显示80%负地闪含多次回击,首次回击电流峰值可达后续的2-3倍。
雷电既不属于直流电也不属于交流电。雷电伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观而又有点令人生畏的放电现象。雷电一般产生于对流发展旺盛的积雨云中,因此常伴有强烈的阵风和暴雨,有时还伴有冰雹和龙卷风。积雨云顶部一般较高,可达20公里,云的上部常有冰晶。冰晶的凇附,水滴的破碎以及空气对流等过程,使云中产生电荷。
我们不妨审视一下雷电的波形图。从图中可以看出,雷电的电流大小确实在不断变化,这似乎符合交流电的特性。然而,与此同时,雷电电流的方向却始终保持不变,这一点又与直流电相似。 因此,究竟该如何界定雷电的电流属性,确实是一个值得探讨的问题。
1.2 ► 雷电的波动与频谱
雷电的电流大小随时间不断变化,但方向保持不变。傅里叶级数理论表明,雷电波可以被视为直流量与多个交流量的叠加。
高等数学中的傅里叶级数理论,为任意连续函数提供了一种级数展开的方法。若将雷电波形图进行级数展开,我们会发现它包含一个直流量以及多个角频率和幅值各异的交流量。因此,从数学角度看,雷电波可以被视为直流量与多个交流量的叠加。
此外,在电气工程领域,《高电压技术》一书中详细探讨了雷击现象与相应的防雷措施。通过实际测量,我们发现一次雷击放电包含多个分量,但每个分量的雷电流都呈现出单极性脉冲波的特征,且大多数情况下为负极性。
1.3 ► 不同观点和数据
人们对雷电电流属性的观点不一,有人认为是直流电流,也有人认为是脉动直流。测量数据显示,雷击放电包含多个单极性负脉冲电流分量。
关于雷电的电流属性,不同观点有所差异。有人认为闪电本质上是直流电流,因为其放电过程中电流方向始终保持一致,并无周期性变化。而另一些人则指出,尽管雷电流不会出现周期过零的现象,但其波形特征更接近于脉动直流,包含脉冲和连续电流两部分。全球范围内的平均数据表明,一次放电的电荷量约为20-30库仑,脉冲部分与连续电流基本各占一半。
1.4 ► 延伸阅读和研究
在2013年国际大电网会议上,报告指出雷电具有多脉冲放电特性,约80%的负地闪包含多个回击,首次回击电流峰值通常高于后续回击。
在2013年国际大电网会议CIGRE上,《雷电参数的工程应用》一文对雷电的多脉冲特性进行了深入探讨,并得出结论:自然雷电呈现出多脉冲的放电特性。2013年国际大电网会议上,一份名为《雷电参数的工程应用》的技术报告被广泛关注。该报告汇集了全球雷电科学家对雷电观测的丰富数据和最新研究成果,系统阐述了雷电的物理特性及其参数的来源、统计和分析结果。特别值得一提的是,报告对各国雷电多脉冲(闪击)现象的观测数据进行了深入剖析,进一步揭示了雷电的内在规律,并提供了多项重要的工程应用技术参数。报告指出,超过80%的负地闪包含两个或两个以上的回击,这一比例显著高于早先Anderson and Eriksson(1980)的估计。平均而言,每个地闪包含3-5次回击,回击间隔时间的几何平均约为60毫秒。此外,约有三分之一到二分之一的地闪在相距几公里的不同地点出现两个或两个以上的接地点,这为地闪密度测量值的校正提供了重要依据。同时,报告还揭示了首次回击电流峰值通常比随后的继后回击电流峰值高出2到3倍,但大约三分之一的地闪包含至少一个具有大电场峰值的继后回击,其电流峰值理论上应大于首次回击。这些发现不仅深化了我们对雷电放电特性的理解,也为研发多脉冲SPD提供了宝贵的方向。
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