钝的、尖锐的和多点尖端的电晕放电实验外文翻译资料

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钝的、尖锐的和多点尖端的电晕放电实验

F. Drsquo; Alessandro¹, G. Berger²

Laboratoire de physique des Gaz et des Plasma, FRANCE

摘要：本文系统的介绍了一系列实验室实验中获得的结果，这些实验研究了钝的，尖锐的和多点的尖端在空气中的电晕放电特性。考虑了诸多方面，包括改变尖端和架空平面之间的距离对电晕触发的影响，所有主要尖端类型之间的电晕电流发射参数的差异以及描述这些参数变化的经验关系一组与尖端高度相关的函数。

1 引言

近来，人们越来越接受这样的理论，即尽量减少空中尖端周围的预闪击空间电荷的积累将增强其启动和维持上行先导的能力^[1-5]。因此，用于评估空中尖端性能的一个参数是其在静电电场下的电晕放电或“点放电”电流，其对应于接近雷电下行先导之前的雷暴条件。值得注意的是，很少有深入的实验室实验在受控条件下对这种现象进行量化试验。其中Kip^[6]的工作在文献中经常被引用。然而，这项经典工作是在小尺度范围内进行的（点到面间距为厘米），似乎没有人试图将实验室数据用于去解决空中尖端在实际情况中的问题。

1997年期间，利用位于澳大利亚的Telstra研究实验室和美国的密西西比州立大学的高压设施对选择钝的，尖锐的和多点的尖端在空气中进行电晕电流测量。这些实验的主要目的是：

（a）探究空气尖端试验中的“实验室因素”，即对于给定的电场强度，结果随平板间距变化的影响；

（b）对选定的一组空中尖端中的电晕电流特性的差异提供定量评估；

（c）获得描述新椭球体模型的“电晕减少和触发”的电晕电流特性的比例关系（CRT）空气尖端，作为它们在地面以上的高度的函数。

2 试验模型

实验采用尺寸为3.5mtimes;5 m的水平导电平板进行，悬挂高度为8米，施加负电压至450kV。 在平板边缘周围使用30厘米直径的导电管形式的用以消除应力。

在整个实验中大气条件时刻受到检测。然而，由于湿度，压力等的变化很小，因此不需要对数据进行修正，结果误差不到2％。

振动电容器，电场传感器用于“校准”高架平板和地面之间的电场。 这是必要的，因为场强不仅仅是平板电位与间距的比值。该空间被诸如架空平板和实验室墙壁的有限尺寸等因素所影响。这种校准程序的另一个好处是可以使不同实验室的结果标准化。

使用传感器在2米至8米的板高度下，分别以每次增加1米分别测量施加于架空平板之间的广泛的负直流电位产生的静电场。 这些距离包含了用于实验中任何测量的最小和最大间距。 台架测试表明，传感器输出信号为电压单位为伏特，约为施加电场的1/11，单位为kV/m。

图1展现了一组典型的电场校准曲线。从这些图中很明显地看出，试验确定的场强小于简单的公式计算的电场值。对每个图最佳曲线拟合，我们获得校准因子，其中 ，取值范围为0.66至0.83，取决于地面以上平板的高度。

电晕电流测量是通过一个1MOmega;电阻将尖端接地，使电阻两端1V电压的对应1mu;A的电晕放电电流。 架空平板上的电压从10kV时逐步增加，并且对每个配置的空气尖端记录电势差。

以下空气尖端被测试：

（1）一个圆锥形尖端和半径为1mm的半球形的Franklin杆。

（2）在动态条件下的三个椭圆形CRT空气尖端，以“电容耦合”原理工作，即每个都有一个接地的悬浮的金属圆顶和直径约3mm的扁平顶端，中心伸出的导电棒直径为25mm ; 三个圆顶尺寸（直径）分别为350mm,500mm和700mm; 中心杆和尖端是可调节的，以便根据需要将其设置在圆顶上方的不同突起高度。

（3）两个曲线球，半径分别为37cm和9cm

（4）一根直径为3mm导线

（5）一个形状为V字型导线，两端间隔约为40cm

图1：典型电场拟合曲线

在对“实验室因素”的研究中，使用富兰克林杆和具有15厘米尖端突起高度的350毫米椭球体。 每个端子设定在1m的固定高度，并且气隙以1m为步长从1m变化到5m。

在电晕发射特性的比较评估中，除了椭圆体系以外的所有上述空气尖端都被试验，即所有的“被动”装置。每个终端设置在地面以上1米的高度，并用两个不同的空隙（即2米和3米）进行电晕电流放电的测量。

在研究中使用三个椭圆形空气终端，其目的是获得描述作为高度函数的电晕电流参数的标度关系。间隙固定在2米，每个空中终端高度在地面上的高度分三步变化，即2,4米和6米（尽管1米和3米高度的数据有限）。突出的中心杆的长度也在三个步骤中变化，但是每个椭圆形端子的量以这样的方式不同：“杆突起与圆顶直径比”在三个端子尺寸上是恒定的。 使用的三个比率分别是0.143,0.286和0.429。

3 结果

对于上述每种情况，将电晕电流的测量值相对于校准后的电场作图。

图2和图3显示了电晕电流随气隙大小变化的结果。尽管由于可能产生较小的电场范围（因此电流变化不明显），较大间隙的曲线难以看出结果，但电晕电流参数对气隙有明显的相关性。如果独立坐标被转换为场强而不是仅仅电位，Kip ^[6]获得的早期结果也表明了这种依赖关系。

图4显示了富兰克林杆，两种曲线球，单线和V形线在2m和3m的间隙中的电晕电流曲线。数据全部绘制在同一图表上，以便即时目测每个空气尖端的电晕放电特征差异。

在第三组测量中，由于椭圆形空气尖端的尺寸，高度和尖端长度变化而获得大矩阵的结果，在这里显示的图太多。 因此，只显示一组样本典型的结果。其中显示在图5中为350mm空气椭圆形空气端子的结果。

图2：具有15厘米尖端突起的350毫米椭圆形空气终端的电晕电流作为气隙的函数

图3：富兰克林棒的电晕电流作为气隙的函数

4 分析与讨论

上面的拟合曲线是用环境场的标准点放电方程模拟^[5-8]。

这使得“电晕起始电场”Ec（以kV / m为单位）（我们定义为在末端尖端处引发电晕电流所需的环境场）和“电晕电流振幅系数”A（单位为）被提取。 然后将这些参数中的一部分用于进一步分析，如以下各节所述。

图5：350毫米椭圆形空气终端的多参数电晕电流图。 变量t是中央杆在空气终端的圆顶上方突出的高度

4.1 实验室因素的研究

从图2和3所示的曲线（350毫米椭圆体和富兰克林杆）获得的参数A和E_c相对于气隙的变化关系曲线。 这些图如图6所示。

6（a） 6（b）

图6：350mm椭圆形空气终端和富兰克林棒的电晕振幅系数和初始场随气隙变化关系曲线，两个终端被放置在1米的高度

图6（a）中的主要特征是对应于中间间隙的平坦区域。 这个区域从2米到4米，这个范围在两个实验室的数据中都很明显。可以提出一些理论，以便根据气隙大小的变化而反应幅度的显着变化。例如，对于小于2米的间隙，“近场”效应会起主导作用。 在这些小间隙中，由于尖端离上板更接近，金属棒顶端周围电场的性质可能完全不同。 电场线在上板上会非常不同，导致离子被更快地扫出。这又产生更高的电晕电流，并因此产生振幅系数。目前正在对这些结果进行详细分析，并将在其他地方报告。

另一方面，不出所料的是，如图6（b）中所示的电晕触发初始场值对实验中使用的间隙大小相对关系性不强。

在得到这些结果之后，我们可以假设，在实验室工作中，2-4米的空气间隙可以提供相对独立于间隙距离并与自然条件下测得的数据相当的现行数据。目前我们唯一可用于直接比较的数据包括从位于新墨西哥Langmuir实验室附近暴露于风暴中的尖锐桅杆电晕放电的一系列测量数据。在TRL进行的先前测试中，架空金属板在尖端点上方1米处产生的电晕电流比现场高出20-30％（在校正施加到现场数据以允许较低的空气密度和湿度之后）。 图7（a）中1米和2米空气间隙的幅度系数比较表明与这一观察结果一致。

4.2 电晕电流的特征比较评估

图4中所示的曲线提供了来自各种空气尖端的电晕电流的幅度的比较。 可以看出，曲线球不会比富兰克林杆或单线产生更多的电晕。 此外，V形电线比另一单电极产生更多的电晕。

这些曲线球的结果及其在防雷保护中的应用的含义非常明确，这些所谓的散热或放电装置显然是无效的。忽略任何设备阻碍或抑制雷击的能力存在争议的事实，我们的实验室测试表明，这些设备不会产生所需的高水平电晕，事实上，它们本质上是金属衣架在中间切割，并以“V”的形式塑造！

此外，中国的研究小组近年来一直在对多点导体的雷电消除进行研究，并得出了类似的结论^[9]。

4.3 椭球形金属棒的特性

图5所示的曲线和其他两个椭圆形尖端的曲线也用一般电晕放电电流方程（1）建模，得到A和E_c各自的27个估计矩阵，即三个高度的三个空中终端，三个尖端长度。由于空间限制，所有单个结果的表格不能包括在内，但结果可概括如下：

1）参数A和Ec是空气尖端高度和尖端曲率的相关函数; 在物理上，这是尖端的“场强化因素”

2）参数A和Ec只是以下几点的微弱相关函数（10-20％变化）：（i）针尖长度（针对本研究中使用的针尖长度范围）和（ii）气囊末端圆顶的尺寸。

换句话说，尖端长度和圆顶尺寸仅仅是微调系统安装时可以利用的二阶效应。图7显示了使用从TRL和MSU实验室获得的数据，五种不同高度的A和E_c的平均值。不确定性是平均值的1的误差。

图7（b）中较低高度的数值的较大离散是由于初始场对这些高度的尖端长度的较强依赖性。这种依赖性可以通过认识到，在更高的高度上，主导几何形状是穿透环境场的桅杆上的空气尖端的几何形状，而在较低的高度处，尖端将是相对于空气终端的圆顶的主要几何形状（ 在静态条件下它实际上处于地电位）。

图7：来自TRL和MSU实验室数据的椭球形空气终端的平均振幅系数和初始场

接下来，将图7（a）和（b）中的A和E_c数据拟合到一系列数学函数中。标准多项式和指数函数并不能很好地拟合。而采用逆幂律函数获得最好的结果，这些曲线如图7所示。数学上，这些曲线拟合方程描述如下：

这一结果最近在法国的另一系列实验室实验中得到证实，并对Ec的经验函数进行了理论分析^[10]。

这一分析的一个重要结果是，得到初始场的范围从14到6千伏/米，高度从2米到6米不等。因此，这些曲线为椭圆形空气终端的电晕电流初始与高度关系提供了指导，不论其大小如何，都放置在地面以上一定高度。 这项工作的一个自然延伸是考虑如何将空气终端放在具有给定高度和宽度的建筑物顶部时从这些曲线上读取数值。因为在实验室中没有办法做到这一点，所以这种试验需要使用电场建模软件。 目前正在研究这一系列的问题。

5 结论

从上述研究中获得了许多关键结果，这些可以概括如下：

（1）已经开发了涉及电晕电流研究的未来实验室实验的框架，其中应该使用2至4米范围内的气隙，因为这些气隙看起来能够最好地缩放自然条件

（2）测量了一系列被动式空气尖端的电晕放电，并将结果与应该产生高电晕的两个曲线球与富兰克林杆和单线相比较，并且低于简单的“V形”电线放电

（3）已经推导出椭圆形CRT空气尖端的电晕电流幅度系数A和电晕初始场E_c的经验方程作为地面以上高度的函数; 这些公式可以用于优化在建筑物上作为接闪保护的避雷针的安装。

在这项工作过程中，出现了一些其他问题和主题，这些问题和主题现在构成了一系列还需要进一步研究的问题，目前正在进行的进一步调查。 这些可以概括如下：

E_c的公式基于理论上的零电流定义。实际上，这种严格的定义可以放宽从而导致初始电场值更大，例如，对10mA电流，初始场近似加倍。但是这种灵活性提出了一个问题：“多少电晕算多电晕呢？”这与下一点有关。

迫切需要详细的理论建模来量化空气尖端周围的空间电荷效应，特别是与上行先导的发展相关的空间电荷效应。一项用于计算空气尖端结构和场强因素的研究迫切需要，因为只有这样才能设计出高效的保护系统。

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