摘 要

雷电直击是威胁电力系统和其它重要地面设施安全的重要因素之一。开展雷电接闪放电机理的研究对于提高电力系统和其它重要地面设施的直击雷防护水平具有重要意义。雷电接闪放电过程中，包括雷云积聚电荷、负极性雷云下行先导的发展趋近、地面目标物上行先导的起始与发展以及最后下行先导与上行先导的接闪。其中，地面目标物上行先导能否发展直接影响着自身的直击雷概率。而上行先导的起始与发展又与地面目标物发生的初始电晕放电密切相关，原因是地面目标物在发生上行先导放电之前，会首先经过初始电晕放电阶段，之后转化为流注放电，最后导致上行先导的起始与发展。然而，由于缺乏对正极性电晕—流注放电转化过程的实验研究，对这种转化过程的理解尚不清楚，难以定量评估电晕空间电荷对雷电接闪过程的影响，导致防雷优化设计缺乏依据。因此，本文重点研究了电晕放电—流注放电的转化特性和电晕放电对后续流注放电发展模式的影响，并且初步探究了电晕及流注放电阶段中发射光谱的特征。

本文以典型避雷针为研究对象，为了模拟雷电接闪期间避雷针上发生的电晕放电和流注放电过程，搭建了板—棒板间隙作为实验平台，以黄铜棒电极模拟实际避雷针，并构建了直流叠加冲击电压波形发生回路用以模拟雷云电场的作用以及下行先导趋近时引起的电场变化；为了采集实验过程中的光电信号数据，构建了集ICCD、瞬态电流测量模块、示波器、光谱仪等设备在内的放电物理参量同步观测系统，用于实现整个实验过程中光电现象的观测，并以此为基础开展了正极性电晕向流注放电转化过程的实验观测研究。

本文研究了板—棒板间隙中棒电极在不同电极直径下的正电晕放电的特性，掌握了雷云背景电场下避雷针上会经历的不同电晕放电的类型，得到了不同直径棒电极的辉光电晕稳定电压，为后续研究流注放电起始的实验提供了依据；针对电晕空间电荷作用下流注起始电压U与起始时延T特性展开了重点研究，通过实验获得了U与T随预直流电压、棒电极直径以及电压上升率变化的关系曲线；通过拍摄静态的流注放电图像，在存在和不存在电晕的情况下，比较和分析了后续流注放电过程中分支形态的差异。并且根据放电形态分别计算了有、无电晕作用下流注的平均发展速度，从而分析了预电晕放电对后继流注发展速度和分支形态的影响；对于电晕放电及流注放电过程的光谱特征进行了初步探究，并且在流注放电产生的等离子体对应的光谱谱线中得到了部分N₂第二正带系的特征谱线，通过对实验谱进行拟合，反演推算出了N₂分子的转动温度和振动温度。

关键词：电晕放电；流注放电；起始特性；放电形态；发射光谱

Abstract

Lightning direct strike is one of the important factors threatening the safety of power system and other important ground facilities. It is of great significance to study the mechanism of lightning attachment for improving the level of lightning protection of power system and other important ground facilities. In the process of lightning attachment, it includes the charge accumulation of thundercloud, the development trend of downward leader of negative thundercloud, the initiation and development of upward leader of ground target, and finally the attachment between downward leader and upward leader. Among them, the development of the ground target upward leader directly affects its own direct lightning strike probability. The initiation and development of the upward leader are closely related to the initial corona discharge of the ground target. The reason is that before the upward leader discharge occurs, the ground target first passes through the initial corona discharge stage, then converts into streamer discharge, and finally leads to the initiation and development of the upward leader. However, due to the lack of experimental research on the conversion process of positive corona discharge-streamer discharge, the understanding of this conversion process is still unclear. It is difficult to quantitatively evaluate the effect of corona space charge on lightning attachment, which leads to the lack of basis for lightning protection optimization design. Therefore, this thesis focuses on the conversion characteristics of corona discharge-streamer discharge and the influence of corona discharge on the development mode of streamer discharge, and preliminarily explores the characteristics of emission spectra in corona and streamer discharge stages.

In this thesis, the typical lightning rod is taken as the research object. In order to simulate corona discharge and streamer discharge on lightning rod during lightning attachment, a plate-rod-plate gap was built as an experimental platform, a brass rod electrode was used to simulate the actual lightning rod, and a DC superimposed impulse voltage waveform generation circuit was constructed to simulate the effect of thundercloud electric field and the change of electric field caused by downward leader approaching. In order to collect the photoelectric signal data in the experimental process, a synchronous observation system of discharge physical parameters, including ICCD, transient current measurement module, oscilloscope, spectrometer and other equipments, was constructed to realize the observation of photoelectric phenomena in the whole experimental process. On this basis, the experimental observation and study of the conversion process from positive corona to streamer discharge were carried out.

In this thesis, the characteristics of positive corona discharge of rod electrodes in plate-rod-plate gap under different electrode diameters are studied, and the types of corona discharge on lightning rods under thundercloud background electric field are mastered. The stable glow corona voltages of rod electrodes with different diameters are obtained, which provides a basis for the subsequent experiments of streamer discharge initiation. The characteristics of the streamer initiation voltage U and the initial delay T under the action of corona space charge are studied in detail. The relationship curves of U and T with pre-DC voltage, rod electrode diameter and voltage rise rate are obtained through experiments. By taking static streamer discharge images, the differences of branch morphology in the subsequent streamer discharge process were compared and analyzed in the presence and absence of corona. According to the discharge pattern, the average development speed of streamer with and without the influence of corona is calculated, and the influence of pre-corona discharge on the development speed and branch morphology of subsequent streamer is analyzed. The spectral characteristics of corona discharge and streamer discharge are preliminarily explored. Some characteristic lines of the second positive band system of N₂ are obtained from the corresponding spectral lines of streamer discharge plasma. The rotational and vibrational temperatures of N₂ molecule are inversely calculated by fitting the experimental spectra.

Key Words：corona discharge, streamer discharge, initial characteristics, discharge pattern, emission spectrum

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1电晕空间电荷作用下的流注起始条件 2

1.2.2雷暴期间流注放电发展速度和分支形态的研究 3

1.2.3气体放电过程的发射光谱特征 3

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 实验平台搭建 5

2.1 实验回路 5

2.2 放电电极 6

2.3 观测系统 8

2.4 本章小结 9

第3章 正极性电晕放电实验研究 10

3.1 雷云电场作用下的电晕放电类型 10

3.2 辉光电晕稳定电压 12

3.3 本章小结 13

第4章 正极性电晕向流注放电转化过程的实验研究 15

4.1 电晕作用下流注起始电压与起始时延特性 15

4.1.1 流注起始特性 15

4.1.2 预直流电压对起始电压与起始时延的影响 16

4.1.3 电极直径对起始电压与起始时延的影响 18

4.1.4 电压上升率对起始电压与起始时延的影响 20

4.2 预电晕放电对后继流注发展速度和分支形态的影响 22

4.3 本章小结 23

第5章 电晕及流注放电过程的发射光谱特征 24

5.1 基于发射光谱的大气压等离子体温度的诊断方法 24

5.2 电晕放电及流注放电过程的发射光谱实验观测 25

5.3 本章小结 28

第6章 总结与展望 29

6.1 全文总结 29

6.2 展望 30

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

雷电直击是威胁电力系统和其它重要地面设施安全的重要因素之一。开展雷电接闪放电机理的研究对于提高电力系统和其它重要地面设施的直击雷防护水平具有重要意义，研究雷电接闪放电机理是提升输电线路、大容量风力发电机等地面重要设施防雷保护水平的基础^[1]-[4]。根据相关数据统计，自然界发生的地闪放电中，负极性下行闪电约占总数的90%。在负极性雷电下行先导趋近的过程中，地面目标物将经历四个主要的放电阶段，即电晕放电、流注放电、先导放电以及最后的末跃。

首先，在雷云电场的作用下，地面目标进入电晕放电阶段，产生电晕空间电荷。当下行雷电先导接近目标时，目标附近的电场上升并且目标电晕放电将转化为后续的流注放电，继而转化为上行先导放电。随着上行先导放电继续发展，下行雷电先导被目标上行先导拦截，最后形成通道，并确定雷击目标。因此，探究正极性电晕—流注放电这一转化过程具有现实意义。

根据上述内容所提到的，电晕放电是雷电接闪期间地面上的目标物所要经历的初始放电过程，根据国内外学者的研究，电晕放电产生的空间电荷能够影响周围电场分布，进而阻碍流注放电的起始，从而延缓上行先导的发生，最终导致避雷针等防雷装置无法发挥应有的作用，达不到避雷效果。许多国内外研究人员曾对雷电接闪过程展开了研究，研究内容包括在雷云电场的作用下，电晕放电在地面上不同结构目标物上的产生和发展，还分析了电晕空间电荷的分布，及其对地面目标物流注放电和上行先导放电起始的影响。通过大量的仿真数据，证明由于电晕放电所产生的空间电荷层，将会延迟阻碍流注起始，继而影响随后的上行先导起始^[5]。但长期以来，由于对正极性电晕向流注放电转化过程认识不明晰，具体实验结果匮乏，难以定量评估电晕空间电荷对雷电接闪过程的影响，导致防雷设计优化缺乏依据。

雷电接闪发展过程中，由于电晕放电阶段产生的空间电荷，极大程度上影响着地面目标的防雷能力。本课题旨于针对正极性电晕 — 流注放电转化过程设计具体的实验方案，进而研究不同预电晕放电电流（预直流电压）、不同电压上升率、不同电极直径条件下对后继流注的起始条件以及分散性的影响，预电晕放电对后继流注发展速度和分支形态的影响并初步掌握流注放电过程的发射光谱特征，从而对此过程有更深入的了解。从工程意义上来说，旨于分析在雷电接闪过程中，地面上高耸物体尖端产生的电晕放电如何决定着自身的引雷水平，从而能够更好地推动我国输变电设施在直击雷防护方面的研究。

1.2 国内外研究现状

1.2.1电晕空间电荷作用下的流注起始条件

1997年，澳大利亚学者 Morrow R参考Poisson equation，创建了基于同心球形电极的1D辉光电晕结构模型^[6]。同心球电极具有2mm直径的内导体和42mm直径的外导体的几何形状，从而得到2cm的间隙。模拟结果显示，施加的电压上升率上升至时，便可使得原本保持稳定放电状态的辉光电晕放电向流注放电进行转化。但现实中并不存在同心球电极构造的放电形式，此1D仿真模型的创建偏于理想条件的情况，无法代替现实中发生的电晕放电。

2013年，借助于COMSOL，通过有限元计算，瑞典学者Becerra建立了一个二维轴对称模型，用于模拟雷暴期间，发生在避雷针上的电晕放电向流注放电的转化，并与之前的一维研究展开了比较^[7]。结果表明，电晕产生的空间电荷不仅在径向上发展；接地物只有部分表面会产生电晕放电；流注不一定从接地物尖端起始，而可以从侧面起始，这与一维情况下的仿真很不相同。在模拟过程中，Becerra并没有考虑早于辉光电晕放电阶段发生的流注电晕放电阶段，采用球电极的Peek公式^[8]视作判断辉光电晕起始的标准。依据文献[9]中提到的针对流注起始条件中判断电压上升率是否达到临界值的标准^[9]，即从辉光电晕过程过渡到产生流注所需的临界增长率随半径 r 的变化而变化，Becerra根据变化关系对r=0.02m 的避雷针能够产生流注时的电压上升率的临界值进行了推导。最后得出结论，当雷电下行先导距地高度达到1140m，避雷针顶端电压上升率达到即可产生流注。但是需要注意的一点是，不考虑电晕空间电荷要素是Uhlig 在推导产生流注时的临界电压上升率的前提^[9]。如果将其看作雷暴期间，存在电晕空间电荷作用下的产生流注的要求，那么有很大概率无法准确获取流注产生的时刻。

2016年，Lipeng Liu、Marley Becerra对同轴柱面结构中稳定的正辉光电晕到流注的转变进行了二维数值模拟，在考虑电离层的情况下，求解了多个对流控制连续方程和泊松方程的流体力学模型^[10]。仿真结果表明，施加的电压愈陡，也就代表电压上升率愈大时，流注产生的愈早。然而由于二维模拟没有考虑丝状流注的全部三维性质，所以一些局部物理性质(如电场和电子密度)的绝对值被低估了。

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