雷暴天气期间在接地物体尖端辉光电晕产生和流注的起始Marley Becerra1 Royal Institute of Technology-KTH, School of Engineering, Electromagnetic Engineering Lab, Teknikringen 33, 100 44 Stockholm, Sweden E-mail: marley.becerraee.kth.se and marley.becerrase.abb.com Received 10 August 2012, in final form 31 January 2013 Published Online at stacks.iop.org/JPhysD/46 摘要流注引发雷击之前可以被高大物体产生的电晕放电所抑制。和以前的建立的简单的辉光电晕一维模型基础上的研究不同，二维的高大物体上电晕离子漂移模型被使用到这里去分析影响的大小。 适当的估计雷云充电过程中和下行先导产生的电晕空间电荷分布从而计算梯级先导。 我们发现电晕空间电荷的屏蔽效应在流注起始时并没有之前报告的那么强。 估计下行先导尖端实际高度并且分析避雷针和耗散阵列系统 此时流注起始的发生就被展现出来了1 介绍带负电荷的雷雨云的形成期间，背景电场接近大地等级并从晴天时电场等级缓慢增加（100V/m） ，直到几十千伏每米。当背景电场加剧时，从地面尖锐物体的顶端开始电晕尖端放电。从实验室的实验得知电晕放电发生有两个不同的形式：一个薄的发光层和明亮的，丝状的流注通道。前者已知电晕放电（一个薄的明亮的等离子体）与连续电流：后者被称为流光电晕，是由纤维离子通道序列，产生的脉冲电流。辉光电晕的形成是缓慢变化的电场作用于一个曲率半径小的电极上，流光通常是与快速变化的电场相关。雷雨过程中辉光电晕容易从高大的，长条的，接地物体的尖端发出。 然而，电晕放电也可以产生在地面上的不规则物体，如草、灌木等。这些放电产生正离子向上移动，在背景的雷云电场影响下，如果足够丰富，这些离子可能会创造一个厚的空间电荷层包围的对象物体，可以显著的抵御的背景电场。这种屏蔽效应从电晕空间电荷层产生了相反极性的电场，该电场叠加到背景电场中。在一定条件下，一个云地电闪（被称为阶梯先导）可以在负电荷雷云的内部产生。当阶梯先导从云端向下传播，它催生了一个逐渐增强的电场并靠近地面，该电场叠加于雷云电场。如果背景电场完全由这两个足够强的电场产生，则流光电晕放电可能来自高的附近物体的尖端。在某些情况下，在一个足够均匀的电场，流注可能会从一个现有的辉光电晕中产生。一旦流注爆发，新的流注会继续产生，只要这个电场环境维持下行先导持续接近到大地。流注到先导的过渡发生于流注电晕爆发有足够大的热能化的通道时。当这种情况发生时，新创建的先导通道向上传播，在其尖端产生流注。这种向上的积极的先导放电使其稳定的下降，直到先导停止。如果上行先导放电成功拦截下行先导，导电路径通过很高的雷电流排至地面而创建出来：雷击就发生了闪电的过程能通过电晕放电来预测，它对评估其随时间变化的放电有一定的实际意义（流注和先导） 。我们在高层物体辉光电晕放电方面有广泛的理论研究，该理论研究在流注起始和迎面先导方面的影响在近几年的文献中已经被发表过了。然而所有这些研究的分析都是基于电晕放电的简单模型和先导放电上。根据上述的研究，空间电荷由其附近高的尖的物体电晕放电的电场分布所产生。因此，产生的流注被延迟，这样能够抑制初始和积极的迎面先导的传播。基于此理论，研究称电晕放电可能会显著的降低高大建筑闪电的拦截率。因此，研究称电晕放电可能被实际应用在设计非常规防雷系统。此系统通常被称为耗散阵列，使用一个均匀的，伞状的针形阵列，能够产生巨大的电晕空间电荷。近来，另一种能够产生电晕空间电荷的装置被发明，该装置声称能优秀的防雷，该装置的分析图 1 根据一维近似的电晕空间电荷半球形膨胀方法基于与上文类似的在高压研究室的实验结果。由于控制雷击的辉光电晕的效果仍在讨论中，对这种现象的独立的和深入的分析是必需的。由于计算机运算能力的不断加强，现在可以模拟高大建筑的电晕产生而没有以前研究中的那些约束。此外上行先导的起始和传播所需的条件现在也能更好地理解。因此现在可以更好地评估在完整的雷击过程中电晕放电。本文意欲仔细的重新审视高大物体电晕放电的理论分析并且去评价其对流注起始的影响。为此，一个二维的电晕空间电荷分析模型被一个商业性的有限单元多物理系统模拟执行。为了验证计算，该模型首先实现在实验室里大空气间隙的电晕产生的评估。其次，考虑到模拟雷云的充电和下行阶梯先导，该模型应用于评价接地避雷针上的电晕放电的产生和耗散列阵系统(DAS)，从简单模型使用的文献中得到的估算和目前的模型进行比较和讨论时，特别要注意电晕空间电荷在流注起始上的影响。辉光电晕对上行先导的起始和后续的发展的影响在未来的论文中会被解决。2 先前的理论研究第一个对于从高大物体发出辉光电晕的理论研究是使用了一个简单的分析模型，该分析模型假设电晕空间电荷的产生能够用一个等量的同心球壳结构来进行研究。电晕放电在尖端发展从而在背景电场形成一个半球形的离子漂浮带，如图 1所示。这个假设（下简称一维近似）减少了对电晕离子一维漂移的分析，使简化解析式的推导成为了可能。电晕放电过程被建模成一个由半球覆盖的杆产生的单极空间电荷的注射器形式。大量被注入的电荷被认为其在杆帽表面所产生的电场和 Ecor电晕产生电场等量。这 个 经 过 分 析 的 梗 概 被 引 入Aleksandrov在 2001年发表的在雷暴环境大空气间隙下的电晕对先导起始与发展的影响论文中，是在补充了数值模型之后的事，这个模型允许包含大量的离子漂移，而离子漂移会附带产生小的离子和中性悬浮颗粒。然而一维近似依旧保留着，因为其对分析辉光电晕产生的要求非常低。作为电晕空间电荷的数值模拟至少要有两维。当然这也有争论，因为这样的计算是非常昂贵的，因此和一维模型比起来不切实际。因此，重要的是考虑以下条件下的一维近似是有效的：（a）一个高大对象的帽面的电场的法线是恒定的，并由帽尖的电场来定（图 1） 。因此，一个高的物体发射电晕离子在整个帽表面具有相同的强度。（b）在物体尖端前面的某个点上的电场仅仅取决于其到半球电场中心的距离。这意味着从帽的中心到半径向量在空气间隙中的任意点的电场矢量方向是平行的。（c）电晕离子的漂移速度可以被定义为从电场对称轴计算的平均值。（d）分布于高大物体表面的电荷的影响可以忽略不计。也就是被分析的对象被认为是相当于一个通过一个可以忽略不计的细线连接到地面球体。（e）流注只能在物体尖端前面发展（如图 1） 。没有流注能在物体顶和表面产生。虽然条件（ a） ， （b）和（ c）只对同心球壳的几何形状有效，但可以假定， （如果）这些情形有误差，并且这个误差是在这个物体末梢的更远端，那个这个误差就可以认为是忽略不计的。条件（ d）简单的高大物体由单一的点电荷和一组线电荷来近似模拟。直接从这个粗略的近似得出流注的发生只能在物体末梢前沿 条件（e） 。在 bazelyan，Raizer和 Aleksandrov 于2008 年发表的论文在雷暴环境下地面物体上电晕起始及其去雷击的影响之中提出的一维近似通过同轴的球形壳结构解析表达式得到了验证。然而配置相关问题还没有被证实，如在雷暴下地面物体的辉光电晕起始发生的问题。在 bazelyan， Raizer和 Aleksandrov于 2008年发表的论文在雷暴环境下地面物体上电晕起始及其去雷击的影响中提出的模拟结果，在典型的雷云电场下一个的高物体尖端周围辉光电晕空间电荷云只需要约10秒就可以达到半径几十米。结果，计算出的半球状空间电荷云被发现其电场的空间分布能够去防止在雷云慢速充电过程中的流注的发生。因此，流注的创建被认为是可能的只要背景电场迅速增加。