負極性地閃雷擊點選擇過程的模擬試驗及仿真模型研究.pdf

1、雷電是一種常見的自然災害,其巨大的破壞力每年造成大量的人身傷亡事故和財產損失。雷電防護是能源、交通、航天航空、建筑等諸多領域關注的熱點問題。采用負極性地閃模型模擬雷擊過程是指導防雷保護裝置設計和改造的重要手段。然而,由于現(xiàn)有的負極性地閃模型仍然存在缺陷,部分按照其計算結果設計的防雷保護裝置未起到應有的雷電防護效果,亟待提出一種更為合理的雷擊過程仿真模型。
　　針對現(xiàn)有模型存在的問題,本文擬提出一種可以反映下行先導曲折、分叉特性、地

2、表電場時空變化以及迎面先導起始和發(fā)展物理過程的負極性地閃模型。并圍繞負極性梯級先導形成機制、下行先導通道電荷分布、負極性下行先導隨機發(fā)展模型、正極性迎面先導特性及仿真模型、負極性地閃發(fā)展過程三維仿真模型幾個方面開展工作。
　　根據負極性流注的能量平衡方程,結合基于電位畸變的空間電荷計算方法,推導了描述負極性流注-先導轉化過程的轉化區(qū)溫度計算公式,提出轉化區(qū)的背景電場是決定負極性梯級先導形成的關鍵物理參數;通過開展4~10m間隙尺度

3、的負極性長空氣間隙放電,獲取了負極性梯級尺度、發(fā)展速度等放電參數,并通過與自然雷電相關參數進行對比,論證了負極性長間隙放電與自然雷電的相似性;采用外推的方法,提出了雷電梯級先導形成所需的臨界背景電場。
　　基于模擬電荷法,根據回擊電流積分電荷總量與回擊電流峰值的關系,研究了下行先導通道的電荷總量和電荷分布。提出了下行先導通道電荷總量與回擊電流峰值的關系;獲得了下行先導通道內的電荷分布規(guī)律;研究了分支通道對下行先導通道電荷分布的影響

4、,通過引入電荷系數,提出了考慮分支的下行先導通道電荷分布計算方法。
　　采用背景電場作為選擇下行先導發(fā)展方向的放電參數,建立了負極性下行先導三維隨機發(fā)展模型;通過對雷電通道的三維幾何特征進行分析,建立了分形維數、分支系數以及電荷系數的關系,并根據自然雷電的分形維數,確定了電荷系數和發(fā)展概率指數;采用雷電觀測結果在分形維數、電荷總量以及地表電場變化三個方面驗證了下行先導發(fā)展模型的正確性。
　　通過分析雷電下的地表電場時空分布特

5、性,提出了基于電場時空分布等效的正極性迎面先導特性模擬試驗方法;設計并開展了避雷針的迎面先導特性模擬試驗,獲得了初始電暈電荷、電暈起始電壓、先導起始電壓等放電特征參數;提出了新的流注莖-先導轉化臨界電荷判據;論證了空間電荷對二次電暈起始的抑制作用;獲得了先導初始發(fā)展階段的單位長度電荷量,及單位長度電荷隨先導電流的變化趨勢?？紤]暗區(qū)內初始先導的生長和空間電荷對電場的影響,提出了包括流注莖-先導轉化熱過程和二次電暈起始過程的正極性迎面先導起

6、始模型;結合先導電流計算方法和根據人工引雷試驗、迎面先導模擬試驗和理論推導提出的先導速度與先導電流的關系,建立了迎面先導發(fā)展模型;采用正極性迎面先導模擬試驗結果以及自然雷電的迎面先導觀測結果對模型進行了驗證。
　　結合下行先導三維隨機模型和正極性迎面先導起始和發(fā)展模型,建立了負極性地閃發(fā)展過程三維仿真模型。采用該模型對避雷針的擊距、保護半徑、引雷范圍等防雷性能進行了研究。探討了電氣幾何模型對于某個回擊電流峰值采用固定擊距進行計算可