雷電流

夏季來臨，廣東省雷暴災害頻繁，一群年輕人踏足廣東省從化市，準備在這裡用人類的力量捉雷逐電！他們將採取什麼樣的手段與雷神對抗，神秘武器能否成功引雷？是什麼給了他們如此之大的勇氣，他們將面臨怎樣的危險和挑戰？風雲變幻莫測，地球上最強大的電流能否被人類及時捕捉？

這間鐵皮房雖然看似簡陋，但是全金屬的外殼與地下良好的接地網構成了一個簡易的法拉第籠。在法拉第籠中，電流會選擇比人更好的導體——金屬進行流通直入地下，人在法拉第籠內因為不存在高低電位差，因此不會有電流通過身體，也就不會觸電。而這鐵皮房內的年輕人就是利用這個原理保證自己在雷擊的時候不會發生危險。

雷電是危害人類最嚴重的氣象災害之一。因為缺乏防備，每年全世界都會有數千人死於雷擊，僅僅在中國，每年雷擊死亡人數就超過1000人，經濟損失達到數十億元。雷電生成速度極快，會在一瞬間隨機尋找目標，進行摧毀性打擊。這種強大的力量從發生到結束轉瞬即逝，使得它越發神秘。人類研究雷電歷史悠久，但是依然有諸多謎團懸而未決。僅僅通過等待和觀測自然閃電已經無法滿足對人對雷電迫切的探索之心。科學界就想到了人工引雷的辦法，通過這樣的野外實驗模擬真實的雷電環境，探索更深的雷電物理性能，還能夠完善雷電的定位系統，並且近距離測試各種電子設備的防雷性能。

為提高系統運行安全，防雷保護必須十分可靠，因此必須對雷電流進行在線跟蹤測量。採用89C51單片機實現雷電流在線監測可以測量避雷針、鐵塔等處的雷電流。雷電發生時，只要流過避雷針、鐵塔等處的雷電流達到一定的幅值，雷電流跟蹤測量系統就會記錄下雷電發生的時間、極性和幅值等數據。這種測量方法由單片機自動控制，用戶可通過按鍵方便的查看已記錄的數據。通過雷電流跟蹤測量系統測量到的數據，可為系統中設備運行提供科學依據，同時還可為全國雷電流研究提供直接的數據，以利於對雷電流進行更深入的研究。?

雷電流的跟蹤測量系統的硬體由電流互感器、模擬信號處理電路、單片機控制器、A/D轉換晶元、獨立時鐘電路、I2C匯流排數據存儲器、看門狗電路、液晶顯示電路及其它外圍電路組成見圖1。請登陸：輸配電設備網瀏覽更多信息

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測量衝擊電流一般用無鐵心的“空心”互感器，把副線圈圍住載有被測電流的導體，以避免衝擊電流高頻分量產生的缺損影響測量準確度，且較高的di/dt也可感應出足夠的測量信號[1]。此種測量用的副線圈即“羅哥夫斯基線圈”,其屏蔽盒外觀見圖2，其中1為羅哥夫斯線圈，2為鐵屏蔽盒，3為被測物，4為切斷環流開槽，5為切斷磁旁路開槽。?

羅哥夫斯基線圈主要考慮以下幾個問題：?

①因雷電流的頻帶很寬(0～幾百kHz)，須增加等效電感和減少等效電阻。使繞制的線圈線徑儘可能大，尋找線圈的合適匝數可使等效電感增大。?

②為使后級電路線性，必須使從羅哥夫斯基線圈輸出的電流的線性度好。?

③採用高壓傳輸可減少干擾，為避免線圈出口處引線分岔和外磁場的干擾，將線圈一端的引線回頭穿入線圈內部，再從另一端出來，這樣兩端的出頭便可合在一起見圖3；同時，在整個線圈外加屏蔽以防線圈和測量迴路受不必要的電容耦合。為避免屏蔽在線圈處形成短路匝，應在屏蔽上開個小縫見圖3，以使主磁通進入線圈。?請登陸：輸配電設備網瀏覽更多信息

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①電流的極性變換。為使測量適應不同極性的輸入電壓，須加極性變換電路，使后級電路在同一極下進行測量。?

②電流的峰值保持。從羅哥夫斯基線圈中取出的電流變化很快(μs)，為測量電流值，採用峰值保持電路來達到保持電流峰值的目的。?

③電流的幅值變換。採取一些幅值變換電路把太大的電流變小，達到ADC的採樣要求，以利於后級電路的處理。?

④極性信號的採集。採用極性採集電路，將電流的極性記錄下來，然後送到后級電路進行處理。?

⑤給后一級數字電路控制信號。當電流幅值採樣並進行處理后，為使后一級數字電路的ADC採集電流信號而加的控制信號，即當電流幅值採樣並進行處理后，給單片機發控制信號，單片機接收到這個控制信號后，給ADC發採樣信號使ADC工作。?

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89C51單片機是8位單片機。採用CMOS工藝，與Intel的8051單片機在管腳功能上完全兼容[2]，具有256位元組的RAM，可用來存原始數據。4KB的EPROM可用來存原始數據。它具有8位并行I/O介面P0～P3，每個口即可作輸入也可作輸出。兩個定時器可實現對計算機的控制。它還具有5個中斷源的中斷控制系統、片內振蕩器和時鐘產生電路。?

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當電源上電、掉電時，採用MAX813L作為電源監視和看門狗電路，可提供複位電平，且當其WDI管腳不能採集到翻轉信號時，就會發送200ms的複位脈衝。用P1.2腳定時(≤1.5s)向看門狗電路發送電壓翻轉信號，當外部干擾或其他原因致死機或系統工作不正常時，看門狗自動發出複位信號。?

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該轉換器轉換速度最大為35μs，轉換精度≤0.05%，AD574片內配有三態輸出緩衝電路，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連，且與CMOS用TTL電平兼容。當89C51發生外部中斷後，89C51給AD574一個信號，AD574則模擬信號轉化為數字信號供89C51處理。?

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時鐘/日曆電路採用DS1302高性能、低功耗帶RAM的實時時鐘晶元，提供時間等信息，記錄雷電發生的時間，能對2000年問題和<31天的月自動進行調整。DS1302具有慢速充電功能，可獨立運行，這樣即使主電源發生停電仍可由備用電源供電，保證了DS1302的正常運行。?

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採用的24LC65是8K×8(64K位)的串列EEPROM(電可擦除PROM)，工作電壓範圍很寬(2.5V到6.0V)。24LC65採用可與I2C互操作的2線介面，大大減少了系統介面。?來源：輸配電設備網

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採用16×2(字元×行)的字元型液晶模塊，具有低功率、長壽命、高可靠性，可使用戶能直觀的觀察到已記錄的雷電流數據。?

程序設計主要由主程序、中斷服務程序、數值處理程序。編程時著重考慮了對單片機的正確初始化、數據的採集與處理和數據的存儲與顯示等。?

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主程序主要完成系統的初始化：定時向看門狗電路發送電壓翻轉信號；液晶顯示數據；查詢複位按鍵和液晶顯示翻頁按鍵的狀態，其流程圖見圖4。?

首先初始化各寄存器及堆棧地址，然後初始化8155，再從數據存儲器中讀取信息，並分別顯示后查詢複位按鍵和液晶顯示翻頁按鍵的狀態。?

若查詢到液晶顯示翻頁按鍵的狀態為“1”，則調用液晶翻頁顯示子程序。先讀取組數值，再讀取組數、極性、電流幅值、時間等數據，並調用液晶顯示子程序，同時注意加延時並在每1.5s內給看門狗一條指令CPLP1.2以確保看門狗能正常工作。

若查詢到複位鍵已按下，需再反覆查詢若干次以確保不是誤操作的影響，此時可清除數據存儲器中已記錄的數據次數和一系列標誌。

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當前級模擬處理電路有數據到來將會發出中斷請求信號，中斷流程圖見圖5。當單片機檢測到外部的中斷信號后，就會轉向服務子程序。在中斷服務子程序中要完成對A/D轉換、數據的變換、存儲及其它操作。中斷服務子程序也是軟體設計的核心，在檢測到外部中斷後，要處理以下事務：?

①A/D轉換。前級模擬處理電路的信號是模擬量，須經A/D處理后再將信號送入單片機。?

②數據的變換。由於前級模擬處理電路進行過幅值處理，故需對數據進行變換。

③數據存儲。為防意外掉電及便於查詢，須存儲次數、電流極性、幅值及發生時間等數值。

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為保證數據的準確性須進行數值處理。當中斷觸發電路發送中斷信號后，每隔一定的時間讓AD574採集一次數據並存儲。根據前面採集並已存儲的數據進行Lagrange插值多項式運算，即pn(x)?

因採用了幅值變換電路，故要根據所測結果提出修正係數並在程序中相乘。

3採取的可靠性措施及實測數據

設計時採取了以下措施：①看門狗電路具有自動複位的功能。②軟體設計時對複位按鍵的狀態進行一系列的判斷檢查，能夠確保正確查詢，防止誤操作。③I2C匯流排連接的E2PROM可在異常情況下保存住現場信息，故可大大提高整個系統的可靠性。

建築物的導電構架常被用作其避雷系統的引下線。建築物遭雷擊時導電構架上流經的雷電流在室內產生的瞬態電磁場可能幹擾敏感電子設備的正常運行。因此雷擊時室內電磁環境的分析對雷電危害的準確評估具有重要意義。在雷擊時室內電磁場分佈的數值模擬和模型試驗方面已有較多研究[1,4]，在這些研究中雷電流通常被模擬為波頭時間>2μs的雙指數波。但有觀測結果表明實測的雷電流波形可能要陡得多，波頭時間<1μs的並不罕見[2～3]。現有文獻在雷電流波形對室內磁場分佈的影響方面尚缺乏研究。本文用該數值模擬方法對此進行分析。?

建築物的導電構架可看成互相連接的分支導體構成的框架，見圖1。當建築物尺寸遠小於雷電流波的等效波長時，室內電磁場可看成准靜態場。在導電構架模型中將各分支導體分段，每段用集中參數π形等效電路表示。建立導電構架等效電路模型后，可用電路法計算構架中的電流分佈，再用麥克斯韋方程和比奧—薩法特定律求解建築物內的磁場分佈[4]。據此編寫了計算室內磁場分佈的數值模擬軟體。?

圖1所示的導電構架模型用直徑1cm的圓鋼構成3×4×3的導體網格，每段長0.6m。施加7.8/16μs峰值為1.7kA的試驗電流。用羅果夫斯基線圈測量各支路電流，用自製磁場測量線圈測量空間磁場，經校核測量系統線性誤差<5%。將相應的雙指數脈衝電流波形參數代入模擬程序得到計算值。圖2比較第二層中垂直支路分流係數(支路電流與總注入電流的峰值之比)的測量值與計算值。實測和計算值間差異<10%。為減小引線電流(從Y軸方向引入)的影響，測量Y方向的磁場。圖3是在Z=90cm(第二層)，X=3cm的各點上磁感應強度的測量和計算結果，實測值和計算值吻合。?

為分析雷電流波形對雷擊時室內磁場的影響，用表1的6種雷電流模型進行模擬計算。模型A和B是根據文獻[2]提出的雷電流模型忽略建築物高度的影響得到的。A、B和C的波頭時間相近，形狀相異，見圖4。C在出現波峰后電流衰減較慢，B有較大直流分量，C、D、E和F都是雙指數波，主要差別為波頭時間不同。?

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導電構架如圖1所示的建築物，假定各分支導體長10m，直徑2cm，電阻率ρ=9.8×10-8Ω·m，接地電阻0.25Ω，雷電流從樓頂的一角引入。用表1中的6種雷電流模型計算各分支導體上的電流分佈和高度為5、15和25m平面上的磁場分佈。模型A、B、C下分支導體上的電流波形大致相同，有較強的高頻振蕩。圖5比較採用模型B和D計算的第10條分支導體(圖1中虛線位置)上的電流波形。採用模型D時的電流波形上的高頻振蕩要小得多。

用不同的雷電流波形算得的磁場分佈見表2。用模型A、B、C計算的三個樓層上的磁場分佈大致相同。圖6是採用B計算的第二層的磁場分佈。比較表2中用C、D、E和F計算的磁場分佈，在相同雷電流峰值下，波頭時間越短室內的磁場強度越大。雷電流波形對磁場分佈的影響是電流波在導電構架中的折反射引起的。因而雷電流的波頭時間對磁場分佈的影響較大，而雷電流波形形狀的影響很小。此外，當波頭時間較大時，隨著樓層的降低磁場明顯下降。在波頭時間<1μs時各層間的磁場分佈較接近。此時雖然隨著樓層的降低電流分佈漸趨平衡，但低層分支導體上的高頻振蕩加劇，導致低層空間的磁場強度變大，使各層間的磁場分佈相接近。?

為進一步了解雷電流波頭時間對磁場分佈的影響，在1×2×2的建築物導電構架模型上(分支導體長度為10m)，採用C、D、E、F進行計算。圖7是在高度為15m(第二層)和5m(第一層)處，沿X=0.5m各點上的磁場分佈(以雷擊點正下方地面處為坐標原點)，圖中4條曲線從上到下依次對應於模型C、D、E、F。室內磁場強度隨波頭時間減小而升高的趨勢很明顯。

不同雷電流波形下室內磁場分佈的模擬結果表明，在雷電流波頭時間相近時，雷電流波形的形狀對建築物導電構架上的電流分佈和空間磁場分佈影響不大，但雷電流波頭時間的影響較大，波頭時間越短室內磁場越大。在雷擊時室內磁場分佈的估算中採用雙指數雷電流波形即可，但採用的波頭時間>2μs時會因波頭陡度不足而低估室內可能出現的磁場水平。?

為了認真分析雷擊建築物時防雷裝置與低電壓供電系統中雷電過電壓和雷電流的分配問題，國內防雷學術界進行了熱烈的討論。這種討論對我們學習IEC防雷規範和制訂我國建築物防雷規範是非常重要的。由於大家從事的工作和專業不同以及由此產生的一些不同觀點，這是很自然的事。我們要本著實事求是的原則，建設性地討論這些問題。歷史上，我國防雷學者曾經進行過大量防雷試驗研究，提出過諸如DBSGP(分流、搭接、屏蔽、接地、保護)系統防雷理論，建築物防雷6項設計要素和3道防雷的防線(或稱3個防雷子系統)的整體防雷和綜合防雷的設計思想。其中許多內容已經寫入GB50057-94《建築物防雷設計規範》之中，如第3．3．9條第二款第一項和第三款第一項，即關於進出線用鐵管做屏蔽段的規定。這些防雷規定是有充分試驗根據和長期運行經驗所肯定的。IEC防雷規範是世界上先進的防雷規範之一，我們要虛心學習，好好消化。拿來主義也要取其所長補其所短，不能生吞活剝地“等同採用”。IEC61312-3；2000，IDT《雷電電磁脈衝的防護，第三部分：對浪涌保護器的要求》文本中圖趴、圖B2、圖B7、圖B9、圖B10都是講的雷電流向外部其他建築物和變壓器擴散的情況。在雷電反擊情況下，用架空線連接的建築物和供電線路容易產生擴大的雷擊事故，這些分析都是對的。這些我國防雷學者早有分析並提出過解決問題的辦法，即進出線用鐵管做屏蔽段的規定。但上述IEC防雷規範並沒有給出雷擊建築物時其內部電路中的過電壓和過電流的分析與計算方法。防雷裝置中的雷電流的分配按電流源來計算，雷電流作用於接地裝置產生過電壓，它成為新的電壓源。此後反擊雷電流的分配和計算都要從反擊過電壓算出來，而不是從接地和線路各50%的估算出來。該IEC防雷規範中提出的假設是雷電流波形在反擊過程中保持10/350μs不變，“在衝擊電流的開頭階段，電流的分配由系統的電感L(電源)/L(接地裝置)確定；在衝擊電流尾部，電涌電流的分配按[I(接地裝置)/I(電源)]∞[R(電源)/R(接地裝置)]來計算”。這樣的假設不符合正規的電工原理，它忽略了雷電流在接地網中的反射過程和建築物中電氣線路的電磁耦合過程。雷擊時接地體上的電暈現象使其接地電阻值呈現非線性特性，再加上接地體的電感作用，建築物結構中的電磁振蕩過程，所以接地網上的反擊電壓不可能維持10/350μs不變。有電磁閉鎖效應的鐵管屏蔽段足以使建築物內的電氣線路耦合係數達到0．0001-0．01，那種毛估的計算方法是不對的。在反擊情況下，各級SPD都處於等電位和並聯狀態下，它們共同處於高電位。在此情況下它們動作的先後決定於哪一個的起動快和起動電壓低。開關型的SPDl的起動時延長、起動電壓高，所以它不能率先啟動。在SPD1後接有脫耦電感線圈，反擊時它的電壓降使SPDl所承受的電壓更低，它更不能起動。用電子觸髮型的SPDl可能解決其不能先期起動的問題，但是有可能發生截波問題，即電壓的突然跌落問題。電子儀器特別懼怕電壓突變，變壓器的繞組也懼十白截波電壓。這些問題防雷設計人員不可不小心。採用氧化鋅MOV做SPD就是為了利用它的非線性電阻的特性，它具有防止電磁振蕩和限壓的能力。從各種過電壓保護方案的比較中可以看出，適當增加限壓型SPD的通流容量，做大它的乙是比較好的。用開關型的SPDl還將在系統電路設計中遇到許多麻煩，在防範反擊雷電流的措施中它不是優選方案。以上幾個方面的討論歡迎大家批評指正。