火箭引雷至架空线路与地面近距离磁场对比分析

蔡 力 杜懿阳 胡 强 周 蜜 王建国

火箭引雷至架空线路与地面近距离磁场对比分析

蔡 力 杜懿阳 胡 强 周 蜜 王建国

（武汉大学电气与自动化学院 武汉 430072）

2019年夏季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。分别对两种不同试验工况雷电产生的不同距离磁场波形数据进行测量。分析了不同距离的总磁感应强度峰值、先导磁感应强度峰值、回击磁感应强度峰值、10%～90%上升时间和半宽时间等磁场波形参数，对比了两种引雷情况下不同距离回击磁场波形参数的差异。结果表明，引雷至架空线路情况下磁场幅值更低，约低12%，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%。总磁感应强度峰值随着距离的增大呈幂函数衰减，引雷至地面情况下总磁感应强度峰值衰减得更快。回击磁感应强度峰值同样呈现出相似的规律，而先导磁感应强度峰值与距离之间不存在明显单调变化的关系。两种引雷情况下，不同距离的总磁感应强度峰值与回击电流峰值之间均存在线性关系。

火箭引雷 回击 架空线路 磁场 回击电流

0 引言

雷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脉冲电流，在几千米甚至几百千米外仍能观测到辐射的电磁脉冲[1-3]。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[4-6]。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，便于集中多种测量手段对其进行详细观测。同时相关研究表明，人工触发闪电回击和自然闪电的继后回击之间具有一定的相似性[7-9]。

首次人工引雷试验于1966年由M. M. Newman等[10]在美国佛罗里达州海上的一艘船上进行。自1973年以来，法国[11]、日本[12]、中国[13]和巴西[14]等相继开展了人工引雷试验，并在陆地上对该技术进行了改进。自1989年以来，中国分别在江西、甘肃、北京、广东和山东进行了人工触发闪电试验[15]，特别是近10年中，中国气象科学研究院和大气物理研究所的两个团队分别在广东省[16]和山东省[17]持续开展了人工引发的雷电试验，加深了人们对雷电物理过程的理解。不同地区的雷暴云特性以及地理环境很不一样，这会导致不同地区观测的雷电参数有差别，仍需积累更多的本土雷电观测数据。

闪电近距离磁场波形对雷电物理研究非常有用，除了验证闪电模型的有效性[18]，还可用来估计闪电的电流峰值[19]。V. A. Rakov等[20]于1998年展示了两个空中触发闪电回击在50 m和90 m处的磁场波形。M. A. Uman等[21]于2002年表明15 m处的回击磁场导数波形与回击电流导数波形有很好的一致性。D. E. Crawford等[22]报道了1997年在佛罗里达州测量的11次回击的5.5 m和10.3 m的磁场波形参数。J. Schoene等[23]于2003年报道了1999—2000年在佛罗里达州Camp Blanding测量的触发闪电回击的磁场和磁场导数的波形参数。Yang Jing等[17]于2010年报道了2005—2009年在山东滨州测量的32个触发闪电回击的磁场波形参数，并基于改善后的传输线模型（Modified Transmission-Line model with Linear current decay with height, MTLL）分析了回击速度、距离、电流上升时间和峰值电流对磁感应强度峰值和各磁场分量占比的影响。

相关研究已经表明被击物体的属性会影响雷电的参数，例如当闪电击中数百米的高塔时，雷电流会在高塔的阻抗不连续处发生折反射，这会增强高塔内部的雷电流，增强的雷电流会辐射出更强的电磁场[24-27]，从而导致闪电定位系统高估击中高塔闪电的电流峰值。陈怀飞等[28]基于雷电回击工程模型，建立了风机回击电磁场计算模型，仿真结果证明，相比平地雷击，风机雷击的回击电磁场波形明显不同，存在明显的初始尖峰，且达到初始峰值后迅速衰减，波形存在振荡。

架空线路是电力网络的重要组成部分，其结构与高塔、风机不同，接地条件也与雷电直接击中地面的情况不同。因此，有必要研究雷电与架空线路的相互作用。目前关于人工引雷直击架空线路的研究较少，本文将分析引雷至地面和引雷至架空线路情况下人工触发闪电的近距离磁场参数特征，比较其是否存在差异，并分析磁场参数与测量距离之间的关系。

1 试验和数据

2019年夏季，武汉大学雷电防护与接地技术教育部工程研究中心与广东电科院、中国气象局合作，在广东省广州市从化区开展了火箭引雷试验。

火箭引雷的基本过程如下：首先要确保存在合适的雷暴天气条件，大气电场强度达到阈值，然后发射引雷火箭，火箭底部通过金属导线与引流杆相连。当火箭上升到一定高度时，由于尖端放电效应，在导线上端会产生上行正先导。上行正先导以104～105m/s的速度向云内发展。之后产生类似于自然闪电的箭式先导-继后回击的放电过程，即引雷成功。

试验现场示意图如图1所示，一共进行了两种方式的人工引雷试验，一种是引雷至10 kV架空线路，另一种是引雷至地面。架空线路的塔距为70 m，高度为10 m，总长度为1 513 m，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。火箭引雷都是在有雷暴天气过程的条件下进行的，多伴有下雨过程。引雷到地面工况下，地面土壤铺设有10 m×10 m田字形接地网，接地网的接地阻抗约为6.7 Ω；引雷到架空线路工况下，架空线路每级杆塔接地采用单根垂直接地体，杆塔接地电阻为25～110 Ω；试验区域的土壤电阻率在180～200 Ω·m 之间。

图1 试验现场示意图

试验现场设置了三个观测点用于测量雷电产生的近距离磁场波形，如图1中所示。磁场传感器的基本组成部分是缠绕了数匝线圈的磁棒，磁棒直径为10 mm，长度为177 mm。磁场传感器示意图如图2所示。输出的电压与磁场磁感应强度的函数关系由法拉第电磁场感应定律给出。

式中，为穿过线圈的磁通量；为线圈匝数；为线圈的面积。磁场传感器的3 dB带宽为40 kHz～0.8 MHz，增益为0.05 mV/nT。观测点1距离击中架空线路的闪电通道18 m，距离击中地面的闪电通道58 m，磁场数据由数据采集卡进行采集，采样率为10 MHz。观测点2距离击中架空线路的闪电通道130 m，距离击中地面的闪电通道90 m，磁场数据由示波器进行采样，采样率为50 MHz。观测点3距离击中架空线路的闪电通道1 550 m，距离击中地面的闪电通道1 600 m，磁场数据由数据采集卡进行采集，采样率为5 MHz。

图2 磁场传感器示意图

雷电流使用电阻值为1 mΩ的同轴分流器进行测量，可测量雷电流的范围为-50～50 kA，电流数据通过光纤传输到多通道高速数字示波器进行记录，采样率为50 MHz。雷电流与磁场数据的记录长度均为2 s。

表1给出了2019年获得的所有人工引雷事件回击的磁场波形信息数量。引雷至地面情况下，观测点1、2、3可供定量分析的回击样本数分别为54、39、20，总计113次回击。引雷至架空线路情况下，观测点1、2、3可供定量分析的回击样本数分别为12、47、27，总计86次回击。图3给出了两种引雷情况下三个观测点测得的典型回击磁场波形。图3a～图3c为引雷至地面情况，图3d～图3f为引雷至架空线路情况。

表1 各观测点的回击磁场波形数据统计

图3 两种引雷情况下三个观测点测得的回击磁场波形

2 试验结果

2.1 引雷至地面不同距离的回击磁场参数

典型近距离回击磁场波形及参数定义如图4所示，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T（μT）、先导磁感应强度峰值L（μT）、回击磁感应强度峰值RS（μT）、10%～90%上升时间10-90（μs）、半宽时间HPW（μs）。半宽时间指的是回击阶段中磁感应强度上升至50%RS到下降至50%RS的时间间隔。

图4 典型近距离回击磁场波形及参数定义

本文将磁感应强度峰值划分为先导阶段和回击阶段两部分。图5给出了某次回击的电流和磁场同步测量波形，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。

图5 回击磁场与电流同步波形

引雷至地面情况下不同距离磁场波形参数的统计结果包括算术均值（Arithmetic Mean, AM）、几何均值（Geometric Mean, GM）和标准差（Standard Deviation, SD），见表2。

表2 引雷至地面情况下回击磁场波形参数统计

（续）

参数数值 58 m90 m1 600 m BT/µTAM130.773.61.96 GM121.166.21.85 SD50.632.60.65 T10-90/µsAM4.44.86.2 GM4.34.75.8 SD1.30.42.4 THPW/µsAM42.636.421.5 GM41.834.917.8 SD8.611.613.4

观测点1测得的58 m处磁场参数的样本分布如图6所示，其他距离下的参数分布也与之类似，不再一一给出。回击产生的T的算术均值和几何均值分别为130.7 µT和121.1 µT，标准差为50.6 µT。

图6 引雷至地面观测点1处的回击磁场波形参数分布直方图

L相对于T来说是很小的，58 m处L的几何均值为5.7 µT，约占T的4.7%。RS与T接近，其几何均值为114.7 µT，约占T的94.7%。从图6a～图6c可以看出，这三个参数都呈明显的对数正态分布。

58 m处回击磁场10-90的典型值小于10 μs，算术均值和几何均值分别为4.4 μs和4.3 μs，这表明此参数的分散性很小，标准差为1.3 μs，从图6d也可以看出分布得非常集中，主要分布在3～5 μs区间。本文测得的HPW的算术均值和几何均值分别为42.6 μs和41.8 μs，呈明显对数正态分布，主要分布区间为34～46 μs。

从表2中可以看出，90 m处的T与RS相较于58 m处明显降低，几何均值分别为66.2 µT和57.9 µT。而90 m的L却大于58 m的，其几何均值为6.6 µT，并没有展现出随距离增大而衰减的趋势。L和RS的几何均值分别占T的10.0%和87.5%。90 m处的10-90呈现出随距离增加而增大的趋势，算术均值和几何均值分别为4.8 µs和4.7 µs。而HPW展现出与10-90相反的变化趋势，算术均值和几何均值分别为36.4 µs和34.9 µs，随距离增加而逐渐减小。

在1 600 m的距离下的磁感应强度幅值变得更小，T最大值不超过3.31 µT，几何均值为1.85 µT，RS几何均值为1.73 µT。L在该距离下也明显降低，几何均值为0.14 µT，远小于58 m和90 m处的测量值。1 600 m处回击磁场的10-90的算术均值和几何均值分别为6.2 µs和5.8 µs，随距离的增加进一步增大；而HPW的算术均值和几何均值分别为21.5 µs和17.8 µs，随距离的增加进一步减小。

2.2 引雷至架空线路不同距离的回击磁场参数

表3给出了引雷至架空线路情况下不同距离处回击磁场波形参数的统计结果。观测点1测得的18 m处磁场幅值较大，T无一例外都超过了100 µT，几何均值为145.0 µT，L与RS的几何均值分别为5.3 µT和143.3 µT。J. Schoene等[23]在15 m处测得的触发闪电回击T的算术均值和几何均值分别为203 µT和182 µT，略高于本文的统计结果，考虑到测量距离的不同，该差异是预期内的合理结果。18 m处回击磁场的10-90非常小，最大值不超过3.1 µs，算术均值和几何均值非常接近，分别为2.1 µs和2.0 µs。HPW也比较小，算术均值和几何均值分别为13.3 µs和11.1 µs。J. Schoene等[23]在15 m处测得的触发闪电回击磁场HPW的算术均值和几何均值分别为17.4 µs和14.9 µs，与本文的统计结果基本一致。

表3 引雷至架空线路情况下回击磁场波形参数统计

观测点2测得的130 m处的磁感应强度幅值与引雷至地面情况下具有相同的变化趋势。T和RS的几何均值分别为47.5 µT和41.3 µT，较18 m处的测量值明显降低。L的算术均值与几何均值分别为6.8 µT和4.1 µT。此距离下回击磁场的10-90的几何均值为4.5 µs。大部分样本的HPW都小于40 µs，算术均值和几何均值分别为37.4 µs和34.9 µs，大于18 m处的测量值，与引雷至地面情况下的趋势不同。

观测点3测得的1 550 m处的磁感应强度幅值远小于18 m和130 m处的测量值，T几何均值为1.63 µT，L几何均值为0.07 µT，RS几何均值为1.53 µT。1 550 m处回击磁场的10-90的算术均值和几何均值分别为9.5 µs和9.1 µs，与引雷至地面相似，随距离增加而增大。HPW的算术均值和几何均值分别为34.0 µs和30.5 µs，相较于130 m的测量值，略有降低。

观测点3与两种引雷情况下的闪电通道的距离较为接近，分别是1 550 m和1 600 m，因此将这两个距离下测得的磁场波形数据进行对比来分析两种引雷情况下近距离回击磁场波形是否有差别。

图7展示了两种引雷情况下观测点3的数据分布。观测点3与引雷至架空线路的距离更近，为1 550 m，而T却更小，引雷至地面情况下T的几何均值为1.85 μT，而引雷至架空线路情况下则为1.63 μT。此外，引雷至地面情况下L的几何均值为0.14 μT，而引雷至架空线路情况下则是0.07 μT。引雷至地面情况下RS的几何均值为1.73 μT，而引雷至架空线路情况下则是1.53 μT。从图7a～图7c中数据分布情况也可以看出，引雷至架空线路情况下的数据点分布更靠下，也就是说，引雷至架空线路情况下回击磁场幅值比引雷至地面情况下的偏低。引雷至地面情况下回击电流峰值的几何均值为13.4 kA，引雷至架空线路情况下为16.4 kA，如果把磁感应强度峰值都折算到15 kA时的情况，那么引雷至地面情况下RS折算后从1.73 μT变为1.94 μT，引雷至架空线路情况下则从1.53 μT变为1.4 μT，即引雷至架空线路情况下回击磁场幅值比引雷至地面情况下约低27.8%，这种偏低的现象会更加明显。F. Rachidi等[26]研究表明，回击电流上升时间越小，产生的远磁感应强度峰值越大，这一结论与本文试验结果相符，雷击地面的电流上升时间为0.25 µs，远小于雷击架空线路的电流上升时间0.6 µs。J. Schoene等[29]也指出配电线路的存在会增大回击电流上升时间。

图7 两种引雷情况下观测点3磁场数据分布对比

引雷至地面情况下回击磁场10-90的几何均值为5.8 μs，引雷至架空线路情况下为9.1 μs，是引雷至地面情况下的1.57倍，其可能也与雷击架空线路的电流上升时间更大有关。引雷至地面情况下回击磁场HPW的几何均值为17.8 µs，引雷至架空线路情况下为30.5 µs，高出引雷至地面情况约71%。这可能与引雷至架空线路情况下回击磁场幅值更低有关，观察图4中典型磁场波形的形状可以发现，磁感应强度峰值的降低会显著增加HPW。

总结可发现，磁场特征参数差异的可能原因是雷击架空线路的电流上升时间较大，这种增加效应很可能是由于雷电流在引雷至架空线路时遇到较大的线路特征阻抗（数百欧姆）造成的。

图8给出了总磁感应强度峰值与距离的拟合关系。引雷到地面情况下的数据样本除了本文获取的58 m、90 m和1 600 m的数据，还包括D. E. Crawford等[22]在5.5 m和10.3 m处以及J. Schoene等[23]在15 m和30 m处获取的磁场数据。而引雷到架空线路情况下，仅包含本文的统计的18 m、130 m和1 550 m的磁场数据。

图8 总磁感应强度峰值与距离的拟合关系

由图8可知，无论是引雷至地面还是引雷至架空线路，随着距离增大，T都会减小。两种引雷情况下T的衰减规律较为相似，都呈幂函数衰减，幂函数指数都接近-1，说明T变化与距离近似成反比。

两种引雷情况下，L与距离之间不存在单调变化关系，L/T在引雷至架空线路情况下18 m、130 m、1 550 m处分别为3.8%、12.5%、6.1%，引雷至地面情况下在58 m、90 m、1 660 m处分别为4.7%、12.0%、8.2%。可以发现，L与T随距离变化的规律并不同步，L在T中的占比先增大再减小。出现这种现象可能是由于L较小并且难以测量造成的，磁场主要由电流分布决定，当回击开始时电流才会明显变大，先导过程电通道中的电流较小，因此先导磁场的幅值也很小。

由于RS占T的绝大部分，因此RS表现出了和T非常类似的规律。同样是随距离增大而呈幂函数衰减。

2.3 回击磁场幅值与电流幅值间的关系

由于自然闪电发生位置和时间的不确定性，测量雷电流并非易事。研究闪电电流峰值和磁感应强度峰值之间的关联性，可以应用闪电定位系统来估算闪电电流峰值。这种方法的有效性已经在试验和理论上得到验证，根据麦克斯韦方程，郄秀书等[30]推导了垂直闪电通道在距离处产生的水平磁感应强度的计算公式为

也就是说，近距离磁感应强度峰值与电流峰值之间呈线性关系。

图9和图10分别给出了两种引雷情况下不同测量距离的总磁感应强度峰值与电流峰值间的拟合分析结果。从图中可以看出，18 m、58 m、90 m、130 m的拟合效果明显优于1 550 m和1 600 m的拟合结果。这是由于1 550 m和1 600 m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。

图9 引雷至地面情况下不同距离的总磁感应强度峰值与电流峰值间的拟合分析

图10 引雷至架空线路情况下不同距离的总磁感应强度峰值与电流峰值间的拟合分析

3 结论

本文分析了试验现场三个观测点测得的回击磁场波形特征，对比了引雷至地面和引雷至架空线路两种情况下观测点3测得的磁场波形，以及两种引雷情况下磁场波形参数随距离的变化规律。主要结论如下：

1）大多数磁场波形参数呈明显的对数正态分布。对比分析两种引雷情况下观测点3测得的回击磁场波形特征可知，引雷至架空线路情况下总磁感应强度更低，约低12%，引雷至架空线路情况下磁场10%～90%上升时间和半宽时间更大，分别高出约57%和71%。

2）总磁感应强度峰值会随着距离的增大而衰减，呈幂函数关系，且引雷至地面情况下比引雷至架空线路情况下衰减得更快，而先导磁感应强度峰值与距离之间不存在明显的关系。

3）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，18 m和130 m的线性拟合效果要优于1 550 m和1 600 m处的拟合效果，这是由于近距离磁场主要只受感应场分量作用，而1 550 m和1 600 m处的辐射场分量不可忽略。

[1] He Jinliang, Rakov V, Wang Daohong, et al. Lightning physics and effects[J]. Atmospheric Research, 2013, 129/130: 33.

[2] 周蜜, 丁文汉, 王建国, 等. 闪电连接高度对地面电场波形的影响[J]. 电工技术学报, 2021, 36(4): 857-868.

Zhou Mi, Ding Wenhan, Wang Jianguo, et al. Effect of lightning junction height on ground electric field waveform[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(4): 857-868.

[3] 张文锋, 李志伟, 张国建, 等. 山区35kV架空线路雷击特性仿真分析[J]. 电气技术, 2022, 23(9): 19-28.

Zhang Wenfeng, Li Zhiwei, Zhang Guojian, et al. Simulation analysis on lightning strike characteristics of 35kV overhead lines in mountainous area[J]. Electrical Engineering, 2022, 23(9): 19-28.

[4] 王红斌, 程思, 范伟男, 等. 雷暴活动全闪电定位及空间演变过程分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(2): 373-379.

Wang Hongbin, Cheng Si, Fan Weinan, et al. Total lightning location of thunderstorm activities and spatial evolution process analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 373-379.

[5] 周蜜, 苏小玮, 高俊福, 等. 雷电流A分量与C分量对碳纤维复合材料损伤特性差异[J]. 电工技术学报, 2022, 37(增刊1): 297-306.

Zhou Mi, Su Xiaowei, Gao Junfu, et al. Differences in damage characteristics of lightning current components A and C to carbon fiber reinforced polymer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(S1): 297-306.

[6] 蔡力, 柯逸丰, 李进, 等. 基于高速摄像观测的风电场雷击风机发展过程和特性分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(增刊1): 303-310.

Cai Li, Ke Yifeng, Li Jin, et al. Development process and characteristic analysis of the natural lightning strike on wind turbine based on high-speed camera observation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S1): 303-310.

[7] Fieux R P, Gary C H, Hutzler B P, et al. Research on artificiallyu triggered lightning in France[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1978, PAS-97(3): 725-733.

[8] Hubert P, Laroche P, Eybert-Berard A, et al. Triggered lightning in New Mexico[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1984, 89(D2): 2511-2521.

[9] Fisher R J, Schnetzer G H, Thottappillil R, et al. Parameters of triggered-lightning flashes in Florida and Alabama[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1993, 98(D12): 22887-22902.

[10] Newman M M, Stahmann J R, Robb J D, et al. Triggered lightning strokes at very close range[J]. Journal of Geophysical Research, 1967, 72(18): 4761-4764.

[11] Fieux R, Gary C, Hubert P. Artificially triggered lightning above land[J]. Nature, 1975, 257(5523): 212-214.

[12] Horri K. Experiment of artificial lightning triggered with rocket [J]. Memoirs of the Faculty of Engineering, Nagoya University, 1982, 34: 77-112.

[13] 夏雨人, 肖庆复, 吕永振. 人工触发闪电的试验研究[J]. 大气科学, 1979, 3(1): 94-97.

[14] Pinto O, Pinto I R C A, Saba M M F, et al. Return stroke peak current observations of negative natural and triggered lightning in Brazil[J]. Atmospheric Research, 2005, 76(1-4): 493-502.

[15] Liu Xinsheng, Wang Caiwei, Zhang Yijun, et al. Experiment of artificially triggering lightning in China[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1994, 99(D5): 10727-10731.

[16] 李俊, 吕伟涛, 张义军, 等. 一次多分叉多接地的空中触发闪电过程[J]. 应用气象学报, 2010, 21(1): 95-100.

Li Jun, Lü Weitao, Zhang Yijun, et al. An altitude-triggered lightning with multiple branches and ground contacts[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2010, 21(1): 95-100.

[17] Yang Jing, Qie Xiushu, Zhang Guangshu, et al. Characteristics of channel base currents and close magnetic fields in triggered flashes in SHATLE[J]. Journal of Geophysical Research, 2010, 115(D23): D23102.

[18] Zhou Mi, Wang Jianguo, Wang Daohong, et al. Modeling of return strokes with their initiation processes under consideration[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2018, 54(3): 1-4.

[19] Cai Li, Li Jin, Wang Jianguo, et al. Measurement of return stroke current with magnetic sensor in triggered lightning[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2021, 63(1): 145-151.

[20] Rakov V A, Uman M A, Rambo K J, et al. New insights into lightning processes gained from triggered-lightning experiments in Florida and Alabama[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1998, 103(D12): 14117-14130.

[21] Uman M A. Correlated time derivatives of current, electric field intensity, and magnetic flux density for triggered lightning at 15 M[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2002, 107(D13): 4160.

[22] Crawford D E. Multiple-station measurements of triggered lightning electric and magnetic fields[D]. Gainesville: University of Florida, 1998.

[23] Schoene J, Uman M A, Rakov V A, et al. Statistical characteristics of the electric and magnetic fields and their time derivatives 15 m and 30 m from triggered lightning[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 2003, 108(D6): 4192.

[24] Rakov V A. Transient response of a tall object to lightning[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2001, 43(4): 654-661.

[25] Pavanello D, Rachidi F, Janischewskyj W, et al. On the current peak estimates provided by lightning detection networks for lightning return strokes to tall towers[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2009, 51(3): 453-458.

[26] Rachidi F, Janischewskyj W, Hussein A M, et al. Current and electromagnetic field associated with lightning-return strokes to tall towers[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2001, 43(3): 356-367.

[27] Rakov V A, Uman M A. Lightning: physics and effects[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2003.

[28] 陈怀飞, 王宇, 孙通, 等. 风机回击电磁场波形特征及辐射增强效应研究[J]. 高电压技术, 2020, 46(6): 2122-2130.

Chen Huaifei, Wang Yu, Sun Tong, et al. Study on waveform characteristics and radiation enhancement effect of lightning return stroke initiated from wind turbine[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(6): 2122-2130.

[29] Schoene J, Uman M A, Rakov V A, et al. Characterization of return-stroke currents in rocket-triggered lightning[J]. Journal of Geophysical Research, 2009, 114(D3): D03106.

[30] 郄秀书, 张其林, 袁铁. 雷电物理学[M]. 北京: 科学出版社, 2013.

Comparative Analysis of Close Magnetic Field of Rocket-Triggered Lightning Striking the Overhead Line and the Ground

Cai Li Du Yiyang Hu Qiang Zhou Mi Wang Jianguo

（School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China）

Lightning has the discharge characteristics of high-current, fast-changing, which is the main cause of tripping of power transmission lines. Rocket-triggered lightning experiments are an important way to study lightning, to test the reasonableness of the return stroke model of cloud-to-ground lightning, and to evaluate the effectiveness of the lightning location system. However, most rocket-triggered lightning experiments involve lightning that strikes the ground directly. Related studies have shown that the properties of the struck object affect the parameters of lightning. Overhead lines are an important part of power networks and one of the most important targets for lightning strikes. It is necessary to study the interaction of lightning with overhead lines. In this paper, we will analyze the characteristics of the close magnetic field parameters of rocket-triggered lightning in the case of lightning to the ground and lightning to the overhead lines, compare whether there are differences, and analyze the relationship between magnetic field parameters and the measured distance.

Rocket-triggered lightning experiments were conducted in Guangdong, China, in the summer of 2019. There are two types of lightning strikes, one for triggering lightning to 10 kV overhead lines and one for triggering lightning to the ground. Lightning currents were measured using a coaxial shunt with a resistance value of 1 mΩ. Three observation points were set up, and magnetic field waveform data generated by lightning at close range were measured using magnetic rods with several turns of coils wound around them as magnetic field sensors. The distances from the three observation points to the lightning channel from the lightning to the ground are 58 m, 90 m and 1 600 m respectively, and the distances to the lightning channel from the lightning to the line are 18 m, 130 m and 1 550 m respectively.

Five parameters of the return stroke magnetic field waveform were defined, namely, the total magnetic field peak, the leader magnetic field peak, the return stroke magnetic field peak, the 10%～90% rise time, and the half-width time. Most of the magnetic field parameters show a significant log-normal distribution. The two conditions of lightning were compared and analyzed. In the case of lightning to the overhead line, the magnetic field amplitude is lower, about 12% lower. When the lightning strikes the overhead line, the 10%～90% rise time and half-width time of the magnetic field are larger, about 60% and 70% larger, respectively. The difference in the magnetic field waveforms between the two cases may be related to the difference in current rise times in two cases. The total peak magnetic field decays as a power function of distance and decays more rapidly in the case of lightning to the ground. While there is no significant relationship between the leader magnetic field peak and distance. There is a linear relationship between the total magnetic field peak and the current peak at different distances for both two cases. The linear fit at 18～130 m is better than that at 1 550 m and 1 600 m, due to the fact that the close magnetic field is mainly affected only by the induced field component, while the radiation field component at 1 550 m and 1 600 m is not negligible.

Rocket triggered lightning, return stroke, overhead line, magnetic field, return stroke current

TM863

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221749

国家自然科学基金（52177154）和中央高校基本科研业务费专项资金（2042023kf0183）资助项目。

2022-09-14

2022-10-29

蔡 力 男，1987年生，副教授，博士生导师，研究方向为雷电物理、雷电探测、雷电防护与接地技术。E-mail：cail@whu.edu.cn

周 蜜 男，1986年生，副教授，博士生导师，研究方向为雷电物理、雷电防护与接地技术，高电压测试技术。E-mail：zhoumi927@whu.edu.cn（通信作者）

（编辑 李 冰）