正极性电晕向流注放电转化过程的实验观测研究

1 目的及意义（含国内外的研究现状分析 ）

1.1雷击放电机理对直击雷防护工作的重要性

雷电放电是一种常见的自然现象，其中部分雷电放电是雷云与大地之间的放电，这种情况下就可能对地面上的一些高耸物体造成一定的危害，并且对电力系统与人员安全也会造成较为严重的影响。因此直击雷防护成为电力系统安全关注的重点[1]-[4]，而雷击放电机理则是指导直击雷防护设计的理论基础。

研究雷击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。在雷云和雷电下行先导作用下，地面目标物将产生四个主要的放电过程，分别为电晕放电阶段、流注放电阶段、先导放电阶段和最后接闪阶段。

首先在雷云电场作用下，地面目标物电场集中处达到起晕场强，产生电晕放电，在目标物周围形成空间电荷层。当下行先导趋近目标物时，目标物附近电场上升，目标电晕放电将转化为后续的流注和上行先导放电。随着上行先导放电不断发展，向上拦截下行先导，最终形成雷电接闪通道，雷击目标物即被确定。根据统计，负极性下行雷电约占地闪总数的90%，地面高耸物体尖端正电荷聚集，因此对正极性电晕向流注放电的转化过程进行研究具有一定的现实意义。

1.2正极性电晕向流注放电转化过程研究中存在的问题

电晕放电过程是地面目标物雷击过程的初始放电阶段，对后续的流注放电阶段、上行先导放电阶段以及最后的接闪阶段有着重要的影响。根据国内外学者的研究，雷云电荷积聚过程中，电晕放电产生的大量空间电荷，能够改变目标物尖端附近电场分布，有可能抑制流注放电的起始，延迟上行先导的产生与发展，从而削弱避雷针等雷电防护设施的引雷能力。近年来，为了研究电晕放电对地面目标物的雷电屏蔽性能的影响，国内外学者对雷云电场作用下不同结构目标物的电晕放电形成过程，以及空间电荷时空分布对上行先导起始的影响进行研究，证明电晕放电形成的空间电荷层会在一定程度上延迟和抑制上行先导起始[5]。

流注放电是雷云下行先导发展过程中地面高耸物体形成上行先导的首要条件，若想定量评估电晕放电对雷击过程的影响，关键就是要研究电晕放电向流注放电的转化机理和条件。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对雷击过程的影响，导致防雷设计优化缺乏依据。

1.3研究的目的及其意义

随着我国电网电压等级不断提升以及特高压输电快速发展，输变电设施高度显著增加，雷暴过程中电晕放电形成的空间电荷对防雷性能的影响更为凸显。本课题旨于通过对正极性电晕向流注放电转化过程进行具体的实验观测，研究不同预电晕放电电流、不同电压上升率条件下对后继流注的起始条件及其分散性的影响，预电晕放电对后继流注发展速度和分支形态的影响并掌握电晕向流注放电转化过程的发射光谱特征，从而对此过程有更深入的了解，揭示地面目标物尖端电晕放电对雷击过程的影响机理，指导输变电设施的防雷工程优化设计。

1.4 国内外研究现状

1.4.1雷暴过程中电晕空间电荷作用的流注起始条件

根据文献记载，人们第一次观测到正极性辉光电晕是由 Michael Faraday于1838年1月报道的。1997年，澳大利亚学者 Morrow 基于电子、正离子、负离子与激发态氧分子的连续方程，考虑碰撞电离、光电离、粒子吸附等过程，结合泊松方程，建立了以同心球电极为模型的一维辉光电晕仿真模型[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。仿真结果表明，当电压上升率达到1kV/us时，稳定的辉光电晕放电可转化为流注放电。虽然同心球电极可大大地减少计算量，但实际中不存在同心球电极放电，该一维仿真模型过于理想化，不能与实际的电晕放电等效。

2013年，瑞典学者Becerra采用有限元计算软件COMSOL Multiphysics的对流/扩散模块和 AC/DC 模块，建立了雷暴过程中避雷针电晕放电向流注放电转化的二维轴对称模型[7]，并与之前一维的研究进行了对比，结果表明，电晕产生的空间电荷并不只在半径方向发展；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。在仿真计算中，Becerra忽略辉光电晕形成之前的流注电晕放电过程，对于半球盖状避雷针，将球电极的Peek起晕公式[8]作为辉光电晕的起始判据。基于Uhlig实验获得的流注起始临界电压上升率判据[9]，从辉光电晕到流注起始所需的临界增长率随半径的变化而变化，Becerra外推得出头部半径为0.02m 的避雷针流注起始临界电压上升率，认为当下行先导与地面距离为1140m时，避雷针头部电压上升率为满足流注起始条件。然而，Uhlig 获取的流注起始临界电压上升率是在无电晕作用的情况下获得的，直接作为雷暴过程中电晕放电作用下的流注起始条件可能会误判流注起始时刻。

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[10]，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。仿真结果表明，施加的电压越陡，即电压上升率越大，流注起始发生的越早。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。