JP7133442B2 - Lightning current waveform estimation method and lightning current waveform estimation device - Google Patents

Lightning current waveform estimation method and lightning current waveform estimation device Download PDF

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Description

本発明は、落雷による放射磁界または放射電界の測定値に基づく落雷電流波形推定方法および落雷電流波形推定装置に関する。 The present invention relates to a lightning current waveform estimation method and a lightning current waveform estimation device based on measured values of a magnetic field or electric field radiated by a lightning strike.

従来、落雷により電力設備が損傷する事故が発生しており、送配電線への雷害対策が進んだ現在においても、依然、落雷が事故原因の最も大きな比率を占めている。また、そのような雷害対策が進んだことにより、更なる対策のコストパフォーマンスは従来よりも低下しており、対策の追加で得られる効果を高い精度で予測することが求められている。 Conventionally, lightning strikes have caused damage to electric power facilities, and even now that lightning damage countermeasures for transmission and distribution lines have progressed, lightning strikes still account for the largest proportion of the causes of accidents. In addition, as lightning damage countermeasures have progressed, the cost performance of further countermeasures has declined compared to the past, and it is required to predict the effect obtained by adding countermeasures with high accuracy.

落雷による電力設備事故の発生には、雷撃の頻度とその電流波形が大きく影響する。よって、これらについての詳細な情報が得られれば、雷害対策の効果の予測に資することとなる。このうち雷撃の頻度については、落雷位置標定システム(LLS)によって観測が行われている。LLSは、たとえば特許文献1に示すものであり、落雷により発生する電磁波を複数のセンサで測定し、これを解析することによって、落雷の時刻や位置を算出するものである。 The frequency of lightning strikes and their current waveforms greatly affect the occurrence of power facility accidents due to lightning strikes. Therefore, if detailed information about these is obtained, it will contribute to the prediction of the effect of lightning damage countermeasures. Of these, the frequency of lightning strikes is observed by the lightning localization system (LLS). The LLS is disclosed in Patent Document 1, for example, and measures electromagnetic waves generated by a lightning strike using a plurality of sensors, and analyzes the measured electromagnetic waves to calculate the time and position of the lightning strike.

特開2003-294824号公報JP 2003-294824 A

しかしながら、このようなLLSは、落雷の電流波形に関する詳細な情報が得られるものではなかった。また、その他にも落雷による電磁波に基づいて落雷電流の波高値や電荷量を推定する試みは行われているが、落雷の電流波形自体を高い精度で推定する方法は存在していなかった。 However, such LLS cannot provide detailed information on the current waveform of a lightning strike. Other attempts have been made to estimate the peak value and charge amount of the lightning current based on the electromagnetic waves produced by the lightning strike, but there has been no method for estimating the lightning current waveform itself with high accuracy.

本発明は、このような事情を鑑みたものであり、落雷による放射磁界または放射電界の測定値に基づく、高精度な落雷電流波形推定方法および落雷電流波形推定装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a highly accurate lightning current waveform estimation method and a lightning current waveform estimation device based on measured values of the radiated magnetic field or radiated electric field due to lightning strikes. .

本発明のうち請求項1の発明は、落雷による放射磁界の磁界波形または放射電界の電界波形の測定値の離散データから落雷電流波形を推定する方法であって、マクスウェルの方程式による、落雷の電流から発生する磁界波形または電界波形の遠方の観測点における値の計算式において、電流の時間偏微分項を差分の式に置き換え、電流の積分項から時間的に最も早い離散データ項を分離して、高さ方向についての積分項を含む落雷電流波形を求める基本式を得て、該基本式において、測定された磁界波形または電界波形の離散データの先頭データから高さ方向について順次積分を進めて、落雷電流波形を求めることを特徴とする。なお、マクスウェルの方程式による計算式自体は、既知のものであって、平地への落雷を想定する一般的な幾何学モデルに対応するものであり、「垂直アンテナを流れる電流から発生する磁界波形または電界波形の遠方の観測点における値の計算式」とも言い換えられる。ただし、磁界波形の値の式の場合と電界波形の値の式の場合とで、異なる式となり、それぞれから得られる基本式も異なる式となる。また、積分の方向は、落雷の電流波が伝搬する向きによって決まるものであり、すなわち、電流波が地表から雷雲へ上向きに伝搬することを前提とする場合、積分の方向も地表から上向きとなり、電流波が雷雲から地表へ下向きに伝搬することを前提とする場合、積分の方向も雷雲の高さから下向きとなる。そして、積分の方向、すなわち落雷の電流波の伝搬方向が上向きの場合と下向きの場合とで、基本式は異なる式となる。 The invention of claim 1 of the present invention is a method for estimating a lightning current waveform from discrete data of measured values of the magnetic field waveform of the radiated magnetic field or the electric field waveform of the radiated electric field due to a lightning strike, wherein the lightning current waveform is calculated by Maxwell's equations. In the formula for calculating the value at a distant observation point of the magnetic or electric field waveform generated from , obtaining a basic formula for obtaining a lightning current waveform including an integral term in the height direction, and in the basic formula, proceeding with integration sequentially in the height direction from the leading data of the discrete data of the measured magnetic field waveform or electric field waveform. , to obtain a lightning current waveform. The calculation formula itself based on Maxwell's equations is a known one and corresponds to a general geometric model that assumes a lightning strike on a flat ground. It can also be rephrased as a formula for calculating the value of the electric field waveform at a distant observation point. However, the equation for the value of the magnetic field waveform and the equation for the value of the electric field waveform are different equations, and the basic equations obtained from each are also different. The direction of integration is determined by the direction in which the lightning current wave propagates. In other words, if it is assumed that the current wave propagates upward from the ground surface to the thundercloud, the direction of integration is also upward from the ground surface, Assuming that the current wave propagates downward from the thundercloud to the ground surface, the direction of integration is also downward from the height of the thundercloud. The basic equation differs depending on whether the direction of integration, ie, the direction of propagation of the lightning current wave is upward or downward.

本発明のうち請求項2の発明は、前記基本式において、前記離散データにより、高さ方向について地表から雷雲の高さの全範囲で積分することを特徴とする。すなわち、電流波が上向きに伝搬する場合、地表から雷雲の高さまで積分することとなり、電流波が下向きに伝搬する場合、雷雲の高さから地表まで積分することとなる。 The invention of claim 2 of the present invention is characterized in that, in the basic equation, the discrete data is integrated over the entire height range of the thundercloud from the ground surface in the height direction. That is, when the current wave propagates upward, the integration is performed from the ground surface to the height of the thundercloud, and when the current wave propagates downward, the integration is performed from the height of the thundercloud to the ground surface.

本発明のうち請求項3の発明は、前記基本式において、前記離散データにより、高さ方向について地表から雷雲の高さの一部の範囲で積分することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the basic equation, the discrete data is integrated in the height direction over a partial range of the height of the thundercloud from the ground surface.

本発明のうち請求項4の発明は、請求項3記載の落雷電流波形推定方法において高さ方向について1回だけ積分する場合における前記基本式から得られる式(1)に基づく回路を備えることを特徴とする。

Figure 0007133442000001
ただし、Iは電流、Xは磁界または電界、tは時間、K1、K2およびK3は所定の係数を表す。式(1)は、積分の回数を1回とした場合の上記基本式を変形して得られるものである。基本式は、放射磁界の式の場合と放射電界の式の場合、また落雷の電流波の伝搬方向が上向きの場合と下向きの場合とでそれぞれ式が異なるが、何れの式からも式(1)が得られる。ただし、K1、K2およびK3の値は、それぞれの場合で異なる。 According to a fourth aspect of the present invention, the method for estimating a lightning current waveform according to the third aspect includes a circuit based on equation (1) obtained from the basic equation when integrating only once in the height direction. Characterized by
Figure 0007133442000001
where I is current, X is magnetic or electric field, t is time, and K1, K2 and K3 are given coefficients. Equation (1) is obtained by modifying the above basic equation when the number of times of integration is one. The basic equation differs depending on whether the radiated magnetic field or the radiated electric field is used, and whether the lightning current wave propagates upward or downward. ) is obtained. However, the values of K1, K2 and K3 are different in each case.

本発明のうち請求項1の発明によれば、マクスウェルの方程式による計算式から、離散データを前提とする式変形により基本式を得ることで、この基本式により、落雷による放射磁界の磁界波形または放射電界の電界波形の測定値の離散データから、高い精度で落雷電流波形を推定することができる。 According to the invention of claim 1 of the present invention, by obtaining a basic equation by transforming the equation based on Maxwell's equations assuming discrete data, the basic equation can be used to obtain the magnetic field waveform or The lightning current waveform can be estimated with high accuracy from the discrete data of the measured electric field waveform of the radiated electric field.

本発明のうち請求項2の発明によれば、実際に電流波が伝搬する放電路の高さの範囲について積分を行うことで、より高い精度で落雷電流波形を推定することができる。 According to the invention of claim 2 of the present invention, the lightning strike current waveform can be estimated with higher accuracy by integrating the height range of the discharge path through which the current wave actually propagates.

本発明のうち請求項3の発明によれば、積分の範囲を一部のみにすることで計算の繰り返し回数が少なくなるので、計算誤差が積み重なって計算結果が発散することを防ぐことができるものであり、計算結果、すなわち落雷電流波形の推定結果は、十分な精度で得られるものである。 According to the invention of claim 3 of the present invention, since the number of repetitions of calculation is reduced by limiting the range of integration to only a part, it is possible to prevent calculation results from diverging due to accumulation of calculation errors. , and the calculation result, that is, the estimation result of the lightning current waveform, can be obtained with sufficient accuracy.

本発明のうち請求項4の発明によれば、この装置に、測定された磁界波形または電界波形を入力するだけで、落雷電流波形が出力されるので、容易に落雷電流波形を推定することができる。 According to the invention of claim 4 of the present invention, the lightning current waveform is output simply by inputting the measured magnetic field waveform or electric field waveform to this device, so that the lightning current waveform can be easily estimated. can.

本発明の落雷電流波形推定方法の前提となる落雷の幾何学モデルを示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a geometric model of a lightning strike, which is a premise of the lightning current waveform estimation method of the present invention; 雷放電モデルの概念図であり、(a)は電流波が地表から上向きに伝搬する場合、(b)は電流波が雷雲から下向きに伝搬する場合を示す。It is a conceptual diagram of a lightning discharge model, (a) shows a case where a current wave propagates upward from the ground surface, and (b) shows a case where a current wave propagates downward from a thundercloud. 落雷電流波形推定方法の評価に用いる模擬落雷電流波形を示すグラフである。4 is a graph showing a simulated lightning current waveform used for evaluating a lightning current waveform estimation method; 模擬落雷電流波形を用いた落雷電流波形の推定結果を示すグラフであり、(a)はTLモデル、(b)はMTLEモデル、(c)はMTLDモデルを用いた場合である。4 is a graph showing estimation results of lightning current waveforms using simulated lightning current waveforms, where (a) is a TL model, (b) is an MTLE model, and (c) is a MTLD model. 実測落雷電流波形を用いた落雷電流波形の推定結果を示すグラフである。7 is a graph showing estimation results of lightning current waveforms using actually measured lightning current waveforms. 実測磁界波形を用いた落雷電流波形の推定結果を示すグラフであり、(a)はTLモデル、(b)はMTLEモデル、(c)はMTLDモデルを用いた場合である。4 is a graph showing estimation results of a lightning strike current waveform using an actually measured magnetic field waveform, where (a) is the TL model, (b) is the MTLE model, and (c) is the MTLD model. 本発明の落雷電流波形推定装置が備える回路を表すブロック図である。1 is a block diagram showing a circuit included in a lightning current waveform estimating device of the present invention; FIG.

以下、本発明の落雷電流波形推定方法および落雷電流波形推定装置の具体的な内容について説明する。本発明の方法は、落雷による磁界波形または電界波形に基づき落雷電流波形を推定するものであり、また落雷には電流波の伝搬方向が上向きの場合と下向きの場合があるが、ここではまず、磁界波形に基づくものであって、電流波の伝搬方向が上向きの場合について示す。 Specific contents of the lightning current waveform estimating method and the lightning current waveform estimating device of the present invention will be described below. The method of the present invention estimates the current waveform of a lightning strike based on the magnetic field waveform or the electric field waveform of the lightning strike. It is based on the magnetic field waveform, and shows the case where the propagation direction of the current wave is upward.

図1に示すのは、落雷電流波形推定方法の前提となる落雷の幾何学モデルである。ここでは高低差のない平地を想定し、落雷の電流波が伝搬する雷放電路DP(Discharge Path)は、地表から上空の雷雲TC(Thunder Cloud)まで垂直向きに延びるものとする。雷放電路DPの下端(地表の雷撃位置)を点Oとし、点Oを原点として上方向を正のz方向とし、雷雲TCの高さをhとする。また、点Oから十分に離れた遠方の観測点を点Pとし、OP間の距離をD(D>>h)、点Pと雷放電路DP上の高さzの点(dzの高さを有する領域)との間の距離をRとする。このとき、点Pと雷放電路DP上の高さzの点とを結ぶ線分と、垂直向きの雷放電路とがなす角(線分の上側に形成される角)をθとする。さらに、点Oの垂直下方向の高さ-zの位置に電気影像EI(Electric Image)を仮想する。点Pと高さ-zの点(電気影像EI)との間の距離もRとなる。そして、雷放電路DPを伝搬する電流をI(z,t)、電流の伝搬速度をv、点Pにおいて観測される落雷による放射磁界の磁界波形をH(R,t)とする。ただし、tは時間である。 FIG. 1 shows a geometric model of a lightning strike, which is the premise of the lightning current waveform estimation method. Here, it is assumed that a flat land with no difference in height is assumed, and a lightning discharge path DP (Discharge Path) through which a lightning current wave propagates extends vertically from the ground surface to a thunder cloud TC (Thunder Cloud) in the sky. Let O be the lower end of the lightning discharge path DP (thunder strike position on the ground surface), point O be the origin, the upward direction be the positive z direction, and h be the height of the thundercloud TC. In addition, let point P be a distant observation point sufficiently distant from point O, D (D>>h) be the distance between OP, point P and a point at height z on lightning discharge path DP (height of dz Let R be the distance between At this time, let θ be the angle (the angle formed above the line segment) formed by the line segment connecting the point P and the point of height z on the lightning discharge path DP and the lightning discharge path in the vertical direction. Further, an electric image EI (Electric Image) is assumed at the position of the vertically downward height -z of the point O. FIG. The distance between the point P and the point at height -z (electrical image EI) is also R. Let I(z,t) be the current propagating through the lightning discharge path DP, v be the propagation speed of the current, and H(R,t) be the magnetic field waveform of the radiated magnetic field due to the lightning strike observed at the point P. where t is time.

このような前提に基づいたとき、落雷の電流I(z,t)から発生する磁界波形H(R,t)の遠方の観測点Pにおける値の計算式として、マクスウェルの方程式に基づく以下の式(2)が既知となっている。

Figure 0007133442000002
ただし、cは光速である。この式は、垂直アンテナを流れる電流から発生する磁界波形の遠方の観測点における値の計算式とも言い換えられる。 Based on these assumptions, the following formula based on Maxwell's equations is used as a calculation formula for the value at the distant observation point P of the magnetic field waveform H(R,t) generated from the lightning current I(z,t). (2) is known.
Figure 0007133442000002
where c is the speed of light. This formula can also be rephrased as a formula for calculating the value of the magnetic field waveform generated from the current flowing through the vertical antenna at a distant observation point.

また、本発明の落雷電流波形推定方法の評価に用いる雷撃モデルについても言及する。既知の雷撃モデルとして、伝送線路型モデルがあり、図2にその概念図を示す。図2(a)は、落雷の電流波が地表から上向きに雷雲TCへと速度vで伝搬する場合であり、図2(b)は、落雷の電流波が雷雲TCから下向きに地表へと速度vで伝搬する場合である。ここでは、図2(a)の上向きの場合を前提とする。この伝送線路型モデルは、電流の減衰や変歪の考慮の有無によって、TLモデル(Transmission Line model)、MTLEモデル(Modified TL model with Exponential current decay)、MTLDモデル(Modified TL model with current Distortion)に分類される。ここで用いられる伝送線路型モデルは、帰還雷撃を想定したモデルであり、それらの元となっているTLモデルは、雷放電路を電流が減衰や変歪をせずに伝搬するモデルである。また、MTLEモデルは、TLモデルにおいて、雷放電路上における電流の指数関数に従う減衰を考慮したモデルである。さらに、MTLDモデルは、線形な減衰に加えて変歪をも考慮したモデルである。これら3つのモデルは、雷放電路上での電流波の減衰特性を、それぞれ異なる関数で表現している。 A lightning strike model used for evaluating the lightning current waveform estimation method of the present invention will also be mentioned. As a known lightning strike model, there is a transmission line model, the conceptual diagram of which is shown in FIG. Fig. 2(a) shows a case in which a lightning current wave propagates upward from the ground surface to a thundercloud TC at a velocity v, and Fig. 2(b) shows a case in which a lightning current wave propagates downward from the thundercloud TC to the ground surface at a velocity v This is the case when propagating with v. Here, it is assumed that the direction is upward as shown in FIG. 2(a). This transmission line model can be divided into a TL model (Transmission Line model), an MTLE model (Modified TL model with exponential current decay), and an MTLD model (Modified TL model with current distortion) depending on whether or not current attenuation and distortion are considered. being classified. The transmission line model used here is a model that assumes a return lightning stroke, and the TL model that is the basis of these models is a model in which current propagates through a lightning discharge path without attenuation or distortion. The MTLE model is a TL model that considers the exponential attenuation of the current on the lightning discharge path. Furthermore, the MTLD model is a model that considers distortion in addition to linear attenuation. These three models express the current wave attenuation characteristics on the lightning discharge path with different functions.

式(2)は、落雷の電流から磁界波形を求める式であるから、これを変形して、測定された磁界波形の離散データから落雷電流波形(同じ時間間隔の離散データ)を求めるための基本式を得る。 Equation (2) is a formula for obtaining the magnetic field waveform from the current of lightning strike, so it is the basis for obtaining the lightning current waveform (discrete data at the same time interval) from the discrete data of the measured magnetic field waveform by transforming it. get the formula

そのためには、まず、式(2)の右辺における、磁界の放射成分を求める積分項(2つ目の積分項)の中の、電流の時間偏微分項を、電流波形の連続する2つの離散データの差から求められる差分の式に置き換える。これにより、式(2)から以下の式(3)に変形される。

Figure 0007133442000003
ただし、離散データに基づくので、dtは所定の数値(秒数)である。また、Rはzの関数R(z)である。さらに、sinθ=D/Rである。 For that purpose, first, in the integral term (second integral term) for obtaining the radiation component of the magnetic field on the right side of Equation (2), the time partial differential term of the current is replaced by two continuous discrete current waveforms Replace with the formula of the difference obtained from the difference of the data. As a result, the formula (2) is transformed into the following formula (3).
Figure 0007133442000003
However, since it is based on discrete data, dt is a predetermined numerical value (number of seconds). Also, R is a function R(z) of z. Furthermore, sin θ=D/R.

続いて、式(3)から以下の式(4)に変形される。

Figure 0007133442000004
Subsequently, the equation (3) is transformed into the following equation (4).
Figure 0007133442000004

ここで、式(4)の右辺の2つの積分項のうち、電流波形の離散データの時間的に最も早い部分(雷放電路の下端の電流波形データに相当)、すなわち1つ目の積分項の0からdzまでの積分に相当する部分を、積分項から分離することで、式(4)から以下の式(5)に変形される。

Figure 0007133442000005
Here, of the two integral terms on the right side of equation (4), the earliest portion of the discrete data of the current waveform (corresponding to the current waveform data at the lower end of the lightning discharge path), that is, the first integral term By separating the portion corresponding to the integration from 0 to dz of from the integral term, the equation (4) is transformed into the following equation (5).
Figure 0007133442000005

そして、式(5)から以下の式(6)に変形される。

Figure 0007133442000006
Then, the equation (5) is transformed into the following equation (6).
Figure 0007133442000006

この式(6)が、落雷電流波形を求めるための基本式となる。式(6)により、磁界波形H(R,t)から落雷の電流波形I(0,t-Rdz/c)が得られるが、計算においては、電流波形データの時間的に最も早い部分から順に求めていく必要がある。実際には、磁界波形の離散データの先頭データから順次波形を求めていくことになる。式(6)は、左辺と右辺の両方に電流項が存在するが、右辺の電流項で用いる値は、その時点の計算ステップの前に必要なものが全て求められている。すなわち、高さz方向へと順次積分を進める際に用いられる電流波形データは、上に行くほど時間的に前の電流波形データを用いることになるからである。こうして、測定された磁界波形の離散データにより、高さ方向について、地表から雷雲の高さまでの全範囲で順次積分を進めて、落雷電流波形が求められる。 This formula (6) is the basic formula for determining the lightning current waveform. The lightning current waveform I(0,t-R dz /c) can be obtained from the magnetic field waveform H(R,t) by Equation (6). You have to search in order. In practice, waveforms are obtained sequentially from the top data of the discrete data of the magnetic field waveform. Equation (6) has current terms on both the left and right sides, but the values used in the current terms on the right side are all determined prior to the current calculation step. That is, the current waveform data used when proceeding with the sequential integration in the height z direction uses current waveform data earlier in time as it goes up. In this way, the discrete data of the measured magnetic field waveform are sequentially integrated in the height direction over the entire range from the surface of the ground to the height of the thundercloud to obtain the lightning current waveform.

このように、式(6)によれば、求めた電流値をそれ以後の計算ステップで順次用いるフィードバック型の計算を行っていることになる。以下、このような計算方法をFB法(Feed Back method)とよび、特に式(6)に従う計算方法をSFB法(Standard FB method)とよぶ。 In this way, according to the equation (6), a feedback type calculation is performed in which the calculated current values are sequentially used in subsequent calculation steps. Hereinafter, such a calculation method will be referred to as an FB method (Feed Back method), and in particular, a calculation method according to Equation (6) will be referred to as an SFB method (Standard FB method).

このSFB法による、落雷電流波形の推定結果の詳細については後述するが、種々の条件(雷雲の高さhや雷撃位置から観測点までの距離D等)の下で磁界波形の離散データから落雷電流波形を計算したところ、計算結果が発散する場合が確認された。これは、計算過程において先に求めた電流値を後の計算に用いるため、計算誤差が積み重なって次第に増大することによるものである。 The details of the results of estimating the lightning current waveform by this SFB method will be described later. When the current waveform was calculated, it was confirmed that the calculation result diverged. This is because the current value obtained earlier in the calculation process is used in subsequent calculations, so calculation errors accumulate and gradually increase.

そこで、SFB法とは異なる計算方法として、上記の基本式(式(6))において、高さz方向の積分を、地表から雷雲の高さhまでの全範囲で行うのではなく、地表から雷雲の高さhの一部の範囲で行う、すなわち地表から上向きにn(nは1以上の整数)回まででやめる方法が考えられる。この計算方法を、MFB法(Modified FB method)とよぶ。これを式で表したのが、以下の式(7)~式(9)である。

Figure 0007133442000007
Figure 0007133442000008
Figure 0007133442000009
式(7)は、式(6)における積分の範囲の上限を、hからn・dzに替えたものであり、n回積分することを表している(ただし、h>n・dzである)。式(8)は、MFB法における雷撃モデルの一般式である。伝送線路型モデルを想定しており、G(z)は減衰項であって、TLモデルにおいてはG(z)=1、MTLEモデルにおいてはG(z)=exp(-z/λ)(λは電流の指数関数的な減衰を表すパラメータ)、MTLDモデルにおいてはG(z)=1-z/Hp(Hpは電流の線形的な減衰を表すパラメータ)となる。また、P(z,t)は変歪項であって、減衰項であるG(z)からは切り離せるものとしており、MTLDモデルにおいてのみ規定されている。式(9)は、積分をn回でやめた計算値(式(7))を、積分を全ての範囲(0からhまで)で行った場合に得られる値に近づけるための振幅補正式である。積分をn回でやめるということは、積分を全ての範囲で行った場合に比べて、雷放電路を短く想定することになる。その分、電流の振幅が大きな値で算出されるので、それを補正するものである。 Therefore, as a calculation method different from the SFB method, in the above basic formula (Equation (6)), the integration in the height z direction is not performed over the entire range from the ground surface to the height h of the thundercloud, but from the ground surface to A possible method is to perform within a portion of the height h of the thundercloud, that is, to stop up to n (n is an integer equal to or greater than 1) upwards from the ground surface. This calculation method is called an MFB method (Modified FB method). The following equations (7) to (9) express this in equations.
Figure 0007133442000007
Figure 0007133442000008
Figure 0007133442000009
Equation (7) is obtained by replacing the upper limit of the range of integration in Equation (6) from h to n dz, and represents n times of integration (where h>n dz). . Formula (8) is a general formula for a lightning strike model in the MFB method. A transmission line model is assumed, and G(z) is an attenuation term, G(z)=1 in the TL model and G(z)=exp(-z/λ)(λ is a parameter representing exponential decay of current), and in the MTLD model G(z)=1-z/H p (H p is a parameter representing linear decay of current). Also, P(z,t) is a distortion term, which is separable from G(z), which is an attenuation term, and is specified only in the MTLD model. Equation (9) is an amplitude correction equation for bringing the calculated value (equation (7)) after n times of integration closer to the value obtained when integration is performed over the entire range (from 0 to h). . Stopping the integration after n times assumes a shorter lightning discharge path than when the integration is performed over the entire range. Since the amplitude of the current is calculated as a large value by that amount, it is corrected.

さらに、以下の式(10)は、式(7)において、n=1としたものである。

Figure 0007133442000010
これはすなわち、高さ方向の積分を1回だけにしたものである。この場合、積分項はなくなり、式はより単純な形になる。式(10)を補正する式は、式(9)と同じである(ただし、右辺の分子は積分ではなくなる)。 Furthermore, the following formula (10) is obtained by setting n=1 in formula (7).
Figure 0007133442000010
This means that the integration in the height direction is performed only once. In this case there is no integral term and the equation is in a simpler form. The equation for correcting equation (10) is the same as equation (9) (except that the numerator on the right side is no longer an integral).

次に、このような本発明の落雷電流波形推定方法(SFB法およびMFB法)について、模擬落雷電流波形を用いて評価する。評価方法は、模擬落雷電流波形から、式(2)により磁界波形を計算し、その磁界波形から、本発明の推定方法により落雷電流波形を推定計算するものである。模擬落雷電流波形は、図3に示すものであり、波高値100kA、波頭長10μs、最大波高点から150μsで電流の値が0に至る三角波で、0.1μs間隔の離散データとした。以下において、この電流波形をtIと記す。 Next, the lightning current waveform estimation method (SFB method and MFB method) of the present invention will be evaluated using simulated lightning current waveforms. The evaluation method is to calculate the magnetic field waveform from the simulated lightning current waveform by Equation (2), and estimate and calculate the lightning current waveform from the magnetic field waveform by the estimation method of the present invention. The simulated lightning current waveform is shown in Fig. 3. It is a triangular wave with a crest value of 100 kA, a crest length of 10 μs, and a current value of 0 at 150 μs from the maximum crest point, and is discrete data at intervals of 0.1 μs. This current waveform is referred to as tI below.

そして、上記のSFB法(式(6))およびMFB法(n=1、式(10))により、図3に示す模擬落雷電流波形を用いて計算した結果を、図4に示す。雷撃モデルとしては、TLモデル、MTLEモデル、MTLDモデルを用いた。また、計算に用いるパラメータ値は、雷放電路の高さh=1000m、雷撃位置と観測点間の距離D=10000m、落雷電流波の伝搬速度v=100m/μsとし、全モデルで共通とした。 FIG. 4 shows the result of calculation using the simulated lightning current waveform shown in FIG. 3 by the above SFB method (equation (6)) and MFB method (n=1, equation (10)). A TL model, an MTLE model, and an MTLD model were used as the lightning model. In addition, the parameter values used for the calculation are the height of the lightning discharge path h = 1000 m, the distance between the lightning strike position and the observation point D = 10000 m, and the propagation velocity of the lightning current wave v = 100 m/μs, which are common to all models. .

図4(a)~(c)は、それぞれTLモデル、MTLEモデル、MTLDモデルを用いた場合の計算結果を示すものであり、各グラフには、模擬落雷電流波形tI、tIを用いて計算した磁界波形cHt、cHtを用いてSFB法で求めた電流波形Icht1およびcHtを用いてMFB法で求めた電流波形Icht2を示した。各グラフのcHtは、用いたモデルの特性に応じた減衰等が表れている。これらのcHtから推定計算を行った電流波形(Icht1、Icht2)は、どのモデルの場合においても、グラフ上でtIと一致している。 Figures 4(a) to (c) show the calculation results when using the TL model, MTLE model, and MTLD model, respectively. A current waveform Icht1 obtained by the SFB method using the magnetic field waveforms cHt, and a current waveform Icht2 obtained by the MFB method using cHt are shown. For cHt in each graph, attenuation etc. according to the characteristics of the model used appear. Current waveforms (Icht1, Icht2) estimated from these cHts match tI on the graph in any model.

より詳しくは、SFB法により推定計算した電流波形Icht1は、模擬落雷電流波形tIと完全に一致した。ただし、雷放電路の高さh、雷撃位置と観測点間の距離D、落雷電流波の伝搬速度vを上記以外の種々の値の組み合わせとして計算したところ、計算結果が発散した場合もあった(発散しなかった場合については、全てIcht1がtIと完全に一致した)。 More specifically, the current waveform Icht1 estimated and calculated by the SFB method completely matched the simulated lightning strike current waveform tI. However, when we calculated the height h of the lightning discharge path, the distance D between the lightning strike position and the observation point, and the propagation velocity v of the lightning current wave, there were cases where the calculation results diverged. (For all non-divergence cases, Icht1 was perfectly consistent with tI).

一方、MFB法により推定計算した電流波形Icht2は、模擬落雷電流波形tIと若干の差異はあるものの、図4のグラフ上では識別できない程度であった。そして、SFB法の場合と同様に、h、D、vを種々の値の組み合わせとして計算したところ、高さ方向の積分回数n=1とした場合が、最も安定して推定結果を得ることができた。また、nを1より大きくしても、必ずしも電流波形の再現性が高まるものではなかった。 On the other hand, the current waveform Icht2 estimated and calculated by the MFB method was slightly different from the simulated lightning strike current waveform tI, but could not be identified on the graph of FIG. As in the case of the SFB method, when h, D, and v were calculated using various combinations of values, the most stable estimation results were obtained when the number of times of integration in the height direction was n = 1. did it. Also, even if n is larger than 1, the reproducibility of the current waveform does not necessarily increase.

次に、このような本発明の落雷電流波形推定方法(SFB法およびMFB法)について、実測した落雷電流波形を用いて評価する。評価方法は、実測した落雷電流波形から、式(2)により磁界波形を計算し、その磁界波形から、本発明の推定方法により落雷電流波形を推定計算するものと、実測した磁界波形から、本発明の推定方法により落雷電流波形を推定計算するものである。以下において、この実測落雷電流波形をmIと記す。 Next, the lightning current waveform estimation method (SFB method and MFB method) of the present invention will be evaluated using actually measured lightning current waveforms. The evaluation method is to calculate the magnetic field waveform from the actually measured lightning current waveform by formula (2), estimate and calculate the lightning current waveform from the magnetic field waveform by the estimation method of the present invention, and from the actually measured magnetic field waveform, A lightning strike current waveform is estimated and calculated by the estimation method of the invention. In the following, this actually measured lightning current waveform is referred to as mI.

まず、mIから式(2)により計算した磁界波形cHを用いて、上記のSFB法(式(6))およびMFB法(n=1、式(10))で計算した結果を、図5に示す。雷撃モデルとしては、TLモデルを用いた。また、計算に用いるパラメータ値(雷放電路の高さh、雷撃位置と観測点間の距離D)は、cHが実測磁界波形mHに最も近い形状となったと判断した値とした。 First, using the magnetic field waveform cH calculated from mI by Equation (2), the results calculated by the above SFB method (Equation (6)) and MFB method (n = 1, Equation (10)) are shown in FIG. show. A TL model was used as the lightning strike model. The parameter values used in the calculation (height h of the lightning discharge path, distance D between the lightning strike position and the observation point) were determined to be the values that cH had the closest shape to the measured magnetic field waveform mH.

図5のグラフには、実測落雷電流波形mI、cHによりSFB法で求めた電流波形Ich1、cHによりMFB法で求めた電流波形Ich2を示した。cHから推定計算を行った電流波形(Ich1、Ich2)は、グラフ上でmIと一致している。 The graph of FIG. 5 shows the current waveform Ich1 obtained by the SFB method from the actually measured lightning strike current waveforms mI and cH, and the current waveform Ich2 obtained by the MFB method from cH. Current waveforms (Ich1, Ich2) estimated from cH match mI on the graph.

より詳しくは、図5のグラフに示した以外の例も含めて、SFB法による電流波形Ich1は、計算結果が発散しなかった全ての場合において、完全にmIを再現できた。また、MFB法による電流波形Ich2は、全ての場合において、計算結果が発散することなく、完全に近い形でmIを再現できた。この結果から、SFB法は、計算結果が発散する場合を除いて最も精度が高いこと、MFB法は、計算結果が発散せず結果が確実に得られ、SFB法に略近い精度を有していることが確認された。 More specifically, the current waveform Ich1 by the SFB method, including examples other than those shown in the graph of FIG. 5, could perfectly reproduce mI in all cases where the calculation results did not diverge. In addition, the current waveform Ich2 by the MFB method was able to reproduce mI in a nearly perfect form without divergence of the calculation results in all cases. From this result, the SFB method has the highest accuracy except when the calculation result diverges, and the MFB method can reliably obtain the calculation result without divergence, and has almost the same accuracy as the SFB method. It was confirmed that

さらに、実測磁界波形mHを用いて、上記のMFB法(n=1、式(10))で計算した結果を、図6に示す。雷撃モデルとしては、TLモデル、MTLEモデル、MTLDモデルを用いた。また、計算に用いるパラメータ値(雷放電路の高さh、雷撃位置と観測点間の距離D)は、図5の場合と同様に、cHがmHに最も近い形状となったと判断した値とした。 Further, FIG. 6 shows the result of calculation by the above MFB method (n=1, formula (10)) using the actually measured magnetic field waveform mH. A TL model, an MTLE model, and an MTLD model were used as the lightning model. In addition, the parameter values used in the calculation (height h of the lightning discharge path, distance D between the lightning strike position and the observation point) were determined to be the values that determined that cH had the shape closest to mH, as in the case of Fig. 5. did.

図6(a)~(c)は、それぞれTLモデル、MTLEモデル、MTLDモデルを用いた場合の計算結果を示すものであり、各グラフには、実測落雷電流波形mI、cHによりMFB法で求めた電流波形Ich2、mHによりMFB法で求めた電流波形Imh2を示した。このうち、cHから推定計算を行った電流波形Ich2は、どのモデルの場合においても、グラフ上でmIと一致している。模擬落雷電流波形を用いて確認された結果が、実測波形を用いた場合でも確認できた。 Figures 6(a) to (c) show the calculation results when using the TL model, MTLE model, and MTLD model, respectively. The current waveform Imh2 obtained by the MFB method is shown from the current waveform Ich2 and mH obtained. Among them, the current waveform Ich2 estimated from cH matches mI on the graph in any model. The results confirmed by using the simulated lightning current waveform were also confirmed by using the measured waveform.

一方、実測磁界波形mHから推定計算を行った電流波形Imh2は、パルス前後の比較的変動が小さい電流部分で誤差が生じており、特にパルス以後の誤差が大きくなっている。これは、mHを測定したシステムの周波数特性により、低周波成分のゲインが低下したことによるものと考えられる。しかしながら、この誤差は、実用上は問題ない程度のものであり、実測磁界波形から十分に高い精度で落雷電流波形が再現できたといえる。 On the other hand, the current waveform Imh2 estimated from the measured magnetic field waveform mH has an error in the current portion where the fluctuation is relatively small before and after the pulse, and the error is particularly large after the pulse. This is thought to be due to the fact that the gain of the low-frequency component was reduced due to the frequency characteristics of the system in which mH was measured. However, this error is not a problem in practice, and it can be said that the lightning current waveform was reproduced with sufficiently high accuracy from the actually measured magnetic field waveform.

このように、本発明の落雷電流波形推定方法のSFB法によれば、マクスウェルの方程式による計算式(式(1))から、離散データを前提とする式変形により基本式(式(6))を得ることで、この基本式により、落雷による放射磁界の磁界波形の測定値の離散データから落雷電流波形を推定することができる。この際、実際に電流波が伝搬する放電路の高さの範囲について積分を行っているので、発散しない場合であれば、最も高い精度の推定結果が得られる。 As described above, according to the SFB method of the lightning current waveform estimation method of the present invention, the calculation formula (formula (1)) based on Maxwell's equations is transformed into the basic formula (formula (6)) assuming discrete data. With this basic formula, the lightning current waveform can be estimated from the discrete data of the measured magnetic field waveform of the magnetic field emitted by the lightning strike. At this time, since the integration is performed for the height range of the discharge path through which the current wave actually propagates, the estimation result with the highest accuracy can be obtained if the current wave does not diverge.

また、SFB法では、地表から実際の雷雲の高さまでの全範囲で積分することで、計算誤差が積み重なって計算結果が発散する場合があったところ、本発明の落雷電流波形推定方法のMFB法によれば、地表から雷雲の高さの一部の範囲で積分する、すなわち積分を高さ方向の途中(n回)まででやめてしまうことで、計算結果の発散を防ぐことができるものであり、計算結果、すなわち落雷電流波形の推定結果は、十分な精度で得られるものである。そして特にn=1とすることで、基本式は積分項(繰り返し計算)がない形となるので、より簡単に計算できるものであり、その場合でも、計算結果の発散を防ぎ、かつ十分な精度の結果が得られる。 In addition, in the SFB method, integration over the entire range from the ground surface to the actual height of the thundercloud may cause calculation errors to accumulate and cause the calculation results to diverge. , it is possible to prevent the divergence of the calculation results by integrating in a part of the height of the thundercloud from the ground surface, that is, by stopping the integration halfway (n times) in the height direction. , the calculation result, that is, the estimation result of the lightning current waveform, is obtained with sufficient accuracy. In particular, by setting n=1, the basic formula has no integral term (repeated calculation), so it can be calculated more easily. result is obtained.

次に、落雷による磁界波形に基づくものであって、電流波が雷雲から下向きに伝搬することを想定した場合(図2(b)に示す場合)における、落雷電流波形の推定方法(式群)を示す。求められる電流波形は、雷放電路の最下端の雷撃電流に相当する波形である。以下において、各式は、上記の電流波が上向きに伝搬することを想定した場合の式に対応する。すなわち、式(11)は式(6)に対応し(SFB法)、式(12)~式(14)は式(7)~(9)に対応し(MFB法)、式(15)は式(10)に対応する(MFB法でn=1の場合)。そして、説明のない文字は、上記の対応する式のものと同じである。

Figure 0007133442000011
Figure 0007133442000012
Figure 0007133442000013
Figure 0007133442000014
Figure 0007133442000015
Next, a method (group of equations) for estimating the lightning current waveform based on the magnetic field waveform caused by a lightning strike, assuming that the current wave propagates downward from the thundercloud (the case shown in FIG. 2(b)). indicates The desired current waveform is a waveform corresponding to the lightning current at the lowest end of the lightning discharge path. In the following, each formula corresponds to the formula when it is assumed that the current wave propagates upward. That is, equation (11) corresponds to equation (6) (SFB method), equations (12) to (14) correspond to equations (7) to (9) (MFB method), and equation (15) is (10) (when n=1 in the MFB method). And the unexplained letters are the same as in the corresponding formulas above.
Figure 0007133442000011
Figure 0007133442000012
Figure 0007133442000013
Figure 0007133442000014
Figure 0007133442000015

電流波が下向きに伝搬する場合の基本的な考え方は、上記の電流波が上向きに伝搬する場合と同じである。ただし、雷放電路上の電流の減衰を規定する関数G(z)は、雷放電路最下端の電流が0にならないように設定する必要がある。 The basic idea for the downward propagating current wave is the same as for the upward propagating current wave described above. However, the function G(z) that defines the attenuation of the current on the lightning discharge path must be set so that the current at the bottom end of the lightning discharge path does not become zero.

そして、落雷による磁界波形に基づくものであって、電流波が下向きに伝搬する場合の落雷電流波形の推定方法は、上記の電流波が上向きに伝搬する場合の推定方法と同様の作用効果を奏するものである。 The method for estimating the lightning current waveform in the case where the current wave propagates downward, which is based on the magnetic field waveform caused by the lightning strike, has the same effect as the method for estimating the current wave in the case where the current wave propagates upward. It is.

次に、落雷による電界波形に基づくものであって、電流波が地表から上向きに伝搬することを想定した場合における、落雷電流波形の推定方法(式群)を示す。落雷電流とそれに伴う電界の関係式は、磁界のそれと類似するものであるから、落雷電流波形の推定についても、上記の磁界波形に基づく場合と同様の考え方が適用できる。 Next, a method (group of equations) for estimating a lightning current waveform, which is based on the electric field waveform due to lightning and is assumed to propagate upward from the ground surface, will be described. Since the relational expression between the lightning current and the associated electric field is similar to that of the magnetic field, the same concept as that based on the above magnetic field waveform can be applied to the estimation of the lightning current waveform.

まず、図1に示す落雷の幾何学モデルにおいて、点Pで、落雷による放射磁界の磁界波形H(R,t)に替えて、落雷による放射電界の電界波形E(R,t)が観測されるものとする。このような前提に基づいたとき、落雷の電流I(z,t)から発生する電界波形E(R,t)の遠方の観測点Pにおける値の計算式として、マクスウェルの方程式に基づく以下の式(16)が既知となっている。

Figure 0007133442000016
First, in the geometric model of a lightning strike shown in Fig. 1, at point P, instead of the magnetic field waveform H(R,t) of the radiated magnetic field due to the lightning strike, the electric field waveform E(R,t) of the radiated electric field due to the lightning strike is observed. shall be Based on these premises, the following equation based on Maxwell's equations is used as a calculation formula for the value at the distant observation point P of the electric field waveform E(R,t) generated from the lightning current I(z,t). (16) is known.
Figure 0007133442000016

そして、上記の式(2)から式(3)~式(5)を経て式(6)へと変形したのと同様の考え方により、式(16)から以下の式(17)に変形される。

Figure 0007133442000017
Then, based on the same idea as the above equation (2) was transformed into equation (6) via equations (3) to (5), equation (16) is transformed into the following equation (17) .
Figure 0007133442000017

この式(17)が、落雷による電界波形に基づくものであって、電流波が地表から上向きに伝搬することを想定した場合における、落雷電流波形を求めるための基本式(SFB法)となる。 This formula (17) is based on the electric field waveform due to lightning, and is the basic formula (SFB method) for determining the lightning current waveform when it is assumed that the current wave propagates upward from the ground surface.

また、上記の基本式(式(17))において、高さz方向の積分を、地表から上向きにn(nは1以上の整数)回まででやめた場合の式(MFB法)が、以下の式(18)である。

Figure 0007133442000018
In addition, in the above basic formula (formula (17)), the formula (MFB method) when the integration in the height z direction is stopped up to n (n is an integer of 1 or more) upward from the ground surface is as follows. Equation (18).
Figure 0007133442000018

さらに、以下の式(19)は、式(18)において、n=1としたものである。

Figure 0007133442000019
なお、MFB法(式(18)および式(19))における補正式は、上記の式(8)および式(9)と同じである。 Furthermore, the following formula (19) is obtained by setting n=1 in formula (18).
Figure 0007133442000019
The correction formulas in the MFB method (formulas (18) and (19)) are the same as the above formulas (8) and (9).

次に、落雷による電界波形に基づくものであって、電流波が雷雲から下向きに伝搬することを想定した場合における、落雷電流波形の推定方法(式群)を示す。求められる電流波形は、雷放電路の最下端の雷撃電流に相当する波形である。以下において、各式は、上記の電流波が上向きに伝搬することを想定した場合の式に対応する。すなわち、式(20)は式(17)に対応し(SFB法)、式(21)は式(18)に対応し(MFB法)、式(22)は式(19)に対応する(MFB法でn=1の場合)。そして、説明のない文字は、上記の対応する式のものと同じである。

Figure 0007133442000020
Figure 0007133442000021
Figure 0007133442000022
Next, a method (group of equations) for estimating the lightning current waveform based on the electric field waveform due to lightning, assuming that the current wave propagates downward from the thundercloud, will be described. The desired current waveform is a waveform corresponding to the lightning current at the lowest end of the lightning discharge path. In the following, each formula corresponds to the formula when it is assumed that the current wave propagates upward. That is, equation (20) corresponds to equation (17) (SFB method), equation (21) corresponds to equation (18) (MFB method), and equation (22) corresponds to equation (19) (MFB modulus n=1). And the unexplained letters are the same as in the corresponding formulas above.
Figure 0007133442000020
Figure 0007133442000021
Figure 0007133442000022

このように、落雷による電界波形に基づくものであって、電流波が上向きに伝搬する場合および下向きに伝搬する場合の落雷電流波形の推定方法は、上記の磁界波形に基づく場合の推定方法と同様の作用効果を奏するものである。 In this way, the method of estimating the lightning current waveform based on the electric field waveform of a lightning strike when the current wave propagates upward and downward is the same as the estimation method based on the magnetic field waveform described above. It is intended to exhibit the action and effect of.

さらに、以下においては、本発明の落雷電流波形推定方法に基づいて実際に推定を行うために用いられる落雷電流波形推定装置について説明する。この推定装置は、推定方法が磁界波形または電界波形の何れに基づくものか、また落雷の電流波の伝搬方向が上向きか下向きかを問わず、どの場合でも適用できるものであるが、ここでは、推定方法が磁界波形に基づくものであって、電流波の伝搬方向が上向きの場合を前提として説明する。 Further, a lightning current waveform estimating device used for actually performing estimation based on the lightning current waveform estimating method of the present invention will be described below. This estimation device can be applied in any case, regardless of whether the estimation method is based on a magnetic field waveform or an electric field waveform, and whether the current wave propagation direction of a lightning strike is upward or downward. Description will be made on the assumption that the estimation method is based on the magnetic field waveform and the propagation direction of the current wave is upward.

MFB法でn=1とした場合の式(10)において、測定する落雷電流は、雷放電路の下端である地表の雷撃電流を前提とするため、Rdz≒Dとすることができる。また、電磁波がアンテナに到達するまでの時間遅れを考慮する必要はないため、式(10)から以下の式(23)に変形される。

Figure 0007133442000023
さらに、式(23)において、係数を置き換えて簡略化すると、以下の式(24)に変形される。ただし、dz=v・dtである。
Figure 0007133442000024
式(24)は、上記の式(1)と同じ形であるが、式(1)における磁界または電界X(t)を、磁界H(t)としたものである。そして、この場合のK1、K2およびK3の値は、以下の式(25)のとおりとなる。ただし、R=Rdz≒Dである。
Figure 0007133442000025
In formula (10) when n=1 in the MFB method, the lightning current to be measured is assumed to be the lightning current on the ground surface, which is the lower end of the lightning discharge path, so R dz ≈D . Also, since it is not necessary to consider the time delay until the electromagnetic wave reaches the antenna, the equation (10) is transformed into the following equation (23).
Figure 0007133442000023
Furthermore, if the coefficients are replaced in the equation (23) for simplification, the equation (23) is transformed into the following equation (24). However, dz=v·dt.
Figure 0007133442000024
Equation (24) has the same form as Equation (1) above, but replaces the magnetic field or electric field X(t) in Equation (1) with the magnetic field H(t). The values of K1, K2, and K3 in this case are given by the following equation (25). However, R=R dz ≈D .
Figure 0007133442000025

この式(24)をブロック図で表すと、図7のようになる。このブロック図に基づいて構成された回路は、測定された落雷による磁界波形信号を入力して、落雷電流波形信号を再現して出力するものとなる。よって、この回路を備える装置に、測定された磁界波形を入力するだけで、落雷電流波形が出力されるので、容易に落雷電流波形を推定することができる。 A block diagram of this equation (24) is shown in FIG. A circuit configured based on this block diagram receives a magnetic field waveform signal due to a measured lightning strike, and reproduces and outputs a lightning current waveform signal. Therefore, simply by inputting a measured magnetic field waveform into a device having this circuit, a lightning current waveform is output, so that the lightning current waveform can be easily estimated.

ここで、推定の例を示す。雷撃モデルとしては、TLモデルを用いた。雷撃位置と観測点間の距離D=10000m、落雷電流波の伝搬速度v=150m/μs、サンプリング間隔dt=0.1μsとした場合、式(24)の各係数の値は、K1≒199246259、K2≒0.0006283、K3≒5.003×10^-9となる。さらに、雷放電路の高さh=1000mとすると、式(9)による振幅補正値は、約0.015倍となり、式(24)のI(t)を0.015倍することで、落雷電流波形の推定値が得られる。これらの各数値は一例であるが、実際の回路においては、観測設備等の各パラメータに応じてK1、K2およびK3の値を定めてもよいし、値を可変としてもよい。 Here is an example of estimation. A TL model was used as the lightning strike model. When the distance between the lightning strike position and the observation point is D = 10000m, the propagation velocity of the lightning current wave is v = 150m/μs, and the sampling interval is dt = 0.1μs, the values of each coefficient in Equation (24) are K1 ≒ 199246259, K2 ≈0.0006283, K3≈5.003×10^-9. Furthermore, assuming that the height of the lightning discharge path is h = 1000m, the amplitude correction value obtained by Equation (9) is approximately 0.015 times. value is obtained. Each of these numerical values is an example, but in an actual circuit, the values of K1, K2 and K3 may be determined according to each parameter of observation equipment and the like, or the values may be variable.

なお、上記のとおり、この推定装置は、推定方法が磁界波形または電界波形の何れに基づくものか、また落雷の電流波の伝搬方向が上向きか下向きかを問わず、どの場合でも適用できるものであり、何れの場合においても、式(24)の形は同じである。ただし、電界波形に基づく場合、磁界Hに替えて電界Eとなる。また、各場合において、K1、K2およびK3の値は異なる。 As described above, this estimation device can be applied in any case, regardless of whether the estimation method is based on the magnetic field waveform or the electric field waveform, and whether the current wave propagation direction of a lightning strike is upward or downward. Yes, and in either case the form of equation (24) is the same. However, when based on the electric field waveform, the magnetic field H is replaced with the electric field E. Also, in each case the values of K1, K2 and K3 are different.

推定方法が磁界波形に基づくものであって、電流波の伝搬方向が下向きの場合、K1、K2およびK3の値は、上記の式(25)のとおりとなる。ただし、R=Rhである。 If the estimation method is based on the magnetic field waveform and the current wave propagation direction is downward, the values of K1, K2 and K3 are given by the above equation (25). However, it is R= Rh .

推定方法が電界波形に基づくものであって、電流波の伝搬方向が上向きの場合、K1、K2およびK3の値は、以下の式(26)のとおりとなる。ただし、R=Rdz≒Dである。

Figure 0007133442000026
When the estimation method is based on the electric field waveform and the propagation direction of the current wave is upward, the values of K1, K2 and K3 are given by the following equation (26). However, R=R dz ≈D .
Figure 0007133442000026

推定方法が電界波形に基づくものであって、電流波の伝搬方向が下向きの場合、K1、K2およびK3の値は、上記の式(26)のとおりとなる。ただし、R=Rhである。 If the estimation method is based on the electric field waveform and the current wave propagation direction is downward, the values of K1, K2 and K3 are given by equation (26) above. However, it is R= Rh .

なお、上記のブロック図に基づく回路は、回路素子を組み合わせて構成されたハードウェアであってもよいし、パーソナルコンピュータやPLC等において動作するソフトウェアであってもよい。 The circuit based on the above block diagram may be hardware configured by combining circuit elements, or may be software that operates on a personal computer, PLC, or the like.

ここで、回路がパーソナルコンピュータにおいて動作するソフトウェアである場合について、より詳しく説明する。この場合、コンピュータが落雷電流波形推定装置となり、コンピュータにおいて、落雷電流波形推定プログラムが実行される。 A more detailed description will now be given of the case where the circuit is software running on a personal computer. In this case, the computer serves as the lightning current waveform estimation device, and the computer executes the lightning current waveform estimation program.

コンピュータは、キーボードやマウス等からなる入力装置、ディスプレイ等からなる出力装置、プログラムの命令を順番に実行するCPU、プログラムやプログラムの実行に必要なデータおよび計算結果等を保存しておく記憶装置を構成要素とする標準的なものである。 A computer consists of an input device such as a keyboard and a mouse, an output device such as a display, a CPU that executes program instructions in order, and a storage device that stores programs, data necessary for executing programs, calculation results, etc. It is a standard component.

以下、落雷電流波形推定方法が、落雷による磁界波形に基づくものであって、電流波が上向きに伝搬する場合のものであることを前提として説明するが、それ以外の場合でも、式やパラメータが異なるだけである。落雷電流波形推定プログラムをコンピュータに実行させた場合、コンピュータが各種の手段(測定値入力手段、演算手段、結果出力手段)として機能し、CPUからの指令によって、測定値入力手段が測定値入力ステップを実行し、演算手段が演算ステップを実行し、結果出力手段が結果出力ステップを実行することで、落雷電流波形を推定する。 The following description assumes that the method for estimating the lightning current waveform is based on the magnetic field waveform of a lightning strike and that the current wave propagates upward. Only different. When the lightning current waveform estimation program is executed by a computer, the computer functions as various means (measured value input means, calculation means, result output means), and the measured value input means enters the measured value input step according to commands from the CPU. is executed, the calculation means executes the calculation step, and the result output means executes the result output step, thereby estimating the lightning current waveform.

このプログラムを実行すると、まず測定値入力手段が機能して、測定値入力ステップが実行される。測定値入力ステップでは、落雷による放射磁界の磁界波形の測定値の入力を受け付ける。この際、測定値を所定の間隔dtでサンプリングし、その結果を記憶装置に保存する。併せて、この後の演算に必要となる各パラメータの値(雷撃位置と観測点間の距離D、落雷電流波の伝搬速度v等であって、たとえばLLSにより算出される)についても入力を受け付けて、記憶装置に保存する。 When this program is executed, first the measured value input means functions and the measured value input step is executed. In the measured value input step, an input of a measured value of the magnetic field waveform of the radiation magnetic field caused by the lightning strike is accepted. At this time, the measured value is sampled at a predetermined interval dt, and the result is stored in a storage device. At the same time, input is also accepted for each parameter value (distance D between the lightning strike position and the observation point, propagation velocity v of the lightning current wave, etc., which are calculated by, for example, LLS) required for subsequent calculations. and save it to the storage device.

次に、演算手段が機能して、演算ステップが実行される。演算ステップでは、記憶装置に保存されている式(24)、式(25)、磁界波形の測定値およびその他の各パラメータの値(測定値入力ステップで入力されたものおよび観測設備等に応じて予め入力され記憶装置に保存されていたもの)を読み込む。そして、式に各値を代入して電流波形を算出する。 Next, the computing means functions to perform the computing steps. In the calculation step, equations (24) and (25) stored in the storage device, the measured value of the magnetic field waveform, and the values of other parameters (inputted in the measured value input step and according to the observation equipment etc. previously entered and stored in a storage device). Then, each value is substituted into the equation to calculate the current waveform.

次に、結果出力手段が機能して、結果出力ステップが実行される。結果出力ステップでは、演算ステップにおいて算出した電流波形を出力し、記憶装置に保存するとともに、必要に応じて電流波形をグラフ等の形式で出力装置に表示する。以上で、プログラムが終了する。 Next, the result output means functions to execute the result output step. In the result output step, the current waveform calculated in the calculation step is output and stored in the storage device, and the current waveform is displayed in the form of a graph or the like on the output device as necessary. With that, the program ends.

なお、この落雷電流波形推定プログラムは、落雷があった際に自動的に実行されるものであってもよいし、作業者が任意に実行させるものであってもよいし、別のプログラムやシステムの要請に基づいて実行されるものであってもよい。また、この落雷電流波形推定プログラムは、専用のソフトウェアとして実行されるものであってもよいし、汎用の表計算ソフトウェア等の上で実行されるものであってもよいし、別のプログラムやシステムに組み込まれたものであってもよい。 This lightning current waveform estimation program may be automatically executed when lightning strikes, may be arbitrarily executed by the operator, or may be executed by another program or system. It may be executed based on the request of Further, this lightning current waveform estimation program may be executed as dedicated software, may be executed on general-purpose spreadsheet software, etc., or may be executed by another program or system. may be incorporated in

さらに、上記の演算ステップにおいて、式(24)、式(25)に替えて、上記のSFB法の式(式(6)、式(11)、式(17)、式(20))、MFB法の式(式(7)~式(9)、式(12)~式(14)、式(18)、式(21))またはMFB法でn=1の場合の式(式(10)、式(15)、式(19)、式(22))を用いることで、パーソナルコンピュータ等によって、本発明の落雷電流波形推定方法を実行してもよい。 Furthermore, in the above calculation step, instead of the equations (24) and (25), the equations of the SFB method (equation (6), equation (11), equation (17), equation (20)), MFB method (Equation (7) to Equation (9), Equation (12) to Equation (14), Equation (18), Equation (21)) or the formula when n = 1 in the MFB method (Equation (10) , Equations (15), (19), and (22)), the lightning current waveform estimation method of the present invention may be executed by a personal computer or the like.

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨の範囲内で適宜変更できる。たとえば、MFB法は、n=1の場合に限られず、複数回積分を行ってもよい。その場合であっても、計算の繰り返し回数が少なくなることで計算結果が発散することを抑えられる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified as appropriate within the spirit of the invention. For example, the MFB method is not limited to the case of n=1, and integration may be performed multiple times. Even in that case, it is possible to suppress the divergence of the calculation results by reducing the number of repetitions of the calculation.

そして、本発明の落雷電流波形推定方法および落雷電流波形推定装置は、送電線、配電線、変電所、風力発電設備、無線鉄塔、鉄道、ビル等の高構造物等、様々な設備の雷害対策の具体的な検討に活用可能である。 The lightning current waveform estimation method and lightning current waveform estimation device of the present invention can be applied to lightning damage to various facilities such as transmission lines, distribution lines, substations, wind power generation facilities, wireless towers, railways, and high structures such as buildings. It can be used for concrete examination of countermeasures.

Claims (4)

落雷による放射磁界の磁界波形または放射電界の電界波形の測定値の離散データから落雷電流波形を推定する方法であって、
マクスウェルの方程式による、落雷の電流から発生する磁界波形または電界波形の遠方の観測点における値の計算式において、電流の時間偏微分項を差分の式に置き換え、電流の積分項から時間的に最も早い離散データ項を分離して、高さ方向についての積分項を含む落雷電流波形を求める基本式を得て、
該基本式において、測定された磁界波形または電界波形の離散データの先頭データから高さ方向について順次積分を進めて、落雷電流波形を求めることを特徴とする落雷電流波形推定方法。
A method for estimating a lightning current waveform from discrete data of measured values of a magnetic field waveform of a radiated magnetic field or an electric field waveform of a radiated electric field due to a lightning strike, comprising:
In Maxwell's equations for calculating the value of the magnetic or electric field waveform generated by the lightning current at a distant observation point, the time partial derivative term of the current is replaced by the difference equation, and the integral term of the current Isolating the fast discrete data terms to obtain the basic formula for the lightning current waveform including the integral term for the height direction,
A method of estimating a lightning current waveform in the basic equation, wherein integration is performed sequentially in the height direction from the leading data of the discrete data of the measured magnetic field waveform or electric field waveform to determine the lightning current waveform.
前記基本式において、前記離散データにより、高さ方向について地表から雷雲の高さの全範囲で積分することを特徴とする請求項1記載の落雷電流波形推定方法。 2. The method of estimating a lightning current waveform according to claim 1, wherein in said basic equation, said discrete data is integrated in the height direction over the entire range of the height of the thundercloud from the surface of the ground. 前記基本式において、前記離散データにより、高さ方向について地表から雷雲の高さの一部の範囲で積分することを特徴とする請求項1記載の落雷電流波形推定方法。 2. The method for estimating a lightning current waveform according to claim 1, wherein in said basic equation, said discrete data is integrated in a height direction over a partial range of the height of the thundercloud from the ground surface. 請求項3記載の落雷電流波形推定方法において高さ方向について1回だけ積分する場合における前記基本式から得られる式(1)に基づく回路を備えることを特徴とする落雷電流波形推定装置。
Figure 0007133442000027
ただし、Iは電流、Xは磁界または電界、tは時間、K1、K2およびK3は所定の係数を表す。
4. A lightning current waveform estimation device according to claim 3, comprising a circuit based on formula (1) obtained from said basic formula in the case of integrating only once in the height direction.
Figure 0007133442000027
where I is current, X is magnetic or electric field, t is time, and K1, K2 and K3 are given coefficients.
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