一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法技术

本发明专利技术提供一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，本发明专利技术首先求解接闪杆周围的电场，基于有限差分法求解泊松方程，建立了三维变网格数值模型；然后，设置参数(接闪杆形状，半径以及空间分辨率等)；紧接着，计算在各种空间分辨率下，空间内的各点电场；然后，利用计算的电场，分别计算出达到两种判据条件时的背景电场；接着，利用背景电场计算相对误差；最后，比较相对误差，证实本发明专利技术的判据更适用于数值模拟研究；本发明专利技术针对现有大于Ecor值这一判据，在不同数值仿真时因采用的空间分辨率不同而导致计算结果存在较大差异的不足进行改进，提供了一种新的等效判据，减少了空间分辨率粗细对电晕始发模拟结果的影响。率粗细对电晕始发模拟结果的影响。率粗细对电晕始发模拟结果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法


[0001]本专利技术涉及高电压技术和雷电科学
，更具体地，涉及一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法。

技术介绍

[0002]作为一种发生于尖端表面的空气击穿现象，电晕放电极其常见。在雷暴云形成初期，随着不断进行的云内起电，当地面电场达到一定阈值时，地面建筑物或接闪杆尖端上即可发生电晕放电。在雷暴成熟期，两次闪电间的电场恢复时间通常为几秒到几分钟不等，在此期间地面尖端处(如接闪杆)的电晕放电依然持续进行。由此可见雷暴云全过程中大量的存在电晕放电，其所释放的电晕电荷在空中形成一个几十甚至几百米的电晕电荷层，改变近地面层的电场分布特征，从而可能会影响接闪杆的接闪特征，进而影响其雷电防护效果。尖端电晕放电的本质，宏观来说即尖端附近局部电场强度超过击穿起晕阈值时的放电现象。Peek根据大量的实验室模拟试验，总结出基于不同形状接闪杆的电场起晕阈值计算公式，并得到了广泛运用。
[0003]由于导体表面粗糙程度不一样以及受温度、湿度、和大气压的影响，电晕阈值会受到一定影响，计算公式(Peek公式)为：
[0004][0005]其中m为导体表面粗糙系数，在0～1之间取值。E0为经验值，尖端为半球形的接闪杆取27.2kV/m，圆柱形接闪杆取30kV/m，R为半球形尖端的曲率半径，δ为相对空气密度，计算公式为：
[0006][0007]P为实际大气压强(Pa)，P0为参考大气压，取101.3
×
103Pa；t为实际温度，t0为参考温度，取25℃。在数值模拟中，把导体表面光滑处理，导体表面粗糙系数取1，实际大气压强取标准大气压101.3
×
103Pa，实际温度取20℃，δ的取值为1。
[0008]然而，由于尖端表面电场难以使用现有观测手段进行有效测量，因此随着计算机技术的发展，使用离散化网格的方式进行数值计算被广泛地运用于求解尖端表面电场，在一定程度上弥补了实际观测的不足。在数值模拟中，我们常用Peek公式作为已知半径尖端电晕起始的判据，即当尖端表面电场大于由公式计算出的Ecor时电晕始发。此判据，在现有接闪杆电晕放电的数值模拟研究中被广泛运用。但在数值模拟中，把空间分割成离散的网格，无法直接获取尖端表面的电场值，只能取距离尖端表面最近的一个格点上的电场值作为尖端表面的电场值，这将使得尖端表面电场值的计算结果受网格大小影响明显，这会使得我们在电晕放电数值模拟计算中因网格大小不同而引入不可避免的计算误差。通常认为分辨率越细，计算结果越精确，但会引入大量的时间消耗，这对于将数值验证运用于工程计算是不理的。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，该方法可减少空间分辨率粗细对电晕始发模拟结果的影响。
[0010]为了达到上述技术效果，本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，包括以下步骤：
[0012]S1：求解接闪杆周围的电场，建立了三维变网格数值模型；
[0013]S2：设置模型的参数；
[0014]S3：计算在各种空间分辨率下，空间内的各点电场；
[0015]S4：利用计算的电场，分别计算出达到两种判据条件时的背景电场；
[0016]S5：利用背景电场计算相对误差，对比相对比误差，得出更有判据。
[0017]进一步地，所述步骤S1的过程是：
[0018]计算两个球形电极电晕放电电场的关系式：
[0019][0020][0021]其中，E
cor
为电晕起始阈值；U为电极两端电压；f为常数；X为两个球形电极的间距，R为球形电极半径。
[0022]进一步地，所述步骤S3的过程是：
[0023]根据公式(1)可得：
[0024][0025]距离球形电极a处的电场近似为：
[0026][0027]进一步地，所述步骤S4的过程是：
[0028]半球形尖端电晕放电的局部电场阈值的经验公式如下：
[0029][0030]由公式(1)和(5)得出：
[0031][0032]从而得到：
[0033][0034]根据公式(4)和(7)可以得：
[0035][0036]即E0为距离球型电极处的电场值。
[0037]进一步地，在相同的环境下，E0的大小不随尖端半径的改变而改变，是一个固定值，即当球形尖端表面电场达到起晕电场时，在距离尖端表面处的电场值均达到E0；由此可见，以尖端表面处的电场达到E0做为电晕起始判据是等效于Peek判据的。
[0038]进一步地，所述步骤S5的过程是：
[0039]将通过在数值模拟中比较以下两种判据：
[0040]判据1：
[0041][0042][0043]判据2：
[0044][0045][0046]E(surface)为尖端表面电场，η1为在判据1下背景电场的相对误差，η2为在判据2下的背景电场的相对误差,E
b1
为在判据1下各空间分辨率的起晕背景电场，E
b2
为在判据2下各空间分辨率的起晕背景电场。
[0047]进一步地，步骤S2中，尖端为半球，尖端半径R＝0.3cm、0.6cm、0.9cm；地面上空250m
×
250m
×
250m的范围，背景电场为
‑
10kV/m，空间分辨率h
min
＝0.05cm、0.06cm、0.075cm、0.1cm、0.15cm；E0为经验值27.2kV/cm。
[0048]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0049]本专利技术首先求解接闪杆周围的电场，基于有限差分法求解泊松方程，建立了三维变网格数值模型；然后，设置参数(接闪杆形状，半径以及空间分辨率等)；紧接着，计算在各种空间分辨率下，空间内的各点电场；然后，利用计算的电场，分别计算出达到两种判据条件时的背景电场；接着，利用背景电场计算相对误差；最后，比较相对误差，证实本专利技术的判据更适用于数值模拟研究；本专利技术针对现有大于Ecor值这一判据，在不同数值仿真时因采用的空间分辨率不同而导致计算结果存在较大差异的不足进行改进，提供了一种新的等效判据，减少了空间分辨率粗细对电晕始发模拟结果的影响。
附图说明
[0050]图1验证步骤流程图；
[0051]图2接闪杆截面图；
[0052]图3两种判据下的起晕背景电场；
[0053]图4两种判据下的相对误差。
具体实施方式
[0054]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0055]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0056]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0057]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：求解接闪杆周围的电场，建立了三维变网格数值模型；S2：设置模型的参数；S3：计算在各种空间分辨率下，空间内的各点电场；S4：利用计算的电场，分别计算出达到两种判据条件时的背景电场；S5：利用背景电场计算相对误差，对比相对比误差，得出更有判据。2.根据权利要求1所述的接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，其特征在于，所述步骤S1的过程是：计算两个球形电极电晕放电电场的关系式：球形电极电晕放电电场的关系式：其中，E
cor
为电晕起始阈值；U为电极两端电压；f为常数；X为两个球形电极的间距，R为球形电极半径。3.根据权利要求2所述的接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，其特征在于，所述步骤S3的过程是：根据公式(1)可得：距离球形电极a处的电场近似为：4.根据权利要求3所述的接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，其特征在于，所述步骤S4的过程是：半球形尖端电晕放电的局部电场阈值的经验公式如下：由公式(1)和(5)得出：从而得到：根据公式(4)和(7)可以得：即E0为距离球型电极处的电场值。5.根据权利要求4所述的接闪杆电晕放电的起始判据数值验证方法，其特征在于，在相
同的环境下，E0的大小不随尖端半径的改变而改变，是一个固定值，即当球形尖端表面电场达到起晕电场时，在距离尖端表面处的电场值均达到E0。...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭秀峰，陈佳祥，纪梓煜，丁洁，张超凡，
申请(专利权)人：无锡学院，
类型：发明
国别省市：