空間電荷影響避雷針的電場(chǎng)理論推導(dǎo)

本節(jié)卞要說(shuō)明避雷針上釋放出的先尋進(jìn)入到空間電荷區(qū)域后，防雷器先導(dǎo)前端電場(chǎng)的變化特點(diǎn)。因?yàn)橛杏鄬俦矶姾珊涂臻g電荷的共同存在，使用高斯積分公式來(lái)計(jì)算更為明確。高斯公式是靜電場(chǎng)的積分方程描述。

電荷雙指數(shù)分布密度函數(shù)示意圖見(jiàn)囤3-3，即電暈產(chǎn)生的空㈨電荷向外遷移為球面分布。這種假?zèng)]分布的合理性在于：

(1)金屬球表面的電場(chǎng)強(qiáng)度高，電荷遷移速度快，球表面電荷分布應(yīng)改為o。

(2)應(yīng)該有一個(gè)分布的最大值點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)的存在是擴(kuò)散速度和體積增長(zhǎng)的一個(gè)平衡過(guò)程造成的。

(3)隨著r的增加，體積增加，分布密度衰減，為漸變過(guò)程，，

(4)這是一種自然分布，有n自然的合理性。

為廠推導(dǎo)方便，將雙指數(shù)分布近似為止線分布，防雷器電荷空間分布簡(jiǎn)化爾意囤見(jiàn)囤3—4。

串間電荷"已纖存在，雷云下行九導(dǎo)造成的場(chǎng)強(qiáng)耳需要克服市間電荷造成的場(chǎng)強(qiáng)，并仙1：行兒導(dǎo)前端邢的場(chǎng)強(qiáng)大f空氣的絕緣場(chǎng)強(qiáng)后，才能使先導(dǎo)向前發(fā)展。換句話說(shuō)，雷電下行先導(dǎo)造成的場(chǎng)強(qiáng)乓在同種結(jié)構(gòu)下．無(wú)空間電荷條件下的避雷針發(fā)出有效先導(dǎo)的時(shí)間要早于山于有電暈產(chǎn)生的空間電荷影響的避雷針。

無(wú)淪空間電荷"的分布為1／r、雙指數(shù)分布或均勻分布，都會(huì)有相似的結(jié)淪，只是影響的大小確點(diǎn)差別。

從式(孓11)看，如果避雷針周圍的空間電荷足為雷厶電場(chǎng)作Jn、由云端正卜束的中間電荷，"。為反方向佰，外電場(chǎng)耳較小時(shí)，上行先㈨梢5場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)超過(guò)乓，極易超過(guò)空氣絕緣強(qiáng)度，甚至早于無(wú)空間電荷下的情況，產(chǎn)生有效的上行先導(dǎo)。

從另—．角度解湊式(3—11)，在防雷器放電過(guò)程幾{‘微秒時(shí)間內(nèi)，電荷分布不會(huì)明佩改變。在雷電下行先尋作用下，馬上升，避雷針發(fā)出的放電光導(dǎo)，相當(dāng)f電極的延伸，進(jìn)入電荷區(qū)；在電荷場(chǎng)強(qiáng)的影響下，光導(dǎo)端部的場(chǎng)強(qiáng)一定低于雷云電荷所產(chǎn)生的外心場(chǎng)戽，有可能低于卞氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。一旦低于空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)，先導(dǎo)會(huì)被電荷層內(nèi)的低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)湮滅掉；被湮滅掉的電流成為高電荷密度區(qū)，后續(xù)的先導(dǎo)必須另覓路徑才能發(fā)展，：這也是經(jīng)常會(huì)看見(jiàn)放電路徑成弧形發(fā)展的原因。圖1—13中，電極尖電弧發(fā)生側(cè)向發(fā)展就與針L方的空間高濃度電荷區(qū)域有關(guān)

通過(guò)以上推導(dǎo)分析，可知富蘭克林避雷針在產(chǎn)生電暈后，喪失了接雷先機(jī)：