甲醇储罐罐区的雷电防护设计外文翻译资料

16.7 Review of present status and suggested direction for further work

According to Reference 41, the space sector is subject to the strong influence of market forces. The basic criteria are services, their costs and quality. In this regard, the quality of the launch operation and the dependable launch on demand [42] would clearly play a vital role. Present estimates indicate that weather-related launch delays and scrubs, of which lightning is a major contributor, amount in

many places to up to 30–40 per cent of the total delays. Furthermore, it is the one factor that cannot be controlled. However, in order to minimize its effects, it is necessary to improve our understanding and knowledge on the quantification of the interception efficacy, quantification of the consequences due to a shielding failure flash terminating on the pad, and ascertain the induction to sensitive systems during stroke interception and a nearby stroke.

In the following, the requirements for a reliable analysis of the efficacy of the protection

system will be dealt with. This section will draw inferences from the available literature on lightning, some of which are not necessarily related to launch pad protection. Owing to the abundance of the literature, only the more recent references have been cited although an exhaustive list of the remaining literature is available in the other chapters in this book.

16.7.1 Attachment process

Lightning is recognized to be essentially a breakdown process in air, with an impulselike input excitation. It is well known that the breakdown process, even under controlled conditions in a laboratory, is in itself so complicated that it is not fully amenable to theoretical evaluation. This being fact, one can easily visualize the degree of complexity that would be associated when natural lightning has to be modelled.

From the protection point of view, it is necessary to model the last stages of bridging during which the descending stepped leader produces a strong electric field near the ground. Because of their geometry, the net field at the tip of tall objects such as launch pads/launch vehicle is magnified. Consequently, significant discharge activities involving upward-moving streamers and leaders can be expected from them. The process terminates with the bridging of the descending leader and the upward discharge(which is predominantly a leader discharge). A detailed description of the attachment process can be found in Chapter 4.

As pointed out in Chapter 4, electrogeometric models, which have been quite successfully employed for simple structures like transmission lines and groundbased structures with short height, do not differentiate between the streamer and leader mode of bridging. Also, different stages of bridging, viz. starting from inception, then subsequent propagation and final bridging of streamers ahead of the two leaders are not adequately dealt with. Therefore, their application to critical systems

such as launch pads must be carefully examined.

For simulation involving final stages of bridging, it would be ideal to use physical models that deal with various gaseous processes such as ionization, attachment, velocity,energy of the molecules, their statistical distribution and so on. After suitable simplifications, a modified physical model was proposed in which equivalent avalanche and discharge channels were considered [43]. A further extension of this model for lightning upward leaders from slender grounded structures can be found in Reference 44. More recently, Becerra and Cooray [45] developed a model based on the physical principles developed in Reference 43 to study lightning attachment to structures and power lines. The predictions of this model and their comparison with available experimental data are presented in Chapter 4. The results of the simulations to be presented here are based on the model introduced by Rizk [46], which was the best tool available at the time this analysis was performed.

In parallel to the above, there are some relatively simple engineering models that attempt to simulate the macroscopic aspects of the discharge phenomena. The agreement between experimental results and those given by this approach has been very encouraging. Use of such models would definitely be far more accurate than the electrogeometric model currently employed for designs. Therefore, they can be considered as one big step towards the realistic modelling of the final attachment process.Development and application of such a model to the lightning attachment process to isolated tall towers and conductors can be found in Reference 46.

Based on Rizkrsquo;s work, a modified inception criteriawas developed for towers interconnected by shield wires, as well as for a set of parallel shield wires. It was successfully employed for arriving at a more reliable evaluation of the interception efficacy of LPS to Indian launch pads [26,47]. A detailed simulation of the final stages of bridging has been considered from inception of the upward connecting leaders to their subsequent propagation towards the descending leader. The charge simulation method was found to be best suited for field computation, and was therefore used.

In this work, the ratio of velocities of descending and upward leaders has been taken to be unity. It is shown that the vertical descent of the main leader forms the worst possible scenario and, therefore, deductions are to be made with respect to it. A sample simulation result for the LPS to pad-I is provided in Figure 16.3a. The trajectory of upward connecting leaders and the final jump region can be clearly seen in the result. As only the deterministic part of the phenomena is modelled, all the three upward leaders are successful in bridging to the main descending leader. The interception efficacy and the maximum possible current in the shie

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16.7 综述现状，计划下一步的工作。

根据参考文献41，空间部门是最受场的力量的影响的。最基本的标准是服务，他们的价值和质量。在这方面，对发射操作的质量和发射的可靠性的需求将清楚地发挥重要的作用。目前的估计表明与天气有关的发射主要由雷电所引起的延迟，在许多地方高达30%至40%的总延迟。而且，他是不可控制的因素之一。然而，为了把他的影响降到最低，我们有必要去提高我们对于拦截效果量化和由于屏蔽故障闪电终止垫造成的后果的量化的理解和知识，并且确定在冲击拦截和附近冲击过程中的感应敏感系统。

接下来，将处理一个保护系统的功效的可靠性分析的问题。本节将从可以利用的闪电文献中得出结论，其中有些不是和发射台保护有必要联系的。

由于文献丰富，所以尽管留下的文献的详尽书单在这本书的其他章节是有用的，只有最近的参考才会被引用。

16.7.1 连接过程

闪电被认为本质上是一种空气击穿过程，带有一个脉冲式的输入激励。众所周知，击穿过程本身相当复杂，甚至在实验室控制条件下，它也不完全符合理论评价，这是事实，当对自然闪电建模时可以很容易地使相关的复杂性的程度可视化。

从保护的角度来看，有必要在下行先导在地面附近产生一个强电场过程的最后桥接阶段建立模型。由于他们的几何形状，在顶部的目标，例如发射垫运载火箭顶部的静场被放大。因此，可以从他们来预期到包含向上移动的流光和先导的明显的放电活动。

处理下行先导与上行放电（主要是先导放电）的桥接的终接。在第4章中可以找到连接过程的具体细节。正如第四章中指出，电气几何模型，这已经相当成功的应用在简单结构的传输线和高度不高的地面结构，不分流光和先导之间的桥接模式。此外，不同阶段的桥接，即从最初开始，后续的传播和最终在两个先导之前的流光的桥接没有充分的处理。因此，他们在关键系统中的应用程序，例如发射台必须仔细检查。

对于涉及最终桥接阶段的模拟，理想的是使用物理模型来处理各种气体过程，如离子化，连接物，速率，摩尔能量，他们的统计分布等等。合适的简化后，修改的物理模型，提出了等效雪崩和放电通道被认为是【43】。这一模型进一步扩展到由细长接地结构中产生的闪电上行先导可以在参考文献44中找到。最近，Becerra和Cooray开发了一种基于参考文献43研究雷电附着在建筑物和电源线上的物理原理模型。这个模型的预测以及他们与吸纳有关实验数据的比较在第四章。在这里呈现的模拟的结果是基于由Rizk发明的模型，这是现今可获得的用来分析的最佳工具。

在上述情况下，有一些相对简单的工程模型，试图模拟放电现象的宏观方面。实验结果和这些方法之间的结论是非常令人鼓舞的。这些模型的使用肯定是远比目前用于设计电气几何模型更准确。因此，他们可以被认为是对现实建模最终连接过程的一个大步骤。对于闪电连接过程中孤立的高层塔楼和导体的模型的应用和发展可以在参考文献46中找到。

根据Rick的工作，修改后的标准能用于塔的保护线的相互连接，同时也能用于一组平行的保护电线。他被成功的用于到达一个更可靠的对于印度发射台雷电保护系统的拦截效能的评价。最后桥接阶段的模拟被认为是最初的上行连接先导和他们后续的下行先导。电荷模拟方法被认为是最适合的字段计算，因此被应用。

在这项工作中，下行和上行先导的速度的比例被认为是统一的。因此，它表明，垂直下降的主要先导形成最坏的可能的情况下。16.3a小结中有提供一个对一号台雷电防护装置样本模拟的结果。向上的连接先导的轨迹和最后的跳跃区域可以在结果中清晰的看到。由于只有确定部分的现象被建模，所以所有三个上行先导都成功与主要下行先导桥接。绕击过程中的拦截效应和最大可能电流已经被推论出来了。对于负电闪来说，被保护系统保护的保护区域倍评估作为一个预期回击电流的功能，绕击发生可能性和由雷电保护系统收集的闪电数目也被评估了。从第16.3b小节可以明显看出带有更高回击的闪电的收集区域是相当高的。甚至和高塔相比，在交互系统里，保护线路在发射向上先导的拥有相当低的效能。这一方面导致了在保护区的轨迹向内的结。

图16.3印度卫星发射保护方案的仿真结果【26】：（a）闪电拦截（C→连接先导和J→最后跳变）；（b）保护区域为了随着相应保护区的不同闪电电流

总之，需要对保护行为做一个可靠的评估的重要因素是（1）上行先导初期测定的规则；（2）下行和上行连接先导都有追踪先导的发展；（3）最后桥接的测定。一个宏观的基于场的模型被用来测定来自任意结构的上行先导的初期已经在计划之中。这是一个对于应用于更早工作阶段初期准则的发展。推论两个先导的相对速度是一样重要的。除了现场数据之外，对于当时环境所属的先导动态的知识也是需要的。这个速度比将支配上行放电和附着点所在区域的吸引半径。同时，当上行先导来自被保护系统和保护系统时，速度问题将关键性的决定拦截。目前，由于负闪（在大多数区域）占主要比例，所以工程模型主要集中在负闪电上。正闪也是要被涉及到的。

物理和工程模型都试着去动态跟踪该组事件。因此，对于下行先导的每个阶段都被要求有一个静电场的解决方案。这个也可以模拟相关的物理过程。因此，对于每一个单体的附着活动的模拟有必要进行大量的计算。这个问题的突出特点表明基于线的静电场的计算方法是最适合解决这个问题的。如果每年客观的评价保护区域作为电流的一个功能和绕击的可能，保护系统每年的雷击次数等等，那么目前相关的计算将需要更多的努力和时间。目前的建模方法能有效地用于追踪现在的附着过程的明确部分。它是由先导头部的流光，空气中的空间电荷集，空气的湿度和速度，接闪器网络附近的电晕空间电荷等等随机发展而成。适当考虑由此产生的随机性问题并且这个在理解上需要显著的进展，随后的建模和在实际系统上采集现场数据。现在，甚至这个现象的决定性部分都被准确的模拟，这将是伟大的一步。然而随机性问题的实际影响不是很清楚，传统方法的成功表明这也许不是非常重要的。最近的研究已经尝试着在基于物理模型的自合上包含上面的大多数特征。这些模型的详细描述在第四章。

16.7.2 雷击浪涌响应

16.7.2.1 接地

当接地位于被保护系统较远的位置时，在引下线和接地之间接合部分产生的反射使得电压升高，这是唯一涉及到的因素。在设计良好的接地中，瞬态阻抗响度与下导体的“浪涌阻抗”将会降低一个数量级。在这种情况下，接地终端的实际浪涌响应不太重要。

也许，在以后的周期中，连续反射电流波的衰减率将受限于接地的低频阻抗。在这种情况下远程接地终端需要采用保护性围栏，以避免电在拦截闪电时通过危险的电势而触电。另一方面，对于靠近发射台的接地终端，相应的土壤电势上升成为一个重要的问题。接下来将讨论目前采用的接地终端分析方法。

分布式电路模型是一个详细的基础电路模型，已经被广泛地用于接地系统分析。它在分布式接地终端中的有效性将受到场的延迟效应和沿导体的较高电流的传播模式的限制。一般的经验法则是，当接地端子的几何延伸超过土壤中导体的波长的十分之一时，准静态场将近似变得无效。当然，必须考虑波长对应的流入接地网路的电流的更高频率的分量。作为一个工程近似，基于线的传输模型在参考文献50中提到，不同要素的耦合在准静态场中推导。对于这些因素的进一步讨论将在引下线系统中给出。

16.7.2.2 引下线系统

引下线的雷电浪涌响应对于评价保护系统的元件上的“升压”、在各种接点处经历连续反射的电流波，流入接地端的电流和被保护体中产生的电磁场很重要。

由于在冲击电流的初始部分横向磁（TM）模式对保护系统的优势，准静态电压的定义是不允许的。从故障的角度来看，无论实验数据当前是否可用，而在高压实验室中可获得的数据仅适用于经典静电状态。由于没有可靠的替代方案，电场的线积分（优选沿着保护系统和受保护系统之间的最短路径）被用作估计闪络可能性的“电压升高”的定义。即使对于准静态域，LPS设计所需的间隙的击穿强度目前也不可用。

对于电压上升的粗略估计，可以使用采用开发用于分析输电线路的雷电响应的技术的简化建模。 因此，保护塔，屏蔽线和悬链线或接地线由合适的传输线模型表示。 例如，在参考文献31中，对于初始估计，多层线模型用于互连屏蔽线的塔和均匀线模型。 这种方法所需的最小努力将是一个主要优点，它们可以用于粗略估计。

理论方法

相比之下，为了更可靠的研究，它将更合适去采用一个解决系统控制电磁场问题的场模型。FDTD方法被用来分析保护系统的雷电浪涌响应，但是有一些简化，在下文中，用于研究保护系统雷电浪涌响应的基于场的方法将被考虑。全保护系统包括闪电通道上麦斯威尔场方程的全波解是理想的。然而，这也将是更复杂的。这种方法将正确的考虑到埋地和架空导体之间的耦合。除了对闪电通道进行相关表示的有困难之外，还需要首先解决几个相关的复杂问题。现在只会讨论更重要的一个。保护系统的空间扩展是相当大的，跨越几个波长的显现着更高频率分量的雷电流谱。保护系统的几何形状设计薄元件（屏蔽和接地线）以及复杂的相互关联的结构。薄元件中的结或者塔的薄元件都能被准确模拟。在接闪器网络和链状引下线系统中传播的雷电流将成为相当大的科罗娜活动。

主塔和运载火箭是一个相当大的横截面。在主塔以及主塔和火箭之间运行的电缆和管道的数量是非常困难去单独表示的。更重要的是，在主塔上产生的电流会潜在破坏很多电子系统，电流大小要低四到五个单位和雷电流大小相比。地面参数随距离，深度和季节变化。事实上，两个或多层土壤分层已经被广泛地应用于电力工程。一个在沿海地带常见的，大多数发射台坐落的典型的顶部干沙层，这将是必要的考虑进行底部层和顶部层。此外，靠近台，有几个深基础调制土壤电流流动模式。和需要对相关频率范围的混凝土床进行建模，以及土壤压实。此外，还有电缆和管道也被埋在或在土壤表面。

因为这些复杂性，对原始问的简化进行了分析。这些简化必须用工程判断来进行。在下面将给出与不同数值方法有关的主要观点。

基于域的方法。

任何基于域的方法，例如有限差分法，有限元法（FEM）和传输线模型（TLM）遭受由于离散化带来的困难，大型矩阵的大小（除非稀少的矩阵技术被充分应用）和由于随着时间递进积累的中间结果，使巨大数量的计算数据增加。他们也可以遭受偶尔的数值震荡。然而，他们在时域方法上有明显的优势，在数值上是直接可以，因此，没有频域时域反演问题。此外，可以表示沟道导电性的非线性，并且如果需要，可以表示屏蔽层和接地线上的电晕。无论是采用频域还是时域方法，原则上都可以建立具有良好分层数的地面，甚至考虑电缆沟槽。这些方法需要用适当的边界条件对问题几何进行人工截断，以便有限

空间网格（或离散化）。因此，要仔细考虑可行的空间离散化的信道表示的适当性。笔者认为，下列实体有时被忽视（这是不能接受的）。屏蔽线，电枢，脐带缆，驱动杆和平衡线具有很薄的几何形状，因此，考虑到它们的离散化过程将是不切实际的。鉴于此，作出了一些努力，没有明确的代表性，但它们的影响被认为是二次的，

这是绝对不允许的。必须使用特殊方法（其准确表示可能），必须用于其建模[51-55]。然而，这些方法不适用于多个细长导电元件的连接处，例如在脐带/服务台中遇到的那些。通过模拟土壤，用于模拟的时间步长必须适合于土壤中波浪的速度，而不适用于空气中。前者一般比后者低得多。根据电力工程的趋势，所需的模拟通常使用电流源模型进行雷电通道​​。通过这种在时域中的做法，为了最小化计算时间，而不是实际的

闪电电流激励，有时使用高斯脉冲。然后，通过使用傅里叶技术，评估所需的传递函数。

这将是可接受的，该脉冲的显着的频率分量，一个空间角波长的10个细胞或元素的分辨率，采用和时间步长选择对应于土壤中的速度。

基于边界的方法

原则上，基于边界的方法例如矩量法（MOM）有几个优点。由于离散仅限于信道和结构，它们需要最少的离散化。由此产生的矩阵将是小的，但完全致密。除了与反演相关的数值问题时域建模的土壤分层的沉闷，目前，基于频域的方法也不处理在通道中的非线性和土壤。因此，模拟相关的通道电导率的瞬态变化的物理现象将是困难的。任何试图实现慢信道电流的传播不会模拟有效浪涌的变化与当前前的通道的阻抗。实际激励包括在渠道，系统和桥接中的费用。目前，这没有适当的代表。

在文献中有关的高层塔楼和类似的雷电浪涌响应系统，只有频域为基础的矩量法（考虑完全导电已广泛应用。更具体地说，它是一个公共领域软件NEC（数值电磁代码）[ 57 ]，大多采用。这种方法为在简单的下导体和用于的电流提供了可接受的结果。通过直接打击[15,16]产生电磁场。相同的代码也被用于通过远程笔画评估启动复合体的感应（稍后将对此进行处理）。 还将有限的努力作为统一的半无限媒体模型，并进行直接时域仿真。 在这些作品中，通道使用了当前的源模型。

有出版物处理工频接地的性能用于快速电流脉冲的系统。一个MOM的方法，目前使用的涉及频域细线近似为导体[ 58,59 ]和简化空气-地球界面的图像系统[ 60 ]。地球的详细造型

终止将不得不对土壤参数的准确性进行加权用于模拟和它们的季节性和空间变化，影响其他埋藏的金属物体在附近，结构基础等。综上所述，目前，对雷电浪涌响应的研究系统的发射台似乎可能与以下的简化：

1．激励的电流源模型；

2．用于实现降速的加载通道的线性模型；

3.简化的几何形状的保护系统，以及发射台（简化取决于所采用的数值方法）；

4．系统中的地面和无电晕或电离的线性模型。

随着现在的现有技术水平的提高，上述简化的任何方法都将是重大的进步。 因此，很明显，对保护系统对发射台的浪涌响应的可靠的理论量化是必要的。

实验方法

作为现场理论方法的替代，通过上述简化，基于伏安的实验方法对比例电磁模型

可以有效地利用该系统。

这种方法已被用于分析在输电线路塔顶部的雷电浪涌电压（如参考文献61和62）。这可以被看作是类似风洞实验确定气动剖面。这个电磁

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