周蜜， 赵伟翰， 秦锋， 王建国， 范雅蓓， 蔡力， 樊亚东

(1.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072； 2.西北核技术研究所，陕西 西安 710024；3.强电磁脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024)

0 引 言

雷电是自然界一种长距离放电现象[1-2]，云对地闪电过程中产生的大电流、高温和强电磁辐射等物理效应会对地面建筑、电力电子设备等造成严重威胁[3-6]。由于雷电本身的随机性和不可预测性，直接测量雷电流较为困难。现阶段研究表明，雷电流放电过程中光辐射强度与雷电流之间存在密切联系[7-9]，因此通常使用光学测量方法作为雷电流的间接测量手段。研究雷电流与其光强之间的联系能够了解雷电发展全过程[10-11]并建立电磁辐射计算模型[12-14]以进行相关防护措施研究[15-17]。

过去对雷电流光学特征观测过程中，往往会观测到光强波形产生一定程度畸变。如，在对自然闪电观测的研究中[18-20]，Wang等[19]在自然雷电的通道亮度和通道底部电流的同步观测中首次报道了“驼峰”现象，发现随着电流不断下降，光辐射强度信号呈现出一种上升趋势，在后续衰减过程中达到第二个最大峰值。针对于人工触发闪电观测[21-25]，Zhou等[23]在1次闪电的7次回击中，发现其中1次回击对应的光强波形中存在一个不寻常的“凸起”，他们推测与回击的不同分支有关。Quick等[24]在70次火箭触发闪电的通道光强度波形中，发现某些光强在初始上升阶段之后的衰减比对应电流的衰减更为迅速，而在后续衰减阶段，光强波形出现“平台”或“第二峰值”，对应电流则均匀减小，即不存在类似光强的“平台”或“第二峰值”，他们推测这一现象与电弧通道冷却有关。Carvalho等[25]总结了15次触发雷电回击过程的光学观测结果，发现通道光强波形在首次峰值之后，紧接着出现第二次峰值，推测这一现象可能与回击电流峰值后通道冷却过程中相关谱线强度增加有关。通过在实验室模拟雷电流进行通道光学观测[26-29]，Lu等[28]发现，当观测狭缝未能对准放电间隙时，光强波形中往往会出现“驼峰”。上述在自然界、人工触发闪电及实验室模拟试验中，尽管都报道过通道光强度波形的畸变问题，但其成因至今没有取得较为清晰的认识。

本文通过在高压实验室内模拟产生类似自然界两种不同分量类型的雷电流，使用两种具有不同光谱响应的光强探测系统，对电弧通道产生的光辐射强度进行同步测量，围绕不同电极形状和电极烧蚀产生的扭曲电弧，探究电弧形态对光辐射强度观测的影响，以期对上述讨论中存在的问题进行解释。

1 试验布置

使用实验室电弧放电通道电流和光辐射强度同步观测实验平台，对电流产生的通道光辐射进行观测，试验布置如图1(a)和图1(b)所示。冲击电流发生器和连续电流发生器分别模拟产生类似自然界回击和连续电流分量。两种电流发生器均主要由交流试验变压器、整流器、电容器组、电感器组、触发间隙和调波电阻组成，通过改变电流发生器的电路参数获取期望的电流波形，这些电流波形由Pearson电流传感器(Model 4418)进行测量，其输出灵敏度为0.001 V/A，带宽为1 Hz～1.2 MHz，最大测量电流峰值为500 kA，最大测量电流时间积分为75 A·s。

通道光辐射强度观测系统由雪崩光电倍增管模块、透射率为0.1%的中性密度滤光片、延伸管和可调节狭缝组成，狭缝宽度为0.5 mm，狭缝与放电间隙之间距离为110 cm，狭缝经严格校正对准放电中心。选取两种光谱响应不同的光强观测系统同时进行观测，其中A型光强观测系统带宽为DC～50 MHz，响应峰值为600 nm、波长范围为200～1 000 nm；B型光强观测系统带宽为DC～50 MHz，响应峰值为800 nm，波长范围为400～1 000 nm。光强探测系统摆放以及光谱响应曲线如图1(c)和图1(d)所示。放电电极选取直径为10 mm的圆柱形石墨棒电极。静止相机采用长时间曝光的方法记录每次放电时的电弧形态，曝光时间设置为10 s。

2 试验现象分析

2.1 电极形状与电弧形态

为探究试验中电极端部形状对光辐射强度观测的影响，分别选用圆柱形平面石墨棒电极与曲面石墨电极进行试验，如图1(a)所示。输入的电流波形为模拟回击电流波形，幅值约为5.5 kA。

首先，使用平面电极作为放电电极，在保持试验过程中参数设置等因素不变的情况下进行了多次重复性试验。通过观察静止相机记录的每次电弧形态，可以发现，电弧多呈现扭曲形态，示例见图2，总体表现为在空间位置上沿石墨电极放电间隙四周摆动，相对于电极中轴线存在不同程度的偏移，即电弧通道不能保持相对稳定。从光电探测系统观测的角度观察，图2(a)～图2(i)中，电弧总体朝向光电探测系统的方位凸起，位于放电电极与光电探测器两者之间；图2(d)呈现出电弧通道总体沿顺时针偏移，而图2(i)则是总体表现为逆时针偏移的电弧通道。图2(j)～图2(l)中，电弧相对远离光强探测系统，位于放电电极的后方，电弧形态同样呈弯曲的弧形，电弧的部分发光区域被电极遮挡。对于不同的放电过程，电弧通道偏移两电极中轴线的程度也各不相同。放电过程中，电弧并未在两个电极之间的最短距离(或两电极中轴线)处建立稳定的放电通道，而是在平面电极的边沿处率先产生，并在远离电极中轴线处拉长，总体呈现出围绕石墨电极四周游动的现象，这是由于圆柱形平面电极上下平面边沿为电场激增处，放电更容易在平面电极边沿处率先起始。当平面电极表面相对越平整、越光滑，施加电压后两电极平面之间形成的电场越对称，电弧在边沿处产生的位置也相应更为随机。

保持通道注入的模拟回击电流不变，如图3(a)所示，观测到光辐射强度波形存在较大差异，大致可以归为以下两类：正常波形和畸变波形。当光辐射强度波形为正常波形时，如图3(b)，类似文献[27]所报道的，首先经历一个快速上升阶段达到峰值，随后幅值快速下降而后进入缓慢衰减阶段。当光辐射强度波形为畸变波形时，如图3(c)，观测到的结果中出现明显“驼峰”现象，并产生幅值的变化。值得注意的是，由于两种光电探测器的光谱响应有所区别，观测到的波形之间也有差异。A型光电探测器观测到的“驼峰”现象出现在峰值过后的快速衰减阶段，而B型光电探测器在波形的上升阶段观测到了“驼峰”。两种不同型号的光电探测器同时观测到波形发生畸变，说明光辐射强度畸变波形与所观测的电弧本身发光情况有关。

图1 试验布置与概况Fig.1 Experiment setup and overview

图2 平面电极对应的模拟回击电流电弧形态Fig.2 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the planar electrode

结合平面电极产生的多种电弧形态，当电弧通道主要位于平面电极中心轴线处附近时，观测到的光辐射强度波形多表现为正常波形，幅值较高；当电弧通道出现明显扭曲或位于相对远离光强观测系统的电极侧后方时，观测到的光辐射强度波形极易发生畸变，具体表现为产生“驼峰”且光强幅值存在一定程度的降低。随后，使用曲面石墨电极作为放电电极，两电极之间的电场均匀程度有所增加，间隙之间电场分布更加均匀对称。静止相机增添灰度滤光片以便于更加清楚确定电弧通道的形态，同时降低环境光干扰。重复试验后观察电弧形态，示例如图4。相较圆柱形平面电极放电时电弧的扭曲和四周飘动，当电极端部为曲面时，电弧虽然存在细微的弯曲，但大体上总是沿着上下两电极中轴线在尖端之间最短处建立放电通道，电弧总体是笔直的，且相对于中轴线对称。两种光强观测系统同步观测到的光辐射强度波形畸变率也相应大幅减小。因此，平面电极相较于曲面电极更容易产生扭曲的电弧，对应观测到的光辐射强度波形往往也会出现一定的畸变，如出现“驼峰”或峰值减小。

图4 模拟回击电流对应曲面电极对应的电弧形态Fig.4 Arc channels of the simulated return-stroke current corresponding to the curved electrode

2.2 电极烧蚀与电弧形态

为探究电弧放电过程中石墨表面的不同烧蚀程度对电弧形态的影响，本文还采用相较于模拟回击电流持续时间更长、电荷转移量更大的模拟连续电流作为输入，进一步研究不同电弧形态与光辐射强度观测结果之间的联系。试验采用圆柱形曲面石墨电极，表面对称且光滑。

在保持试验布置的基础上进行多次重复性放电试验。图5和图6分别展示了前几次放电对应的电弧形态和经历多次试验后放电对应的电弧形态。在前几次放电试验中，电弧发光区域主要分布在曲面电极的间隙之间，电弧通道自下而上逐渐变宽，呈倒三角形，发光区域较小；随着试验次数逐渐累积，可以明显观察到放电电弧逐渐向尾部逐渐延伸扩张，出现较长的“拖尾”，发光区域明显增大。图7(a)所示为每次放电注入的模拟连续电流波形。根据光强观测系统的观测结果可知，前几次放电试验中，模拟连续电流对电极表面影响程度较小，光辐射强度能够较好地跟随电流波形，如图7(b)所示；随着累计放电次数的增加，光辐射强度的波形出现明显的畸变现象(图7(c))，具体表现为两种光强波形在中部平坦期出现向下凹陷，与图7(b)中光强波形存在较大差异。

图5 模拟连续电流对应电极烧蚀前期电弧形态Fig.5 Arc channels in the early stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

图6 模拟连续电流对应电极烧蚀后期电弧形态Fig.6 Arc channels in the late stage of electrode ablation corresponding to simulated continuing current

由于连续电流持续时间较长，电流电弧产生时的大量焦耳热对石墨放电处表面灼烧，以至于多次重复试验中电弧形态难以保持稳定。每次放电之后电极表面出现一定程度的烧蚀痕迹，如图8所示，左侧为电弧头部电极，右侧为电弧尾部电极，电极表面烧蚀痕迹与图6中电弧形态相吻合；随着放电次数的逐渐增多，电弧总会在表面烧蚀区域继续建立新的通道，烧蚀区域则是沿电弧通道的延伸不断增大、烧蚀深度增加，烧蚀的严重程度与每次放电时电流波形参数(如电流幅值、电流持续时间等)以及累积放电次数密切相关。电极烧蚀会影响电弧形态进而对光辐射强度波形造成影响，导致观测到的光辐射强度结果存在一定的偏差。

图7 模拟连续电流与光强同步波形Fig.7 Synchronous waveforms of current and luminosity corresponding to the simulated continuing current

图8 模拟连续电流对应电极烧蚀情况Fig.8 Electrode ablation corresponding to the simulated continuing current

3 讨 论

本文围绕电极形状和电极烧蚀，比较了正常电弧和扭曲电弧与其分别对应的光辐射强度波形。结果表明，电弧形态的扭曲会引起对应光强度出现畸变，而正常形态的电弧几乎不会出现此现象。

Quick等[24]与Carvalho等[25]认为，这种畸变现象可能与相关谱线的变化有关，而在对自然界雷电观测相关研究中，观测到光辐射强度畸变并非总是存在于每次光学观测之中。依照本文观测结果推测，当电弧无法保持在电极中轴线处稳定放电、电弧形态发生剧烈变化时，相应光辐射强度波形容易发生畸变，产生“驼峰”。光强观测系统本身是对通道电弧的光辐射强度进行观测并保持与通道间隙中心绝对水平且严格对准的观测角度，如果电弧相较于光强观测系统观测方位出现位置上的偏移，则会很大程度上影响最后的观测结果。以平面电极放电为例，由于电极形状导致电场分布不均匀，放电时电弧在两电极边沿随机建立曲线放电通道。当电弧出现在相对光强观测系统探头狭缝较远的侧后方时，电弧通道发展过程中会经历先远离光强观测系统随后靠近探测器的阶段，完整电弧通道中不同位置相对光强观测系统之间的距离也会出现差异。因此在放电电弧通道发展过程中，光辐射自产生至抵达光强观测系统狭缝的时间也会存在细微的变化。由于观测对象本身的空间形态扭曲引起光辐射强度波形出现波动起伏，产生了“驼峰”等现象，观测到的光辐射强度幅值同样会由于侧后方的电弧距离较远而有所降低。当电弧能够在固定通道稳定产生时，波形的畸变率大大下降，光辐射强度与电流之间的对应关系较为理想。

自然界闪电和实验室模拟闪电研究观测到的畸变波形与本文阐述的电弧形态带来的影响密切相关。自然界闪电放电过程中，放电通道电弧并非一条直线，其空间形态相对于地面闪电光学观测系统较为弯曲，观察光辐射强度波形时出现“驼峰”与本文中实验室观测模拟雷电电弧时由于电弧形态不固定导致的“驼峰”现象较为相似。

本文利用静止相机对试验中产生的电弧进行记录，所得照片为多帧叠加后的电弧形态。后续研究将采用高速相机观测每次放电过程中电弧形态随时间的变化，进一步探究电弧形态与光辐射强度观测之间的联系。

4 结 论

本文通过实验室产生模拟回击和连续电流探究电弧形态对光辐射强度波形观测的影响，分析了电极形状和电极表面烧蚀与电弧形态之间的联系。结果表明，平面电极相较于曲面电极更容易产生扭曲的电弧形态，重复放电过程中导致的电极表面烧蚀同样会导致电弧形态发生扭曲。光辐射强度波形中的“驼峰”现象与电弧形态有关，电弧形态的扭曲与光学观测中光强波形畸变之间存在紧密联系。