電弧形態(tài)對(duì)雷電流光輻射強(qiáng)度觀測的影響

周蜜， 趙偉翰， 秦鋒， 王建國， 范雅蓓， 蔡力， 樊亞東

(1.武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2.西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024；3.強(qiáng)電磁脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

0 引 言

雷電是自然界一種長距離放電現(xiàn)象[1-2]，云對(duì)地閃電過程中產(chǎn)生的大電流、高溫和強(qiáng)電磁輻射等物理效應(yīng)會(huì)對(duì)地面建筑、電力電子設(shè)備等造成嚴(yán)重威脅[3-6]。由于雷電本身的隨機(jī)性和不可預(yù)測性，直接測量雷電流較為困難?，F(xiàn)階段研究表明，雷電流放電過程中光輻射強(qiáng)度與雷電流之間存在密切聯(lián)系[7-9]，因此通常使用光學(xué)測量方法作為雷電流的間接測量手段。研究雷電流與其光強(qiáng)之間的聯(lián)系能夠了解雷電發(fā)展全過程[10-11]并建立電磁輻射計(jì)算模型[12-14]以進(jìn)行相關(guān)防護(hù)措施研究[15-17]。

過去對(duì)雷電流光學(xué)特征觀測過程中，往往會(huì)觀測到光強(qiáng)波形產(chǎn)生一定程度畸變。如，在對(duì)自然閃電觀測的研究中[18-20]，Wang等[19]在自然雷電的通道亮度和通道底部電流的同步觀測中首次報(bào)道了“駝峰”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著電流不斷下降，光輻射強(qiáng)度信號(hào)呈現(xiàn)出一種上升趨勢(shì)，在后續(xù)衰減過程中達(dá)到第二個(gè)最大峰值。針對(duì)于人工觸發(fā)閃電觀測[21-25]，Zhou等[23]在1次閃電的7次回?fù)糁?，發(fā)現(xiàn)其中1次回?fù)魧?duì)應(yīng)的光強(qiáng)波形中存在一個(gè)不尋常的“凸起”，他們推測與回?fù)舻牟煌种в嘘P(guān)。Quick等[24]在70次火箭觸發(fā)閃電的通道光強(qiáng)度波形中，發(fā)現(xiàn)某些光強(qiáng)在初始上升階段之后的衰減比對(duì)應(yīng)電流的衰減更為迅速，而在后續(xù)衰減階段，光強(qiáng)波形出現(xiàn)“平臺(tái)”或“第二峰值”，對(duì)應(yīng)電流則均勻減小，即不存在類似光強(qiáng)的“平臺(tái)”或“第二峰值”，他們推測這一現(xiàn)象與電弧通道冷卻有關(guān)。Carvalho等[25]總結(jié)了15次觸發(fā)雷電回?fù)暨^程的光學(xué)觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)通道光強(qiáng)波形在首次峰值之后，緊接著出現(xiàn)第二次峰值，推測這一現(xiàn)象可能與回?fù)綦娏鞣逯岛笸ǖ览鋮s過程中相關(guān)譜線強(qiáng)度增加有關(guān)。通過在實(shí)驗(yàn)室模擬雷電流進(jìn)行通道光學(xué)觀測[26-29]，Lu等[28]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀測狹縫未能對(duì)準(zhǔn)放電間隙時(shí)，光強(qiáng)波形中往往會(huì)出現(xiàn)“駝峰”。上述在自然界、人工觸發(fā)閃電及實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中，盡管都報(bào)道過通道光強(qiáng)度波形的畸變問題，但其成因至今沒有取得較為清晰的認(rèn)識(shí)。

本文通過在高壓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬產(chǎn)生類似自然界兩種不同分量類型的雷電流，使用兩種具有不同光譜響應(yīng)的光強(qiáng)探測系統(tǒng)，對(duì)電弧通道產(chǎn)生的光輻射強(qiáng)度進(jìn)行同步測量，圍繞不同電極形狀和電極燒蝕產(chǎn)生的扭曲電弧，探究電弧形態(tài)對(duì)光輻射強(qiáng)度觀測的影響，以期對(duì)上述討論中存在的問題進(jìn)行解釋。

1 試驗(yàn)布置

使用實(shí)驗(yàn)室電弧放電通道電流和光輻射強(qiáng)度同步觀測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)電流產(chǎn)生的通道光輻射進(jìn)行觀測，試驗(yàn)布置如圖1(a)和圖1(b)所示。沖擊電流發(fā)生器和連續(xù)電流發(fā)生器分別模擬產(chǎn)生類似自然界回?fù)艉瓦B續(xù)電流分量。兩種電流發(fā)生器均主要由交流試驗(yàn)變壓器、整流器、電容器組、電感器組、觸發(fā)間隙和調(diào)波電阻組成，通過改變電流發(fā)生器的電路參數(shù)獲取期望的電流波形，這些電流波形由Pearson電流傳感器(Model 4418)進(jìn)行測量，其輸出靈敏度為0.001 V/A，帶寬為1 Hz～1.2 MHz，最大測量電流峰值為500 kA，最大測量電流時(shí)間積分為75 A·s。

通道光輻射強(qiáng)度觀測系統(tǒng)由雪崩光電倍增管模塊、透射率為0.1%的中性密度濾光片、延伸管和可調(diào)節(jié)狹縫組成，狹縫寬度為0.5 mm，狹縫與放電間隙之間距離為110 cm，狹縫經(jīng)嚴(yán)格校正對(duì)準(zhǔn)放電中心。選取兩種光譜響應(yīng)不同的光強(qiáng)觀測系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行觀測，其中A型光強(qiáng)觀測系統(tǒng)帶寬為DC～50 MHz，響應(yīng)峰值為600 nm、波長范圍為200～1 000 nm；B型光強(qiáng)觀測系統(tǒng)帶寬為DC～50 MHz，響應(yīng)峰值為800 nm，波長范圍為400～1 000 nm。光強(qiáng)探測系統(tǒng)擺放以及光譜響應(yīng)曲線如圖1(c)和圖1(d)所示。放電電極選取直徑為10 mm的圓柱形石墨棒電極。靜止相機(jī)采用長時(shí)間曝光的方法記錄每次放電時(shí)的電弧形態(tài)，曝光時(shí)間設(shè)置為10 s。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

2.1 電極形狀與電弧形態(tài)

為探究試驗(yàn)中電極端部形狀對(duì)光輻射強(qiáng)度觀測的影響，分別選用圓柱形平面石墨棒電極與曲面石墨電極進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1(a)所示。輸入的電流波形為模擬回?fù)綦娏鞑ㄐ?，幅值約為5.5 kA。

首先，使用平面電極作為放電電極，在保持試驗(yàn)過程中參數(shù)設(shè)置等因素不變的情況下進(jìn)行了多次重復(fù)性試驗(yàn)。通過觀察靜止相機(jī)記錄的每次電弧形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，電弧多呈現(xiàn)扭曲形態(tài)，示例見圖2，總體表現(xiàn)為在空間位置上沿石墨電極放電間隙四周擺動(dòng)，相對(duì)于電極中軸線存在不同程度的偏移，即電弧通道不能保持相對(duì)穩(wěn)定。從光電探測系統(tǒng)觀測的角度觀察，圖2(a)～圖2(i)中，電弧總體朝向光電探測系統(tǒng)的方位凸起，位于放電電極與光電探測器兩者之間；圖2(d)呈現(xiàn)出電弧通道總體沿順時(shí)針偏移，而圖2(i)則是總體表現(xiàn)為逆時(shí)針偏移的電弧通道。圖2(j)～圖2(l)中，電弧相對(duì)遠(yuǎn)離光強(qiáng)探測系統(tǒng)，位于放電電極的后方，電弧形態(tài)同樣呈彎曲的弧形，電弧的部分發(fā)光區(qū)域被電極遮擋。對(duì)于不同的放電過程，電弧通道偏移兩電極中軸線的程度也各不相同。放電過程中，電弧并未在兩個(gè)電極之間的最短距離(或兩電極中軸線)處建立穩(wěn)定的放電通道，而是在平面電極的邊沿處率先產(chǎn)生，并在遠(yuǎn)離電極中軸線處拉長，總體呈現(xiàn)出圍繞石墨電極四周游動(dòng)的現(xiàn)象，這是由于圓柱形平面電極上下平面邊沿為電場激增處，放電更容易在平面電極邊沿處率先起始。當(dāng)平面電極表面相對(duì)越平整、越光滑，施加電壓后兩電極平面之間形成的電場越對(duì)稱，電弧在邊沿處產(chǎn)生的位置也相應(yīng)更為隨機(jī)。

保持通道注入的模擬回?fù)綦娏鞑蛔?，如圖3(a)所示，觀測到光輻射強(qiáng)度波形存在較大差異，大致可以歸為以下兩類：正常波形和畸變波形。當(dāng)光輻射強(qiáng)度波形為正常波形時(shí)，如圖3(b)，類似文獻(xiàn)[27]所報(bào)道的，首先經(jīng)歷一個(gè)快速上升階段達(dá)到峰值，隨后幅值快速下降而后進(jìn)入緩慢衰減階段。當(dāng)光輻射強(qiáng)度波形為畸變波形時(shí)，如圖3(c)，觀測到的結(jié)果中出現(xiàn)明顯“駝峰”現(xiàn)象，并產(chǎn)生幅值的變化。值得注意的是，由于兩種光電探測器的光譜響應(yīng)有所區(qū)別，觀測到的波形之間也有差異。A型光電探測器觀測到的“駝峰”現(xiàn)象出現(xiàn)在峰值過后的快速衰減階段，而B型光電探測器在波形的上升階段觀測到了“駝峰”。兩種不同型號(hào)的光電探測器同時(shí)觀測到波形發(fā)生畸變，說明光輻射強(qiáng)度畸變波形與所觀測的電弧本身發(fā)光情況有關(guān)。

圖1 試驗(yàn)布置與概況Fig.1 Experiment setup and overview

圖2 平面電極對(duì)應(yīng)的模擬回?fù)綦娏麟娀⌒螒B(tài)Fig.2 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the planar electrode

結(jié)合平面電極產(chǎn)生的多種電弧形態(tài)，當(dāng)電弧通道主要位于平面電極中心軸線處附近時(shí)，觀測到的光輻射強(qiáng)度波形多表現(xiàn)為正常波形，幅值較高；當(dāng)電弧通道出現(xiàn)明顯扭曲或位于相對(duì)遠(yuǎn)離光強(qiáng)觀測系統(tǒng)的電極側(cè)后方時(shí)，觀測到的光輻射強(qiáng)度波形極易發(fā)生畸變，具體表現(xiàn)為產(chǎn)生“駝峰”且光強(qiáng)幅值存在一定程度的降低。隨后，使用曲面石墨電極作為放電電極，兩電極之間的電場均勻程度有所增加，間隙之間電場分布更加均勻?qū)ΨQ。靜止相機(jī)增添灰度濾光片以便于更加清楚確定電弧通道的形態(tài)，同時(shí)降低環(huán)境光干擾。重復(fù)試驗(yàn)后觀察電弧形態(tài)，示例如圖4。相較圓柱形平面電極放電時(shí)電弧的扭曲和四周飄動(dòng)，當(dāng)電極端部為曲面時(shí)，電弧雖然存在細(xì)微的彎曲，但大體上總是沿著上下兩電極中軸線在尖端之間最短處建立放電通道，電弧總體是筆直的，且相對(duì)于中軸線對(duì)稱。兩種光強(qiáng)觀測系統(tǒng)同步觀測到的光輻射強(qiáng)度波形畸變率也相應(yīng)大幅減小。因此，平面電極相較于曲面電極更容易產(chǎn)生扭曲的電弧，對(duì)應(yīng)觀測到的光輻射強(qiáng)度波形往往也會(huì)出現(xiàn)一定的畸變，如出現(xiàn)“駝峰”或峰值減小。

圖4 模擬回?fù)綦娏鲗?duì)應(yīng)曲面電極對(duì)應(yīng)的電弧形態(tài)Fig.4 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the curved electrode

2.2 電極燒蝕與電弧形態(tài)

為探究電弧放電過程中石墨表面的不同燒蝕程度對(duì)電弧形態(tài)的影響，本文還采用相較于模擬回?fù)綦娏鞒掷m(xù)時(shí)間更長、電荷轉(zhuǎn)移量更大的模擬連續(xù)電流作為輸入，進(jìn)一步研究不同電弧形態(tài)與光輻射強(qiáng)度觀測結(jié)果之間的聯(lián)系。試驗(yàn)采用圓柱形曲面石墨電極，表面對(duì)稱且光滑。

在保持試驗(yàn)布置的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次重復(fù)性放電試驗(yàn)。圖5和圖6分別展示了前幾次放電對(duì)應(yīng)的電弧形態(tài)和經(jīng)歷多次試驗(yàn)后放電對(duì)應(yīng)的電弧形態(tài)。在前幾次放電試驗(yàn)中，電弧發(fā)光區(qū)域主要分布在曲面電極的間隙之間，電弧通道自下而上逐漸變寬，呈倒三角形，發(fā)光區(qū)域較?。浑S著試驗(yàn)次數(shù)逐漸累積，可以明顯觀察到放電電弧逐漸向尾部逐漸延伸擴(kuò)張，出現(xiàn)較長的“拖尾”，發(fā)光區(qū)域明顯增大。圖7(a)所示為每次放電注入的模擬連續(xù)電流波形。根據(jù)光強(qiáng)觀測系統(tǒng)的觀測結(jié)果可知，前幾次放電試驗(yàn)中，模擬連續(xù)電流對(duì)電極表面影響程度較小，光輻射強(qiáng)度能夠較好地跟隨電流波形，如圖7(b)所示；隨著累計(jì)放電次數(shù)的增加，光輻射強(qiáng)度的波形出現(xiàn)明顯的畸變現(xiàn)象(圖7(c))，具體表現(xiàn)為兩種光強(qiáng)波形在中部平坦期出現(xiàn)向下凹陷，與圖7(b)中光強(qiáng)波形存在較大差異。

圖5 模擬連續(xù)電流對(duì)應(yīng)電極燒蝕前期電弧形態(tài)Fig.5 Arc channels in the early stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

圖6 模擬連續(xù)電流對(duì)應(yīng)電極燒蝕后期電弧形態(tài)Fig.6 Arc channels in the late stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

由于連續(xù)電流持續(xù)時(shí)間較長，電流電弧產(chǎn)生時(shí)的大量焦耳熱對(duì)石墨放電處表面灼燒，以至于多次重復(fù)試驗(yàn)中電弧形態(tài)難以保持穩(wěn)定。每次放電之后電極表面出現(xiàn)一定程度的燒蝕痕跡，如圖8所示，左側(cè)為電弧頭部電極，右側(cè)為電弧尾部電極，電極表面燒蝕痕跡與圖6中電弧形態(tài)相吻合；隨著放電次數(shù)的逐漸增多，電弧總會(huì)在表面燒蝕區(qū)域繼續(xù)建立新的通道，燒蝕區(qū)域則是沿電弧通道的延伸不斷增大、燒蝕深度增加，燒蝕的嚴(yán)重程度與每次放電時(shí)電流波形參數(shù)(如電流幅值、電流持續(xù)時(shí)間等)以及累積放電次數(shù)密切相關(guān)。電極燒蝕會(huì)影響電弧形態(tài)進(jìn)而對(duì)光輻射強(qiáng)度波形造成影響，導(dǎo)致觀測到的光輻射強(qiáng)度結(jié)果存在一定的偏差。

圖7 模擬連續(xù)電流與光強(qiáng)同步波形Fig.7 Synchronous waveforms of current and luminosity corresponding to the simulated continuing current

圖8 模擬連續(xù)電流對(duì)應(yīng)電極燒蝕情況Fig.8 Electrode ablation corresponding to the simulated continuing current

3 討 論

本文圍繞電極形狀和電極燒蝕，比較了正常電弧和扭曲電弧與其分別對(duì)應(yīng)的光輻射強(qiáng)度波形。結(jié)果表明，電弧形態(tài)的扭曲會(huì)引起對(duì)應(yīng)光強(qiáng)度出現(xiàn)畸變，而正常形態(tài)的電弧幾乎不會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。

Quick等[24]與Carvalho等[25]認(rèn)為，這種畸變現(xiàn)象可能與相關(guān)譜線的變化有關(guān)，而在對(duì)自然界雷電觀測相關(guān)研究中，觀測到光輻射強(qiáng)度畸變并非總是存在于每次光學(xué)觀測之中。依照本文觀測結(jié)果推測，當(dāng)電弧無法保持在電極中軸線處穩(wěn)定放電、電弧形態(tài)發(fā)生劇烈變化時(shí)，相應(yīng)光輻射強(qiáng)度波形容易發(fā)生畸變，產(chǎn)生“駝峰”。光強(qiáng)觀測系統(tǒng)本身是對(duì)通道電弧的光輻射強(qiáng)度進(jìn)行觀測并保持與通道間隙中心絕對(duì)水平且嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)的觀測角度，如果電弧相較于光強(qiáng)觀測系統(tǒng)觀測方位出現(xiàn)位置上的偏移，則會(huì)很大程度上影響最后的觀測結(jié)果。以平面電極放電為例，由于電極形狀導(dǎo)致電場分布不均勻，放電時(shí)電弧在兩電極邊沿隨機(jī)建立曲線放電通道。當(dāng)電弧出現(xiàn)在相對(duì)光強(qiáng)觀測系統(tǒng)探頭狹縫較遠(yuǎn)的側(cè)后方時(shí)，電弧通道發(fā)展過程中會(huì)經(jīng)歷先遠(yuǎn)離光強(qiáng)觀測系統(tǒng)隨后靠近探測器的階段，完整電弧通道中不同位置相對(duì)光強(qiáng)觀測系統(tǒng)之間的距離也會(huì)出現(xiàn)差異。因此在放電電弧通道發(fā)展過程中，光輻射自產(chǎn)生至抵達(dá)光強(qiáng)觀測系統(tǒng)狹縫的時(shí)間也會(huì)存在細(xì)微的變化。由于觀測對(duì)象本身的空間形態(tài)扭曲引起光輻射強(qiáng)度波形出現(xiàn)波動(dòng)起伏，產(chǎn)生了“駝峰”等現(xiàn)象，觀測到的光輻射強(qiáng)度幅值同樣會(huì)由于側(cè)后方的電弧距離較遠(yuǎn)而有所降低。當(dāng)電弧能夠在固定通道穩(wěn)定產(chǎn)生時(shí)，波形的畸變率大大下降，光輻射強(qiáng)度與電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為理想。

自然界閃電和實(shí)驗(yàn)室模擬閃電研究觀測到的畸變波形與本文闡述的電弧形態(tài)帶來的影響密切相關(guān)。自然界閃電放電過程中，放電通道電弧并非一條直線，其空間形態(tài)相對(duì)于地面閃電光學(xué)觀測系統(tǒng)較為彎曲，觀察光輻射強(qiáng)度波形時(shí)出現(xiàn)“駝峰”與本文中實(shí)驗(yàn)室觀測模擬雷電電弧時(shí)由于電弧形態(tài)不固定導(dǎo)致的“駝峰”現(xiàn)象較為相似。

本文利用靜止相機(jī)對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)生的電弧進(jìn)行記錄，所得照片為多幀疊加后的電弧形態(tài)。后續(xù)研究將采用高速相機(jī)觀測每次放電過程中電弧形態(tài)隨時(shí)間的變化，進(jìn)一步探究電弧形態(tài)與光輻射強(qiáng)度觀測之間的聯(lián)系。

4 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生模擬回?fù)艉瓦B續(xù)電流探究電弧形態(tài)對(duì)光輻射強(qiáng)度波形觀測的影響，分析了電極形狀和電極表面燒蝕與電弧形態(tài)之間的聯(lián)系。結(jié)果表明，平面電極相較于曲面電極更容易產(chǎn)生扭曲的電弧形態(tài)，重復(fù)放電過程中導(dǎo)致的電極表面燒蝕同樣會(huì)導(dǎo)致電弧形態(tài)發(fā)生扭曲。光輻射強(qiáng)度波形中的“駝峰”現(xiàn)象與電弧形態(tài)有關(guān)，電弧形態(tài)的扭曲與光學(xué)觀測中光強(qiáng)波形畸變之間存在緊密聯(lián)系。