Modelling negative discharges in long air gaps - Lightning application
Modélisation de la décharge négative dans les longs intervalles d'air - Application à la foudre
Résumé
This work deals with the modelling of the negative discharge in long air gaps subjected to constant or bi-exponential (lightning or switching) voltages. A dynamic and autonomous model enabling to predict the whole macroscopic parameters of negative discharge taking into account the different phases of propagation (first corona inception, pilot system, electrode and spatial leaders, junction and re-illuminations, final jump) up the return stroke is presented. This model is based on equivalent electrical networks, the parameters of which vary with time according to the channel characteristics and the discharge geometry, gas physics and electromagnetic laws. The propagations of leaders and streamers are based on electrical field criteria by taking into account the dispersion of discharge trajectory.
The model allows us to compute the spatial and temporal characteristics of discharge such as the current and the corresponding charge, plausible trajectories, the instantaneous velocity, the potential gradient and the thermal radius of negative electrode leader, the power and energy injected into the gap, the breakdown voltage and time to breakdown as well as the evolution of return stroke. It also enables to compute the U50 breakdown voltage for a given electrodes system which constitutes a useful tool for dimensioning of air insulating structures. The results issued from this model are in a good accordance with the experimental ones.
A negative lightning model has been established basing on the great similarity observed between the long sparks in laboratory and atmospheric discharges. The simulated results are in conformity with those measured during natural lightning. The electromagnetic environnement associated to the leader has been characterised and the computed electric and magnetic fields are also found in a good agreement with the measured ones.
The model allows us to compute the spatial and temporal characteristics of discharge such as the current and the corresponding charge, plausible trajectories, the instantaneous velocity, the potential gradient and the thermal radius of negative electrode leader, the power and energy injected into the gap, the breakdown voltage and time to breakdown as well as the evolution of return stroke. It also enables to compute the U50 breakdown voltage for a given electrodes system which constitutes a useful tool for dimensioning of air insulating structures. The results issued from this model are in a good accordance with the experimental ones.
A negative lightning model has been established basing on the great similarity observed between the long sparks in laboratory and atmospheric discharges. The simulated results are in conformity with those measured during natural lightning. The electromagnetic environnement associated to the leader has been characterised and the computed electric and magnetic fields are also found in a good agreement with the measured ones.
Ce travail porte sur la modélisation de la décharge négative dans les grands intervalles d'air soumis à des ondes de tension de type bi-exponentielles (foudre ou manœuvre) ou constantes. Ainsi, un modèle dynamique et autonome permettant de prédire l'ensemble des paramètres macroscopiques de la décharge négative et tenant compte des différentes phases de propagation (initiation de la première couronne, système pilote, formation des leaders d'électrode et spatiaux, jonctions et ré-illuminations, saut final) jusqu'à l'arc en retour, est présenté. Ce modèle est basé sur des schémas électriques équivalents dont les paramètres varient avec le temps en fonction des caractéristiques du canal et de la géométrie de la décharge, les lois de l'électromagnétisme et la théorie des gaz. Les propagations des leaders et des streamers sont basées sur des critères de champs électriques tenant compte de l'aspect aléatoire du trajet de la décharge.
Le modèle permet de déterminer les caractéristiques spatio-temporelles de la décharge telles que le courant du leader (canal principal), la charge correspondante, des trajectoires plausibles, sa vitesse instantanée, le gradient de potentiel et le rayon thermique du leader négatif d'électrode, la puissance et l'énergie injectées dans l'intervalle, l'instant et la tension d'amorçage ainsi que l'évolution de l'arc en retour. Il permet également, pour une configuration d'électrodes donnée, de déterminer la tension de claquage U50, constituant ainsi un outil appréciable pour le dimensionnement des structures isolantes. Les résultats issus de ce modèle sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement.
Un modèle de foudre négatif a été également établi en se basant sur la grande similarité observée entre les grandes étincelles de laboratoire et les décharges atmosphériques. Les caractéristiques obtenues à partir de ce modèle ont été trouvées conformes aux mesures effectuées lors des décharges naturelles. L'environnement électromagnétique associé au précurseur de foudre a été ensuite caractérisé et les champs électriques et magnétiques obtenues sont aussi en bon accord avec celles relevées expérimentalement.
Le modèle permet de déterminer les caractéristiques spatio-temporelles de la décharge telles que le courant du leader (canal principal), la charge correspondante, des trajectoires plausibles, sa vitesse instantanée, le gradient de potentiel et le rayon thermique du leader négatif d'électrode, la puissance et l'énergie injectées dans l'intervalle, l'instant et la tension d'amorçage ainsi que l'évolution de l'arc en retour. Il permet également, pour une configuration d'électrodes donnée, de déterminer la tension de claquage U50, constituant ainsi un outil appréciable pour le dimensionnement des structures isolantes. Les résultats issus de ce modèle sont en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement.
Un modèle de foudre négatif a été également établi en se basant sur la grande similarité observée entre les grandes étincelles de laboratoire et les décharges atmosphériques. Les caractéristiques obtenues à partir de ce modèle ont été trouvées conformes aux mesures effectuées lors des décharges naturelles. L'environnement électromagnétique associé au précurseur de foudre a été ensuite caractérisé et les champs électriques et magnétiques obtenues sont aussi en bon accord avec celles relevées expérimentalement.
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