不同形状金属尖端电晕电流触发阈值的分析

论文总字数：16712字

目 录

摘 要 I

Abstract II

0. 引言 1

1. 理论分析 2

1.1 电晕形成的过程以及状态演化过程 2

1.2 接地金属尖端在静电场中的电场分布 3

1.2.1 尖锐尖端表面附近的电场强度 3

1.2.2 椭球形尖端表面的电场强度 5

2. 试验分析 6

2.1 试验模型的建立 6

2.1.1 静电场中电晕放电试验模型 6

2.1.2 电晕电流信号采集模型 7

2.2 尖端电场强度计算方法 8

2.3 静电场中椭球形尖端电晕放电的数据分析 8

2.3.1 椭球形尖端电晕放电分析 8

2.3.2 椭球形尖端电晕放电阈值分析 9

2.3.3 椭球形尖端剧烈电晕放电分析 11

2.4 静电场中尖锐尖端电晕放电的数据分析 13

2.4.1 尖锐尖端电晕放电分析 13

2.4.2 尖锐尖端电晕放电阈值分析 14

2.4.3 尖锐尖端剧烈电晕放电分析 15

2.5 两种形状尖端电晕放电数据的对比分析 16

2.5.1 两种形状尖端对背景电场产生的畸变效应 16

2.5.2 两种形状尖端产生电晕电流的差异 16

2.5.3 两种形状尖端的电晕放电阈值 17

3. 结论 18

参考文献 19

致 谢 21

不同形状金属尖端电晕电流触发阈值的分析

罗华

, China

Abstract: Through the theoretical analysis of the electric field distribution near the sharp tip and the surface of the ellipsoidal tip, a laboratory simulation, aiming at the problem of corona discharge at different shapes of current data was simultaneously acquired through an oscilloscope. The 2D Poisson equation was then calculated by using the finite element method to obtain the corona trigger threshold at the tip. The following conclusion was reached: The metal tip corona trigger voltage threshold at the tip of the metal, and the electric field threshold at the tip is a relatively fixed value; meanwhile ,the corona trigger threshold at the tip of metal, and the electric field threshold at the tip is a relatively fixed value; meanwhile, the corona trigger threshold at the tip is between 6.9382Kv/cm and 8.2824Kv/cm，and this article got the fitting formula of the electric field strength and the current amplitude，both of which will have certain reference value in practical application.

Key word: Corona discharge; Electric field threshold; Finite element; Corona current

0 引言

近年来，人们越来越接受这样的一种理论，既尽量减少接闪杆预闪击空间的电荷累积，将增强其启动和维持上行先导的能力^[1-3]。因此，用于评估地面高处接闪器的尖端性能的一个参数是其在静电场条件下的电晕放电效应，这对应于雷云产生下行先导之前的条件。电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电的一种气体放电形式。一般发生于曲率半径较小的尖端电极附近，由于尖端附近的局部电场强度超过空气的电离场强，使空气发生电离和激励，因而出现电晕放电。众所周知的是由于在树木、建筑物和其他地面物体的尖端通过电晕放电向空气中注入空间电荷，因而会导致雷云的电场E₀在地平面处减小，并且在高建筑物上尖端产生电晕的效率更高^[4-5]。上行闪电或者反极性先导可以在E₀足够大的情况下从地面物体尖端处触发。由于目标附近向下发展的下行闪电先导，引起的E₀增加也可导致在接地物体尖端上产生反极性先导，两个先导之间的相互吸引后的接触，将不可避免的对该物体造成闪击^[6]。强烈的电晕放电效应在尖端附近产生了一个厚的空间电荷层，导致空间中电势重新分布，电极附近的电场强度减小，由此可抑制电极在雷云电场环境中^[7]或在实验室间隙中的高电压电极^[8-10]的先导触发。

到目前为止，国内外许多学者对电晕放电形成的物理过程以及电晕放电相关参数做了大量研究，国内研究者刘民等人通过针-板模型测量不同极间距下正负电晕放电参数^[11]；樊高辉等人利用人工神经网络求解了电晕电流的通用数学模型^[12]；曹鹤飞等人通过电磁场辐射诱发真空电晕放电模拟实验系统研究了电磁场作用下的电晕放电实验，得到了电磁场辐射诱发电晕放电的阈值电压变化规律^[13]。国外的Standler^[14]和CLcuzy^[15]等采用一维时变模式的理论方法，通过模拟地面树木等地面自然接地物体尖端的电晕放电过程来研究自然尖端电晕放电对地面附近电场的影响；F.D’Alessandro通过实验室试验对两种不同类型的尖端（高度可改变）进行电晕放电试验，得到电晕环境电场触发阈值与尖端高度的函数式^[16]。以上学者在大量研究中得出了电晕电流的相关性质、参数以及可采取的计算机模拟方式，但是以上学者对不同形状金属尖端电晕电流触发阈值的研究较少。

基于此，本文通过理论计算与实验室试验相结合的方式探讨金属尖端处电晕电流触发时的尖端电场强度，拟采用尖端电场强度大小作为判断电晕放电的依据，并分析其随金属尖端高度、形状的变化规律以及电晕电流幅值与尖端所在高度和电场强度的关系。对于研究实际雷暴云电场条件下的地面物体尖端电晕放电现象有一定参考价值。

1. 理论分析
   1. 电晕形成的过程以及状态演化过程

电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电的一种气体放电形式。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于尖端对电场的畸变效应，导致尖端附近局部电场强度超过气体的电离场强，使气体介质发生电离和激励，因而出现电晕放电。依据电晕放电时电极尖端的极性可以将电晕放电分为正电晕和负电晕，电极尖端带正电则产生的电晕称为为正电晕，反之则称为负电晕。

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