标题：雷电流
揭秘“捉雷人”：
夏季来临，广东省雷暴灾害频繁，一群年轻人踏足广东省从化市，准备在这里用人类的力量捉雷逐电！他们将采取什么样的手段与雷神对抗，神秘武器能否成功引雷？是什么给了他们如此之大的勇气，他们将面临怎样的危险和挑战？风云变幻莫测，地球上最强大的电流能否被人类及时捕捉？
这间铁皮房虽然看似简陋，但是全金属的外壳与地下良好的接地网构成了一个简易的法拉第笼。在法拉第笼中，电流会选择比人更好的导体——金属进行流通直入地下，人在法拉第笼内因为不存在高低电位差，因此不会有电流通过身体，也就不会触电。而这铁皮房内的年轻人就是利用这个原理保证自己在雷击的时候不会发生危险。
雷电是危害人类最严重的气象灾害之一。因为缺乏防备，每年全世界都会有数千人死于雷击，仅仅在中国，每年雷击死亡人数就超过1000人，经济损失达到数十亿元。雷电生成速度极快，会在一瞬间随机寻找目标，进行摧毁性打击。这种强大的力量从发生到结束转瞬即逝，使得它越发神秘。人类研究雷电历史悠久，但是依然有诸多谜团悬而未决。仅仅通过等待和观测自然闪电已经无法满足对人对雷电迫切的探索之心。科学界就想到了人工引雷的办法，通过这样的野外实验模拟真实的雷电环境，探索更深的雷电物理性能，还能够完善雷电的定位系统，并且近距离测试各种电子设备的防雷性能。
火箭在人类的历史上，是举足轻重的科技大发明。它是依靠发动机喷射产生的反作用力推进的飞行器。它既可以飞行在大气中，又可以冲出地球直达外层空间，作为人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具和助推器。火箭还可以用于军事，作为导弹和火箭弹的动力主体，构成火箭武器。
引言
为提高系统运行安全，防雷保护必须十分可靠，因此必须对雷电流进行在线跟踪测量。采用89C51单片机实现雷电流在线监测可以测量避雷针、铁塔等处的雷电流。雷电发生时，只要流过避雷针、铁塔等处的雷电流达到一定的幅值，雷电流跟踪测量系统就会记录下雷电发生的时间、极性和幅值等数据。这种测量方法由单片机自动控制，用户可通过按键方便的查看已记录的数据。通过雷电流跟踪测量系统测量到的数据，可为系统中设备运行提供科学依据，同时还可为全国雷电流研究提供直接的数据，以利于对雷电流进行更深入的研究。?
1硬件构成
雷电流的跟踪测量系统的硬件由电流互感器、模拟信号处理电路、单片机控制器、A/D转换芯片、独立时钟电路、I2C总线数据存储器、看门狗电路、液晶显示电路及其它外围电路组成见图1。请登陆:输配电设备网浏览更多信息1.1电流互感器?
测量冲击电流一般用无铁心的“空心”互感器，把副线圈围住载有被测电流的导体，以避免冲击电流高频分量产生的缺损影响测量准确度，且较高的di/dt也可感应出足够的测量信号［1］。此种测量用的副线圈即“罗哥夫斯基线圈”,其屏蔽盒外观见图2，其中1为罗哥夫斯线圈，2为铁屏蔽盒，3为被测物，4为切断环流开槽，5为切断磁旁路开槽。?
罗哥夫斯基线圈主要考虑以下几个问题：?
①因雷电流的频带很宽(0～几百kHz)，须增加等效电感和减少等效电阻。使绕制的线圈线径尽可能大，寻找线圈的合适匝数可使等效电感增大。?
②为使后级电路线性，必须使从罗哥夫斯基线圈输出的电流的线性度好。?
③采用高压传输可减少干扰，为避免线圈出口处引线分岔和外磁场的干扰，将线圈一端的引线回头穿入线圈内部，再从另一端出来，这样两端的出头便可合在一起见图3；同时，在整个线圈外加屏蔽以防线圈和测量回路受不必要的电容耦合。为避免屏蔽在线圈处形成短路匝，应在屏蔽上开个小缝见图3，以使主磁通进入线圈。?请登陆:输配电设备网浏览更多信息1.2模拟信号处理电路?
①电流的极性变换。为使测量适应不同极性的输入电压，须加极性变换电路,使后级电路在同一极下进行测量。?
②电流的峰值保持。从罗哥夫斯基线圈中取出的电流变化很快(μｓ)，为测量电流值，采用峰值保持电路来达到保持电流峰值的目的。?
③电流的幅值变换。采取一些幅值变换电路把太大的电流变小，达到ADC的采样要求，以利于后级电路的处理。?
④极性信号的采集。采用极性采集电路，将电流的极性记录下来，然后送到后级电路进行处理。?
⑤给后一级数字电路控制信号。当电流幅值采样并进行处理后，为使后一级数字电路的ADC采集电流信号而加的控制信号，即当电流幅值采样并进行处理后，给单片机发控制信号，单片机接收到这个控制信号后，给ADC发采样信号使ADC工作。?1.3单片机控制器?
89C51单片机是8位单片机。采用CMOS工艺，与Intel的8051单片机在管脚功能上完全兼容［2］，具有256字节的RAM，可用来存原始数据。4KB的EPROM可用来存原始数据。它具有8位并行I/O接口P0～P3，每个口即可作输入也可作输出。两个定时器可实现对计算机的控制。它还具有5个中断源的中断控制系统、片内振荡器和时钟产生电路。?
来源:www.tede.cn1.4复位与看门狗电路?
当电源上电、掉电时，采用MAX813L作为电源监视和看门狗电路，可提供复位电平,且当其WDI管脚不能采集到翻转信号时，就会发送200ms的复位脉冲。用P1.2脚定时(≤1.5s)向看门狗电路发送电压翻转信号,当外部干扰或其他原因致死机或系统工作不正常时，看门狗自动发出复位信号。?1.512位逐次逼近型快速A/D转换器?
该转换器转换速度最大为35μｓ，转换精度≤0.05%，AD574片内配有三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，且与CMOS用TTL电平兼容。当89C51发生外部中断后，89C51给AD574一个信号，AD574则模拟信号转化为数字信号供89C51处理。?1.6独立时钟电路?
时钟/日历电路采用DS1302高性能、低功耗带RAM的实时时钟芯片，提供时间等信息，记录雷电发生的时间，能对2000年问题和<31天的月自动进行调整。DS1302具有慢速充电功能，可独立运行，这样即使主电源发生停电仍可由备用电源供电，保证了DS1302的正常运行。?1.7I2C数据存储器?
采用的24LC65是8K×8(64K位)的串行EEPROM(电可擦除PROM)，工作电压范围很宽(2.5V到6.0V)。24LC65采用可与I2C互操作的2线接口，大大减少了系统接口。?来源:输配电设备网1.8数据的显示?
采用16×2(字符×行)的字符型液晶模块，具有低功率、长寿命、高可靠性，可使用户能直观的观察到已记录的雷电流数据。?
2程序设计
程序设计主要由主程序、中断服务程序、数值处理程序。编程时着重考虑了对单片机的正确初始化、数据的采集与处理和数据的存储与显示等。?2.1主程序?
主程序主要完成系统的初始化：定时向看门狗电路发送电压翻转信号；液晶显示数据；查询复位按键和液晶显示翻页按键的状态，其流程图见图4。?
首先初始化各寄存器及堆栈地址，然后初始化8155，再从数据存储器中读取信息，并分别显示后查询复位按键和液晶显示翻页按键的状态。?
若查询到液晶显示翻页按键的状态为“1”，则调用液晶翻页显示子程序。先读取组数值，再读取组数、极性、电流幅值、时间等数据，并调用液晶显示子程序,同时注意加延时并在每1.5s内给看门狗一条指令CPLP1.2以确保看门狗能正常工作。
若查询到复位键已按下，需再反复查询若干次以确保不是误操作的影响，此时可清除数据存储器中已记录的数据次数和一系列标志。?来源:www.tede.cn2.2中断服务子程序?
当前级模拟处理电路有数据到来将会发出中断请求信号，中断流程图见图5。当单片机检测到外部的中断信号后，就会转向服务子程序。在中断服务子程序中要完成对A/D转换、数据的变换、存储及其它操作。中断服务子程序也是软件设计的核心，在检测到外部中断后，要处理以下事务：?
①A/D转换。前级模拟处理电路的信号是模拟量，须经A/D处理后再将信号送入单片机。?
②数据的变换。由于前级模拟处理电路进行过幅值处理，故需对数据进行变换。
③数据存储。为防意外掉电及便于查询，须存储次数、电流极性、幅值及发生时间等数值。2.3数值处理子程序?
为保证数据的准确性须进行数值处理。当中断触发电路发送中断信号后，每隔一定的时间让AD574采集一次数据并存储。根据前面采集并已存储的数据进行Lagrange插值多项式运算，即pn(x)?
因采用了幅值变换电路，故要根据所测结果提出修正系数并在程序中相乘。?来源:输配电设备网
3采取的可靠性措施及实测数据
设计时采取了以下措施：①看门狗电路具有自动复位的功能。②软件设计时对复位按键的状态进行一系列的判断检查，能够确保正确查询，防止误操作。③I2C总线连接的E2PROM可在异常情况下保存住现场信息，故可大大提高整个系统的可靠性。
雷电流对建筑物室内磁场的影响
引言建筑物的导电构架常被用作其避雷系统的引下线。建筑物遭雷击时导电构架上流经的雷电流在室内产生的瞬态电磁场可能干扰敏感电子设备的正常运行。因此雷击时室内电磁环境的分析对雷电危害的准确评估具有重要意义。在雷击时室内电磁场分布的数值仿真和模型试验方面已有较多研究[1,4]，在这些研究中雷电流通常被模拟为波头时间>2μｓ的双指数波。但有观测结果表明实测的雷电流波形可能要陡得多，波头时间<1μｓ的并不罕见[2～3]。现有文献在雷电流波形对室内磁场分布的影响方面尚缺乏研究。本文用该数值仿真方法对此进行分析。?1数值仿真方法及其实验验证建筑物的导电构架可看成互相连接的分支导体构成的框架，见图1。当建筑物尺寸远小于雷电流波的等效波长时，室内电磁场可看成准静态场。在导电构架模型中将各分支导体分段，每段用集中参数π形等效电路表示。建立导电构架等效电路模型后，可用电路法计算构架中的电流分布，再用麦克斯韦方程和比奥—萨法特定律求解建筑物内的磁场分布[4]。据此编写了计算室内磁场分布的数值仿真软件。?
图1所示的导电构架模型用直径1cm的圆钢构成3×4×3的导体网格，每段长0.6m。施加7.8/16μｓ峰值为1.7kA的试验电流。用罗果夫斯基线圈测量各支路电流，用自制磁场测量线圈测量空间磁场，经校核测量系统线性误差<5%。将相应的双指数脉冲电流波形参数代入仿真程序得到计算值。图2比较第二层中垂直支路分流系数(支路电流与总注入电流的峰值之比)的测量值与计算值。实测和计算值间差异<10%。为减小引线电流(从Y轴方向引入)的影响，测量Y方向的磁场。图3是在Z=90cm(第二层)，X＝3cm的各点上磁感应强度的测量和计算结果，实测值和计算值吻合。?2雷电流波形的模拟为分析雷电流波形对雷击时室内磁场的影响，用表1的6种雷电流模型进行仿真计算。模型A和B是根据文献[2]提出的雷电流模型忽略建筑物高度的影响得到的。A、B和C的波头时间相近，形状相异，见图4。C在出现波峰后电流衰减较慢，B有较大直流分量，C、D、E和F都是双指数波，主要差别为波头时间不同。?3雷电流波形对室内磁场分布的影响?
导电构架如图1所示的建筑物，假定各分支导体长10m，直径2cm，电阻率ρ＝9.8×10-8Ω·ｍ，接地电阻0.25Ω，雷电流从楼顶的一角引入。用表1中的6种雷电流模型计算各分支导体上的电流分布和高度为5、15和25m平面上的磁场分布。模型A、B、C下分支导体上的电流波形大致相同，有较强的高频振荡。图5比较采用模型B和D计算的第10条分支导体(图1中虚线位置)上的电流波形。采用模型D时的电流波形上的高频振荡要小得多。
用不同的雷电流波形算得的磁场分布见表2。用模型A、B、C计算的三个楼层上的磁场分布大致相同。图6是采用B计算的第二层的磁场分布。比较表2中用C、D、E和F计算的磁场分布，在相同雷电流峰值下，波头时间越短室内的磁场强度越大。雷电流波形对磁场分布的影响是电流波在导电构架中的折反射引起的。因而雷电流的波头时间对磁场分布的影响较大，而雷电流波形形状的影响很小。此外，当波头时间较大时，随着楼层的降低磁场明显下降。在波头时间<1μｓ时各层间的磁场分布较接近。此时虽然随着楼层的降低电流分布渐趋平衡，但低层分支导体上的高频振荡加剧，导致低层空间的磁场强度变大，使各层间的磁场分布相接近。?
为进一步了解雷电流波头时间对磁场分布的影响，在1×2×2的建筑物导电构架模型上(分支导体长度为10m)，采用C、D、E、F进行计算。图7是在高度为15m(第二层)和5m(第一层)处，沿X＝0.5m各点上的磁场分布(以雷击点正下方地面处为坐标原点)，图中4条曲线从上到下依次对应于模型C、D、E、F。室内磁场强度随波头时间减小而升高的趋势很明显。4结论不同雷电流波形下室内磁场分布的仿真结果表明，在雷电流波头时间相近时，雷电流波形的形状对建筑物导电构架上的电流分布和空间磁场分布影响不大，但雷电流波头时间的影响较大，波头时间越短室内磁场越大。在雷击时室内磁场分布的估算中采用双指数雷电流波形即可，但采用的波头时间>2μｓ时会因波头陡度不足而低估室内可能出现的磁场水平。?
雷击建筑物时雷电流的分配与SPD的使用
为了认真分析雷击建筑物时防雷装置与低电压供电系统中雷电过电压和雷电流的分配问题，国内防雷学术界进行了热烈的讨论。这种讨论对我们学习IEC防雷规范和制订我国建筑物防雷规范是非常重要的。由于大家从事的工作和专业不同以及由此产生的一些不同观点，这是很自然的事。我们要本着实事求是的原则，建设性地讨论这些问题。历史上，我国防雷学者曾经进行过大量防雷试验研究，提出过诸如DBSGP(分流、搭接、屏蔽、接地、保护)系统防雷理论，建筑物防雷6项设计要素和3道防雷的防线(或称3个防雷子系统)的整体防雷和综合防雷的设计思想。其中许多内容已经写入GB50057-94《建筑物防雷设计规范》之中，如第3．3．9条第二款第一项和第三款第一项，即关于进出线用铁管做屏蔽段的规定。这些防雷规定是有充分试验根据和长期运行经验所肯定的。IEC防雷规范是世界上先进的防雷规范之一，我们要虚心学习，好好消化。拿来主义也要取其所长补其所短，不能生吞活剥地“等同采用”。IEC61312-3；2000，IDT《雷电电磁脉冲的防护，第三部分：对浪涌保护器的要求》文本中图趴、图B2、图B7、图B9、图B10都是讲的雷电流向外部其他建筑物和变压器扩散的情况。在雷电反击情况下，用架空线连接的建筑物和供电线路容易产生扩大的雷击事故，这些分析都是对的。这些我国防雷学者早有分析并提出过解决问题的办法，即进出线用铁管做屏蔽段的规定。但上述IEC防雷规范并没有给出雷击建筑物时其内部电路中的过电压和过电流的分析与计算方法。防雷装置中的雷电流的分配按电流源来计算，雷电流作用于接地装置产生过电压，它成为新的电压源。此后反击雷电流的分配和计算都要从反击过电压算出来，而不是从接地和线路各50％的估算出来。该IEC防雷规范中提出的假设是雷电流波形在反击过程中保持10／350μs不变，“在冲击电流的开头阶段，电流的分配由系统的电感L(电源)／L(接地装置)确定；在冲击电流尾部，电涌电流的分配按[I(接地装置)／I(电源)]∞[R(电源)／R(接地装置)]来计算”。这样的假设不符合正规的电工原理，它忽略了雷电流在接地网中的反射过程和建筑物中电气线路的电磁耦合过程。雷击时接地体上的电晕现象使其接地电阻值呈现非线性特性，再加上接地体的电感作用，建筑物结构中的电磁振荡过程，所以接地网上的反击电压不可能维持10／350μs不变。有电磁闭锁效应的铁管屏蔽段足以使建筑物内的电气线路耦合系数达到0．0001-0．01，那种毛估的计算方法是不对的。在反击情况下，各级SPD都处于等电位和并联状态下，它们共同处于高电位。在此情况下它们动作的先后决定于哪一个的起动快和起动电压低。开关型的SPDl的起动时延长、起动电压高，所以它不能率先启动。在SPD1后接有脱耦电感线圈，反击时它的电压降使SPDl所承受的电压更低，它更不能起动。用电子触发型的SPDl可能解决其不能先期起动的问题，但是有可能发生截波问题，即电压的突然跌落问题。电子仪器特别惧怕电压突变，变压器的绕组也惧十白截波电压。这些问题防雷设计人员不可不小心。采用氧化锌MOV做SPD就是为了利用它的非线性电阻的特性，它具有防止电磁振荡和限压的能力。从各种过电压保护方案的比较中可以看出，适当增加限压型SPD的通流容量，做大它的乙是比较好的。用开关型的SPDl还将在系统电路设计中遇到许多麻烦，在防范反击雷电流的措施中它不是优选方案。以上几个方面的讨论欢迎大家批评指正。