雷电电磁场传感器技术规范 编制说明

1《雷电电磁场传感器技术规范》（征求意见稿）编制说明一、工作简况1.任务来源根据国家标准化管理委员会2024年4月25日下发的《关于下达2024年第二批推荐性国家标准计划和推荐性国家标准外文版计划的通知》（国标委发〔2024〕18号）的要求，本项目名称为《雷电电磁场传感器技术规范》，立项编号20240889-T-469，根据计划本标准为制定标准。本标准由全国雷电防护标准化技术委员会（SAC/TC258以下简称雷标委）提出并归口。2.制定背景（1）制修定背景雷电电磁场传感器包括静电场、雷电瞬变电场、瞬变磁场及其随时间变化率的5类传感器。雷电电磁场传感器是用于测量雷电放电产生的静态和瞬变电磁场的专用设备，广泛应用于雷电监测定位、预警系统和雷电电磁效应试验、雷电、静电放电等相关领域的电磁环境评估和放电参数反演。本标准通过规定雷电电磁场传感器的静态和动态特性指标要求和测试方法，规范了传感器的通用性，为雷电电磁场传感器的性能检测评估提供了有效途径，具有重大的社会效益。雷电电磁场传感器量程范围广、频率跨度大、涉及参数多，由于缺乏统一的技术规范，影响了传感器性能的标准化测试以及测量数据的使用。雷电电磁场传感器是构成雷电定位网的重要组成部分，GB/T33678-2017《VLF-LF三维闪电定位网技术规范》从构成雷电定位网的整体性能上对雷电电磁场传感器的探测半径、动态范围、工作方式等指标做了要求，缺乏对传感器的具体指标要求和测试方法。除此之外，国外相关领域最相近的标准为IEEE于2013年发布的《IEEEStd1309-2013CalibrationofElectromagneticFieldSensorsandProbes(ExcludingAntennas)from9kHzto40GHz》（9kHz~40GHz电磁场传感器和探头校准标准），国内对应标准为国家计量技术规范《JJF1884-202010kHz～100MHz电磁场探头校准规范》和《JJF1886-2020电场探头校准规范》。以上标准虽然也规定了电磁场传感器的一些技术指标和测试方法，但是与本标准有2显著不同，主要体现在以下3个方面：1）侧重点不同以上发布的标准主要关注规定了天线系数（或称为校准因子）的标定方法，天线系数是传感器灵敏度的倒数，虽然是传感器的主要技术指标，但是雷电电磁场传感器在适用过程中还有其他重要的技术指标，比如测量范围、分辨力、线性度、正交性、带宽等，这些指标在上述标准中并没有涉及，也没有给出指标要求。2）标定传感器类型不同本标准规定了5类传感器的技术指标要求和测试方法，其中电场变化率（dE/dt或E-Dot）和磁感应强度变化率（dB/dt或B-Dot）传感器的灵敏度、带宽等项目的测试方法在国内外所有标准中都没有涉及，属于创新技术。3）频率范围不同由于雷电电磁场信号集中在较低频率，本标准关注的频段更低，甚至到直流，以上发布的标准更侧重高频，低频标定相比高频在方法上有特殊性，比如，对于反射和驻波的要求较低，因此存在针对性的优化测试方法，比如在静态特性测试时，可以不必考虑标准场产生装置的终端阻抗匹配问题，此外，还可以采用网格线栅代替平板以实现大尺寸传感器的测试。（2）协作单位北京科技大学、国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司、四川中光防雷科技股份有限公司、合肥航太电物理技术有限公司等。3.起草过程（1）草案编写2024年5月，成立了编写组，明确了目标任务，确定了编写方案、分工及编写计划。分以下三个方面准备标准草案：一是在前期资料收集、整理和申报立项稿等工作基础上，编写组整理汇总了国内外有关雷电电磁场传感器方面的规范标准及国内外大量参考文献，并将所有资料发给编写人员进行学习，通过对文献整理和数据提取，为本标准的指标制定提供了重要的参考依据；二是分析整理前期试验数据，根据编写组前期的测试数据，对线性度、变化率类传感器动态特性等指标的测试方法进行了数据验证；3三是开展了计算仿真，针对大尺寸传感器的网格线栅优化进行了计算仿真，给出了优化的仿真结果。在以上工作基础上，拟制了标准草案，向有关专家进行了咨询，并进行了修改。（2）标准编制组第一次工作会议2024年8月7日，雷标委在河南郑州组织召开了本标准启动会暨编制组第一次全体会议。会上，雷标委秘书处介绍了标准指定任务的来源、起草工作组的组建情况、标准制订的相关程序、要求及需要注意的事项。主编单位对编制该标准的必要性、相关内容研究进展情况、标准框架、主要内容进行了介绍。与会专家对标准文本的范围及各章节具体内容进行了逐条讨论，确定了标准框架及修改完善的内容。会后，起草组根据会上提出的修改意见对标准文本进行修改完善形成标准第二稿。二、标准编制原则、主要内容及其确定依据（修订国家标准时，还包括修订前后技术内容1.编制原则（1）科学性本标准为制定标准，在编制过程中以陆军工程大学编写组的科学试验和计算仿真等工作基础为蓝本，查阅了国内外大量的自然闪电、高塔观测、人工引雷的观测结果，参考吸收了已有标准的相关技术要求和先进测试方法，充分考虑大气电场仪、雷电定位仪等主要传感器制造商的现实能力，从便于标准实施的角度出发，对雷电电磁场传感器的技术要求、测试方法做出了相关规定，以期科学有效地满足传感器生产加工、测试以及应用标准化工作的需求。（2）协调性本标准的编写注重与同一领域现行有效的标准之间的相互协调，尤其考虑本领域基础标准的情况。将针对一个对象的规定尽可能集中在一个正文层次中。将通用内容或者规定放置在标准的某一个部分，其他部分则引用通用部分的相关内容。需要使用其他标准中内容时，基本采用引用的方式，避免由于抄录错误导致的差异。（3）规范性本标准依据GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》给出的规则起草，符合标准编写要求。本标准的所有条目在表述上力求做到清晰明确，4无模棱两可、含糊其辞或易于产生歧义的表达；在方法上力求做到务实、有效、可操作。（4）注意与国际接轨本标准在编写过程中，时刻对相关IEC标准和相关国家标准展开深入研究及对比分析。针对本标准编制，编制组查阅了近10年来与本标准内容相关的技术文档、论文、技术规范和国家、国外标准，吸收借鉴了其中的先进技术和方法，比如标定场产生装置中，采用的TEM波导、亥姆霍兹线圈和平行板标定系统均为当前国际公认的标准化测试环境。2.标准主要内容及其确定依据本标准共分7章和2个附录。主要内容包括范围、规范性引用文件、术语和定义、分类、要求、试验仪器和装置和试验方法。附录A规范性附录，附录B为资料性附录。本标准主要从静态特性、动态特性、电磁兼容和环境适应性、外观质量4个方面规定了雷电电磁场传感器的14项指标要求，同时给出了各指标的测试试验装置和方法。其中，静态特性包括：测量范围、分辨力、线性度、回差（迟滞）、零点输出、正交性；动态特性包括：上升时间、衰减时间常数、工作频率范围、幅频响应变化；环境适应性包括：热零点偏移、交变湿热、防水、冲击。在制订过程中遵守《中华人民共和国气象法》、《气象灾害防御条例》和《防雷减灾管理办法》的要求，在指标和方法上，重点参考借鉴了GB/T7665《传感器通用术语》、GB/T18459-2001《传感器主要静态性能指标计算方法》、GJB10182-2021《静电传感器通用规范》、《IEEEStd1309-2013CalibrationofElectromagneticFieldSensorsandProbes(ExcludingAntennas)from9kHzto40GHz》（9kHz~40GHz电磁场传感器和探头校准标准）、QX/T566-2020《场磨式大气电场仪》；在指标数值取值上，重点参考了发表在国际大气电学Top期刊“J.Geophys.Res.”或“Geophys.Res.Lett.”上的文献“Statisticalcharacteristicsoftheelectricandmagneticfieldsandtheirtimederivatives15mand30mfromtriggeredlightning”、“Electricandmagneticfieldsandfieldderivativesfromlightningsteppedleadersandfirstreturnstrokesmeasuredatdistancesfrom100to1000m”、“Lightningamplitudespectraintheintervalfrom100kHzto20MHz”等。编写组所在的陆军工程大学野战工程学院电磁环境效应与光电工程重点实验室是专门从事雷电等高功率电磁环境效应的国家级实验室，研制了多种雷电电磁场传感器，开展了大量的标定实验和理论研究，牵头和参与过多项雷电防护相关国军标、国标以及团标的起草工5作，在雷电测试领域积累了丰富的经验，并将这些经验融入到本标准修订过程中。三、试验验证的分析、综述报告，技术经济论证，预期的经济效果、社会效益和生态效益1.主要技术指标要求的论证以下针对标准的主要静态、动态指标，给出制定的参考依据。（1）测量范围雷电电磁场的幅度随传感器与雷电的距离剧烈变化，以地面垂直电场为例，距离回击通道10m处电场可达到385kV/m,而100km处仅有7.8V/m。目前的传感器尚不能在如此大的动态范围之间同时保持分辨力和线性度的要求。因此，我们提出根据传感器的探测距离来确测量范围的指标要求。雷电包含云闪和地闪，通常来讲，以地闪回击过程最为剧烈，对人类的影响也最大。回击电磁场的工程模型已经非常成熟。本说明中，编制组参考Heidler波形[1]作为回击电流波形，按照国际公认的典型回击峰值30kA计算，回击电流沿通道的发展采用传输线回击工程模型，回击速度取1.3×108m/s。图1计算和观测得到的回击电场随距离的变化图1给出了TL传输线模型计算得到的回击电场总场和辐射场分量随距离的变化。两者的差异来源于静电场和感应场分量的贡献，两者在近区场和中间场明显，具体模拟波形见图2，10km以外两者基本一致。图1中同时标出了来自不同国家研究团队的观测值，共统计数据442次，具体信息见表1。观测值基本围绕在计算值附近，其差异主要来源于实际雷电流6和理论计算取值的不同。综上，我们采用图1回击电场总场计算标准草案表1中不同距离处回击电场的限值。表1电场观测值数据来源来源类型试验场地回击数Willett等[2]人工引雷美国Depasse等[3]人工引雷法国Crawford[4]人工引雷美国郄秀书等[5]7Schoene等[6]人工引雷美国张其林等[7]人工引雷Nag&Rakov[8]美国2Jerauld[9]美国81蔡力[10]人工引雷图2TL模型模拟得到的100m和1km的电场同理，图3给出了TL传输线模型计算得到的回击磁场随距离的变化以及观测结果，观测数据共206次，具体观测数据信息见表2。类似电场，同样采用图3回击磁场总场计算标准草案表1中不同距离处回击磁场的限值。电场变化率和磁场变化率的计算和观测结果分别如图4和图5，相应的观测数据来源分别见表3和表4。相比电场和磁场，对应变化率的辐射场更接近于总场，这是由于辐射场分量的变化率更大的原因。图中同时给出了GJB1389B-2022给出的标准值，这一标准值和辐射场近似非常吻合。根据标准间的协调性，本标准中在变化率传感器的测量范围取值时按照GJB1389B-2022确定，得到标准草案中表1的场变化率传感器的测量范围。7图3计算和观测得到的回击磁场随距离的变化表2磁场观测值数据来源来源Baker[11]Uman[12]Schoene[6]Jerauld[13]Hussein[14]类型人工引雷人工引雷人工引雷高塔回击数125531图4计算和观测得到的回击电场变化率随距离的变化8图5计算和观测得到的回击磁场变化率随距离的变化表3电场变化率观测值数据来源来源Willett[2]Depasse[3]Krider[15]Uman[12]Schoene[6]Jerauld[9]类型人工引雷人工引雷人工引雷人工引雷回击数28632533表4磁场变化率观测值数据来源来源Baker[11]Uman[12]Schoene[6]Jerauld[13]Hussein[14]类型人工引雷人工引雷人工引雷高塔回击数125531（2）分辨力主要来源于GB/T33678—2017《VLF-LF三维闪电定位网技术规范》，该规范的“表2技术指标要求”中提出接收动态范围≥60dB，对应分辨力为1‰。此外，根据本标准中大气电场测量范围(±20kV/m）的要求，该分辨力的要求对应为40V/m，低于QX/T566-2020《场磨式大气电场仪》“5.3测量性能分辨力10V/m”的要求。（3）线性度提出2%的指标要求主要出于以下两方面考虑：1）根据QX/T566-2020《场磨式大气电场仪》“5.3测量性能线性度1%”的要求，电磁场传感器包括大气电场仪，两者应协调一致；2）根据编写组对某磁场传感器的实际标定数据验证，该次标定数据来源见论文[16]。标9定实验如图6所示，模拟器线圈的一端由信号源注入不同波形的信号，另一端串联50Ω电阻后接地。通过测量电阻两端的电压的得到流过模拟器环路的电流。磁场测量传感器输出接至示波器2通道记录传感器测量到的信号。信号源在模拟器中注入频率100kHz的正弦波信号，幅值由-20V至20V，间隔为5V，分别读取每次实验示波器两个通道波形的峰峰值并记录数据标准磁场B和两路传感器测量输出U_x、U_y见表5。根据本标准7.2.2条计算得到的最小二乘直线见图7，得到的线性度分别为0.46%和0.30%，均小于本标准提出的2%。图6雷电磁场传感器线性度测试实验连接框图表5磁场传感器线性度测试数据B(nT)-220-165-110-5555220U_x(V)-6.59-4.87-3.31-1.633.284.826.65U_y(V)-6.69-4.98-3.33-1.663.354.996.68图7磁场传感器线性度标定数据及最小二乘直线由于电磁场传感器种类繁多，回差结果差别较大。经编写组对国内多家主流厂商、不同传感器的回差试验发现，回差多在5%以下。通常，对于灵敏度较低的瞬态场或场变化率传感器，试验时需要采用高压源，高压脉冲的重复性难以保证，因此导致灵敏度较低的瞬态场或场变化率传感器回差偏大。图8国内多家主流厂商、不同传感器的回差试验统计分布（5）零点输出经编写组对国内多家主流厂商、不同传感器的回差试验发现，零点输出多在1%以下。而且该值也与线性度在一个水平上。（6）正交性根据GB/T33678—2017《VLF-LF三维闪电定位网技术规范》“表2技术指标要求”中提出的测向精度优于1°,对正交性做相应要求。（7）上升时间根据人工引雷、自然闪电和高塔对回击瞬态场的观测结果，如图9-图12，瞬态场上升时间多在亚微秒到微秒尺度，因此规定瞬态场传感器的上升时间应小于1.5μs，以响应环境场变化。根据人工引雷对回击场变化率的观测结果，如图13，场变化率上升时间多在100ns以内，因此规定瞬态场传感器的上升时间应小于100ns，以响应环境场变化。图9人工引雷近距离回击电磁场上升时间观测图10自然闪电首次回击电磁场上升时间观测[9]图11自然闪电首次回击电磁场上升时间观测[8]图12高塔回击电磁场上升时间观测[14]图13人工引雷近距离回击电磁场变化率上升时间观测[6]（8）衰减时间常数传感器衰减时间常数的选择与所关心的闪电过程有关，一般要求时间常数远大于事件的持续时间。例如在Krehbiel等[17]采用衰减时间常数10s的电场变化测量仪对整个闪电的电荷转移过程进行过定位分析。对于一阶系统，衰减时间常数的倒数对应通频带的低频截止频率。针对快速瞬变过程，可通过减少衰减时间常数从而降低低频大信号的进入，从而关注于瞬态过程的变化。通常来讲，雷电的先导、回击、预击穿、NBE等强的瞬态脉冲过程多在10μs量级，因此，多采用50μs以上的衰减时间常数。表6列举了国内外典型闪电探测系统所用电磁场传感器的衰减时间常数和通频带数值，从表中可见，衰减时间常数均不低于50μs。最近的研究表明，在测量电路参数已知的条件下，在采用60μs的衰减时间常数，也能够对毫秒量级的闪电电场变化，如K过程，有较好的重构[18]，因此取衰减时间常数不低于50μs能够真实地记录大部分闪电脉冲放电过程。表6国内外典型闪电探测系统所用电磁场传感器的衰减时间常数和通频带被测量探测系统名称布设位置衰减时间常数通频带瞬态电场慢天线探测网[17]美国未提供LASA[19]美国160Hz-500kHzPBFA[20]美国，KSC1.6kHz-630kHzHAMMA[21]美国100ms1Hz-400kHzMSE[9]美国，ICLRT0.2Hz-4MHzFALMA[22]200μs500Hz-500kHzLFEDA[23]中国，广州160Hz-600kHzBLNET[24]中国，北京100μs/2ms1.5kHz-1.5MHz江淮天电阵列[25]未提供5kHz-2MHz人工引雷基地[26]中国，广州从化160Hz-6MHz瞬态磁场MSE[9]美国，ICLRT20ms10Hz-4MHz未命名，Lyu[27]美国未提供100kHz-250kHzCMCN[28]美国未提供2Hz-25kHzLINET[29]欧洲未提供1kHz-200kHz江淮天电阵列[25]未提供800Hz-400kHzADTD-2[30]未提供3kHz-300kHz广东引雷基地[26]未提供20kHz-1.2MHz（9）工作频率范围根据回击电磁场的频谱测量结果（如图14），回击电磁场的峰值集中在3kHz~100kHz，因此规定针对地闪回击过程探测的传感器，工作频率范围宜覆盖频段3kHz~100kHz。《雷电防护第4部分：建筑物内电气和电子系统》（标准号：GB/T21714.4），附录ALPZ区内电磁评估基础，有以下表述：可以将首次雷击的磁场表征为典型频率25kHz,后续雷击的磁场表征为典型频率1MHz。《建筑物防雷装置检测技术规范》GB/T21431-2015附录F磁场测量和屏蔽效率的计算的F.2.4中波广播信号测量法，利用中波广播发射1000kHz即1MHz（后续雷击的磁场表征为典型频率1MHz）作为信号源，测量屏蔽效果。因此规定用于建筑物防雷屏蔽效能检测的瞬态场传感器，工作频率范围应覆盖频段25kHz~1MHz。图14回击电磁场的频谱分布[31]（10）幅频响应变化参考标准草案的附录B，当工作频率范围内不存在谐振点时，幅频响应的基准值取最大值，如标准草案图B(a),此时的幅频响应变化为3dB。由于分布电容和分布电感的存在，在工作频率范围内可能存在谐振点，本标准允许小幅度的谐振点存在，但是幅度不能超过1dB，如标准草案图B(b),此时由谐振点造成的工作频率范围内幅频响应变化应小于4dB。2.主要测试方法的论证（1）变化率传感器参数的定义和测试方法电场、磁场变化率传感器的带宽、灵敏度在国内外标准中都没有定义，分析主要原因在于其工作频率在幅频响应曲线的倾斜部分，如图15，难以直接定义。以电场传感器为例，考虑到传感器的输出电压和电场变化率通常呈线性关系：（1）k为灵敏度。转换到频域后变为：（2）因此，等效于除以2πf，将倾斜部分变平，如图16，就能够采用类似常规电场和磁场的标定方法进行处理。图15场变化率传感器的S21参数测试结果图16图15曲线除以2πf后的结果（2）分辨力的计算用同一传感器对同一物理量值进行一列等精度测量,测量结果形成一分布，通常视为正态分布，概率密度函数为高斯分布：式中，x为物理量值；µ为x的期待值；σ为标准误差。实测次数N有限，常用标准偏差为：（4）作为σ的无偏估计。实验物理学常用半峰宽度fW(峰值一半处的宽度)作为“分辨本领”，也即分辨力。正态分布的半峰宽度为：测量结果落入半峰宽度范围内的概率是0.76。即进行一次测量，测量值x落在(µ−1.177σ,µ+1.177σ)区间内的概率为76%，即：x=u土1.177o（6）式中，置信概率为0.76。假设作了两次测量，第一次测得x1，第二次测得x2，且|x2−x1|=2.35σ,则当x1落入区间[µ−1.177σ,µ+1.177σ]的左部(概率0.76)时，由于|x2−x1|=2.35σ,故x2必落到该区间外的右边(概率小于0.12)，如图1所示。图1δ=2.35σ的概率计算用图因此，事件的概率小于0.76×0.12=0.091，即x1、x2属于同一真值µ的概率小于9.1%，x2与x1属于不同真值(真值已经改变)的概率大于90.9%。对于x1落入区间右部、x2落到该区间外的左边，情况也是一样。无论什么情况，只要两次测量结果之差等于2.35σ,则真值已经改变的概率将大于90.9%，故选用2.35σ作为分辨力δ是合适的[32]δ=2.35σ（7）式中，置信概率大于0.909。当得到分辨力后，除以灵敏度即转换为不同被测量的国际单位量纲：δ=（8）（3）热零点漂移测试的恒温时间热零点漂移计算公式来源于GB/T18459-2001，每个温度测量点的暴露持续时间按GB/T2423.22-20