專利名稱：評估雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及評估雷電捕獲裝置(例如，具有單針或激發(fā)(priming)裝置、多尖端裝置或網籠的避雷器)所覆蓋的保護區(qū)域(尤其是橫向(lateraldirection))的跨度的方法這一總體技術領域。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法，所述雷擊通過向上閃擊(upward stroke)和向下閃擊(downward stroke)的傳播和匯合而形成，所述方法基于閃擊發(fā)展模型，在該模型中通過一系列帶電段對各閃擊進行建模，各段在后端和前端之間沿其傳播方向延伸。
本發(fā)明還涉及一種包括計算機程序編碼手段的計算機程序，當在計算機上運行所述程序時，所述計算機程序編碼手段適于執(zhí)行用于評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法的步驟。
本發(fā)明還涉及實現(xiàn)在計算機可讀介質上的如上所述的計算機程序。
本發(fā)明最后涉及一種能夠由計算機讀取并且其上記錄有如上所述的計算機程序的介質。

背景技術：
為了保護建筑物、結構、設備(或者概括地說即在地理空間中的任何區(qū)域)免受雷電的直接沖擊，一般實施一種通常被稱為“避雷器”的保護系統(tǒng)，具體地說，該保護系統(tǒng)包括以下三個主要部件 -捕獲裝置； -接地裝置； -地導體。
捕獲裝置通常包括一個或更多個針或金屬尖端，這一個或更多個針或金屬尖端要朝向天空垂直安置并且通過接地裝置連接到地，接地裝置由意在將雷電電流從針傳導到地導體的導體形成，而地導體自身意在將雷電電流分散到地中。
因此，這種裝置使得可以將大氣放電直接傳導到地，從而防止大氣放電穿過保護區(qū)域，大氣放電穿過保護區(qū)域會損害或破壞所述區(qū)域。
如下是這種現(xiàn)有技術系統(tǒng)的操作。
公知暴風云是帶電的。地閃幾乎總是通過預擊穿現(xiàn)象而在云中開始。在幾十毫秒之后，該現(xiàn)象生成了從云躍到地而傳播的強分支負放電，可將其稱作“向下閃擊”或“下躍閃擊”。
然后在向下閃擊之下位于地的環(huán)境電場變得非常強，并觀察到一個或更多個被稱為“向上閃擊”的正的向上放電，它們是在所謂的連接(attachment)階段期間形成的。這些向上閃擊持續(xù)發(fā)展直到它們中的至少一個在通常位于距地幾十米的點處截獲向下閃擊為止。然后產生回弧(returnarc)，其包括引起向下閃擊的強正電離波構成，從而中和了一部分云中電荷。
因此，避雷器的保護功效與其捕獲裝置的如下能力直接相關在被保護區(qū)域出現(xiàn)任何其他向上閃擊之前，產生將與向下閃擊相匯以形成閃電的“早期”向上閃擊。該保護功效取決于大量標準，尤其取決于避雷器的高度和形狀以及是否有激發(fā)裝置(帶激發(fā)裝置的避雷針)，通常通過在地面上限定繞避雷器延伸的安全周界來評估所述保護功效，在該安全周界中不會形成能夠在從避雷器出現(xiàn)向上閃擊之前就截獲向下閃擊的向上閃擊。通常，通過在地面上避雷器距安全周界的邊界的橫向距離來描述該安全周界。
一種幾十年前建立的被稱為電氣幾何模型(EGM)的經驗模型使得可以根據捕獲裝置的高度和雷電電流的強度來確定橫向保護距離，該橫向保護距離與避雷器所覆蓋的保護區(qū)域的跨度相對應。
在與防雷相關的大多數(shù)甚至全部國際標準中都規(guī)定了該電氣幾何模型。
然而，盡管該電氣幾何模型非常簡單，但是它是不足且受限的 事實上，已經多次觀察到這樣的情況即使根據該電氣幾何模型，設施是處于避雷器的保護下，但是仍被雷電擊中。
因此，當根據該電氣幾何模型的規(guī)定安裝避雷器時，存在實際上沒有保護至少一些應被保護的區(qū)域免受雷電的直接沖擊的危險。
后來開發(fā)出其他方法，尤其是基于被稱為“閃擊發(fā)展模型”的數(shù)學模型的方法。然而，已知的閃擊發(fā)展模型無法以簡單且可靠的方式獲得精確結果，所以未被包括在國際標準中。


發(fā)明內容
因此，本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術的各種缺點并且提出一種新的評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法，該方法使得可以獲得更精確且更可靠的結果。
本發(fā)明的另一目的是提出一種新的評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法，該方法基于對控制向上閃擊和向下閃擊的形成和發(fā)展的物理現(xiàn)象的精細建模。
本發(fā)明的另一目的是提出一種新的評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法，該方法特別適于自動化計算機實現(xiàn)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種新的評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法，該方法可以具有良好可靠性地應用于現(xiàn)實情況。
通過一種用于評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法來實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的，所述雷擊通過向上閃擊和向下閃擊的傳播和匯合而形成，所述方法基于閃擊發(fā)展模型，在所述閃擊發(fā)展模型中，通過一系列帶電段對各個閃擊進行建模，各個段在后端和前端之間沿其傳播方向延伸，所述方法的特征在于該方法包括至少一個對向下閃擊和向上閃擊之間的匯合進行驗證的步驟，在該步驟中，沿著連結向下閃擊和向上閃擊的假想線計算電場，并且驗證在所述假想線上的每個地方，所述電場大于向上閃擊的傳播所需的最小電場。
還可通過一種包括計算機程序編碼手段的計算機程序來實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的，當在計算機上運行所述程序時，所述計算機程序編碼手段適于執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的步驟。
還可通過一種實現(xiàn)在計算機可讀介質上的根據本發(fā)明的計算機程序來實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的。
還可通過一種能夠由計算機讀取并且其上記錄有根據本發(fā)明的程序的介質來實現(xiàn)本發(fā)明的這些目的。



通過參照純粹出于例示而非限制性的目的所提供的附圖來閱讀以下描述，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將更詳細地顯現(xiàn)，在附圖中 圖1以側面概圖示出了來自云的向下閃擊的傳播以及來自放置在地上的捕獲裝置的向上閃擊的傳播； 圖2以側面概圖示出了來自云的向下閃擊的傳播； 圖3圖解地示出了在捕獲裝置(在此情況下該捕獲裝置是由尖端形成的)的頂點處形成向上預放電區(qū)(流柱(streamer)區(qū))； 圖4示出了由形成圖3所示的向上預放電區(qū)導致的向上閃擊的形成； 圖5以概圖示出了一部分閃擊及其相對于地的鏡像，地被認為是無限導電平面； 圖6以概圖示出了通過根據本發(fā)明的方法而評估出的捕獲裝置的搜集體積(collection volume)與通過現(xiàn)有技術的方法而評估出的搜集體積之間的定性比較； 圖7以概圖示出了在其頂點處配備有捕獲裝置的建筑物，所述建筑物處于地面上而暴風云在其上方； 圖8以概圖示出了四個向上閃擊間針對一個向下閃擊的競爭現(xiàn)象； 圖9圖解地示出了兩個捕獲裝置之間的競爭現(xiàn)象，橫坐標值對應于單位為米的橫向距離，縱坐標值對應于單位為米的高度； 圖10以概圖示出了相對一個斜向下閃擊，來自兩個相應捕獲裝置的兩個向上閃擊之間的競爭，橫坐標值對應于單位為米的橫向距離，縱坐標值對應于單位為米的高度； 圖11示出了針對可變的雷電電流強度以及可變的向下閃擊和向上閃擊的速度比，保護距離隨捕獲裝置的高度的變化； 圖12示出了針對可變的雷電電流強度通過電氣幾何模型或本發(fā)明的方法而獲得的一系列曲線，所述一系列曲線示出了橫向安全距離(縱坐標)隨捕獲裝置的高度(橫坐標)的變化； 圖13示出了針對向上閃擊和向下閃擊的各種速度比，八米高的捕獲裝置的搜集體積，該高度在縱坐標上并且橫向距離在橫坐標上； 圖14示出了根據電氣幾何模型以及根據本發(fā)明的方法，三十米高的捕獲裝置的引力半徑(縱坐標)作為雷電電流強度的函數(shù)的變化； 圖15至圖21示出了用于進行基于本發(fā)明的方法的數(shù)字計算的算法的流程圖。

具體實施例方式 本發(fā)明涉及一種評估至少一個雷電捕獲裝置1、1A、1B、1C所覆蓋的保護跨度的方法。
具體地說，根據本發(fā)明的方法使得可以確定一個或更多個捕獲裝置1、1A、1B、1C所覆蓋的保護橫向距離D。如圖1所示，保護橫向距離D對應于在地面2處測得的標記了繞捕獲裝置1的安全周界的邊界的最大距離，在該周界中任何物體、人、建筑物、結構或設備都處于捕獲裝置1的保護下。換言之，本領域技術人員所公知的橫向安全距離D對應于以捕獲裝置為中心的盤的半徑，并且在橫向安全距離D內，僅僅除了專門對捕獲裝置1的沖擊之外，消除了任何直接雷電沖擊。
可以在不管雷電捕獲裝置1、1A、1B、1C的數(shù)量、空間位置和性質的情況下執(zhí)行根據本發(fā)明的方法。
具體地說，可將本發(fā)明的方法應用于單針避雷器或具有激發(fā)裝置、多尖端裝置或網籠的避雷器。
可將該方法應用于由多個雷電捕獲裝置構成的組件，所述多個雷電捕獲裝置相對于彼此例如三維地定位。
因此，有利的是，根據本發(fā)明的方法是三維方法。當然，可以將根據本發(fā)明的方法應用于二維的情形，而不超出本發(fā)明的范圍。
要由捕獲裝置1、1A、1B、1C捕獲的雷電是通過向上閃擊3、3A、3B、3C和向下閃擊4的傳播和匯合而形成的，所述向上閃擊3、3A、3B、3C是從捕獲裝置1激發(fā)并傳播的，而向下閃擊4源自暴風云層5。
向下閃擊4被向上閃擊3截獲并且所述閃擊3、4匯合，從而形成閃電和雷擊。該級別的雷擊現(xiàn)象對于本領域技術人員是公知的，因此將不會更詳細地對其進行描述。
然而，要注意的是，橫向安全距離D可以對應于在向下閃擊4(參照圖1)能夠被來自捕獲裝置1的向上閃擊3截獲的情況下、在地面測得的捕獲裝置1距X-X’軸(所述向下閃擊4從其起點處沿該軸延伸)的最大距離。
根據本發(fā)明的方法基于閃擊發(fā)展模型。閃擊發(fā)展模型對于本領域技術人員是公知的，因此下面將不會更詳細地對其進行描述。應該容易注意到，在這種閃擊發(fā)展模型中，通過一系列帶電段6、7、8、9、10、11、12、13、14、15對各個閃擊3、3A、3B、3C、4進行建模，各個段6、7、8、9、10、11、12、13、14、15在后端和前端之間沿其傳播方向延伸，給定段的前端對應于緊隨其后的另一段的后端。
傳統(tǒng)上，各個段是厚度為零且長度恒定的直線段，所述段長度對應于閃擊步長。
傳統(tǒng)上，與向上閃擊3相對應的段13、14、15帶有正電荷，而與向下閃擊4相對應的段6、7、8、9、10、11、12帶有負電荷。
優(yōu)選的是，地面2被視為無限平導電表面，從而能夠考慮如下面將看到的鏡像電荷的影響。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括應用激發(fā)向上閃擊3的準則的步驟。
在該步驟中，進行對閾場(即傳播向上閃擊3所需的最小電場)的計算，以根據捕獲裝置1相對于地面2的高度H來確定所述閾場。換言之，一旦周圍大氣電場達到或超過該閾場，就會產生向上閃擊3。
根據本發(fā)明，當優(yōu)選地由尖金屬針形成的捕獲裝置的高度H基本上低于六米時，應用Rizk準則，從而通過下式來獲得按kV/m表示的閾場ER 如果捕獲裝置1的高度H基本上高于六米，則根據本發(fā)明應用Lalande準則。根據該準則，通過下式來獲得按kV/m表示的閾場EL 因此，在根據本發(fā)明的方法的情形下認為當捕獲裝置1是避雷器時，在捕獲裝置1的上端處(即，在針尖的水平面處)形成具有預定半徑Ls的半球形向上預放電區(qū)(或流柱區(qū))。順便注意，在此情況下優(yōu)選地認為捕獲裝置的尖端的曲率半徑非常小。
帶有值為Q的分布電荷的該流柱區(qū)從避雷器的針頂點延伸了距離Ls，在那里電場強度達到值Es(參照圖3)。當場Es達到閾值(即，根據捕獲裝置的形狀為ER或EL)時，激發(fā)出向上閃擊3，即，第一段13從捕獲裝置1延伸出來(參照圖1)。所述段13自身產生新流柱區(qū)的構成，這引發(fā)了緊接第一段的第二段14，依此類推。
在現(xiàn)有技術中已經普遍地描述了這種建模，因此不必在此更詳細地對其進行描述。
有利的是，在根據本發(fā)明的方法的情形中，對于向下閃擊，將場Es設置為閾值大致等于1100kV/m。對于向上閃擊，將場Es設置為閾值大致等于500kV/m。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括對閃擊的電荷進行建模的步驟，其中，各個段6、7、8、9、10、11、12、13、14、15與線性電荷分布λ以及位于相關段的前端的值為Q’的點電荷16相關聯(lián)(參照圖2)。
如果認為在捕獲裝置的頂點處展開的流柱區(qū)類似于半徑為Ls的半球，則我們得到以下關系式 其中，Es的單位為V/m，εo是真空絕對介電常數(shù)。
當流柱區(qū)逐步推進時(如圖4所示)，流柱區(qū)的電荷Q分布在長度為Ls的段上。那么，上式寫為 因此，點電荷16的值Q’將是 Q’＝Q＝λLs＝2πεoLs2Es＝λ2/(2πεoEs) 有利的是，對于各個段6、7、8、9、10、11、12、13、14、15，線性電荷分布λ是基本上均勻的，同時點電荷16的值基本上恒定。
根據本發(fā)明，將前式與由Petrov和Waters提出的以下關系式相結合 λd＝0,43.10-6I2/3 其中，I是雷電電流的強度，同時將Es的值設置為1100kV/m，從而得到向下閃擊的點電荷值Qd為 Qd＝3,33.10-9I4/3 其中，I是雷電電流的強度(單位為kA)。
關于向上閃擊，在根據本發(fā)明的方法的情形下認為存在用于激發(fā)并形成閃擊的最小但必要的電荷密度λamin。
優(yōu)選的是，該值位于20和70μC/m之間，并且優(yōu)選地大致等于50μC/m。
可使用下式獲得關于與向上閃擊相對應的點電荷Qa Qa＝λamin/(2πεOES)avec ES＝500kV/m 其中，Es＝500kV/m。
要注意的是，上述原始電荷分布模型獨立于根據本發(fā)明的方法的其他特征，并且同樣可構成發(fā)明。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括對向上閃擊3、3A、3B、3C和向下閃擊4的速度進行建模的步驟，在該步驟中認為當從對應的捕獲裝置1、1A、1B、1C激發(fā)出向上閃擊3、3A、3B、3C時，所述向上閃擊和向下閃擊以恒定速度傳播。
優(yōu)選的是，在根據本發(fā)明的方法中通過引入速度比Rv來考慮向上閃擊的傳播速度Vasc和向下閃擊的傳播速度Vdes 其中，Ldes和Lasc分別表示向下閃擊4和向上閃擊3的傳播步長，所述步長與單位線段6、7、8、9、10、11、12、13、14、15的長度相對應。
優(yōu)選的是，將向下閃擊4的傳播速度Vdes視為恒定。換言之，當執(zhí)行本發(fā)明的方法時，向下閃擊的步長優(yōu)選地是固定的，而向上閃擊3的步長需要確定。
有利的是，向下閃擊4的傳播速度與向上閃擊3的傳播速度之比Rv基本上在0.1和8之間，并且優(yōu)選地基本上在0.5和4之間。
該后一范圍的值確實表現(xiàn)出使得可以最接近現(xiàn)實中遇到的情況，并且使得能夠獲得更可靠的結果。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括對捕獲裝置1的激發(fā)延遲Δt進行建模的步驟，在該步驟中認為當達到(或超過)傳播向上閃擊3所需的最小電場時，只要向下閃擊4沒有前進與激發(fā)延遲Δt和向下閃擊4的速度Vdes之積相等的距離，就不會激發(fā)出向上閃擊3。
與上述對速度進行建模的步驟相似，對激發(fā)延遲進行建模的該步驟自身獨立于本發(fā)明的其余部分，并因而可構成獨立的發(fā)明。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括計算電勢和電場的步驟。
該步驟的過程根據是否將捕獲裝置1、1A、1B、1C直接放置在地面2上(參照圖1)或者它是否在對應的上部結構17上而不同，所述上部結構從地面2升起從而具有非零的高度并且優(yōu)選地具有相對較高的高度。
對于“上部結構”，在此情況下指的是不論是為居住或工業(yè)還是商業(yè)活動而設計的任何建筑物、或者任何自然或人造建筑物、或者甚至是要進行保護以免受雷電直接沖擊的無論任何類型的設備。
通過建造，這種上部結構17將具有幾何突起，即，幾何形狀突然改變的區(qū)域，諸如邊或角，所述幾何突起適于產生向上閃擊。
首先，將詳細描述一種用于在由位于地面2上的尖針形成的捕獲裝置1、1A、1B、1C的情況下計算電勢和電場的優(yōu)選方法。如上所述，地面2被認為是無限導電平面，從而能夠考慮鏡像電荷的影響。
如圖5所示，優(yōu)選的是，在局部點

處計算電場和電勢，然后以全局點

表示。
因此，圖6示出了從后端A延伸到前端B的閃擊段K。該圖還示出了相對于地面2的鏡像段K’。
段K具有線性電荷λ以及位于前端B并且電荷值為Q的點電荷19。
關于鏡像段K’，其具有線性電荷-λ以及值為-Q的點電荷19’。
因此，根據圖5所示的幾何布置，通過下式來獲得由線性電荷及其鏡像在點P(局部點

的中心)處產生的電勢 其中，段K的長度等于2C，而r1+r2＝2a并且r1i+r2i＝2ai。
利用下式給出由位于閃擊K的頭部處的點電荷19及其鏡像19’在P點處導致的電勢 因此，將由所有的閃擊段、點電荷及其對應鏡像在P點處導致的總電勢VT寫成 優(yōu)選的是，根據本發(fā)明的方法來計算由閃擊段K導致的場以及由點電荷及其鏡像導致的場的切向分量和法向分量。
如下寫出切向分量 如下寫出法向分量 以全局點

如下表示法向分量和切向分量 -(εoV)＝0 將由點電荷及其鏡像導致的場寫成 因此 因此，由閃擊在P點處導致的總電場寫成 如果將捕獲裝置1、1A、1B、1C布置在高于地面2的上部結構17上，則通過求解拉普拉斯(Laplace)等式來確定電勢 -(εoV)＝0 優(yōu)選地通過有限元分析來求解拉普拉斯等式。例如，可使用COMSOL公司銷售的FEMLAB軟件來進行該計算。
本領域技術人員將能夠通過具體選擇解的域并且加入邊界條件來調整該程序和該方法。
在圖7所示的示例的情形下，利用在此情況下由金屬針構成的捕獲裝置1來保護高架結構17(即，例如混凝土建筑物)。該上部結構17位于由形成平行六面體空容積的六個平面所限定的域內。
在本方法的情形下，假定使代表建筑物17從其升起的地面2的下平面具有零電勢，同時使表示暴風云層5的相對上平面具有電勢Vn(狄利克雷型(Dirichlet-type)條件)。
優(yōu)選地假定其他平面20、21、22、23是隔離面，通過nv＝0對其進行數(shù)學轉換。
因此，場力線的分布將不會由于這些平面的存在而受到擾亂。
使建筑物以及針也具有電勢V＝0。
優(yōu)選的是，通過在電勢梯度相當大的地方(在諸如角或邊的不規(guī)則處附近)對柵格進行細化以及通過確保柵格不包括突變來進行數(shù)字自適應柵格化。
因此，僅需根據本領域技術人員的一般知識，通過實行期望的精度，使用有限元分析程序(例如，F(xiàn)EMLAB程序)的解題模塊(求解器)在所述域中求解拉普拉斯等式。因此可以計算出所述域中任意點處的電場以及電勢。
根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括確定向上閃擊2和向下閃擊4的傳播方向的步驟。
在該步驟中，如圖1所示，在距相關段的頭部等距的多個點處計算電場。對于該段的電場最大的前端，閃擊的傳播方向對應于尖端的方向。
因此各個閃擊沿場最大的尖端方向逐步推進。
根據本發(fā)明的重要特征，本發(fā)明包括對向下閃擊4和向上閃擊3之間的匯合進行驗證的步驟，在該步驟中，沿著連結向下閃擊4和向上閃擊3的假想線計算電場，并且驗證在所述假想線上的每個地方，所述電場大于向上閃擊3的傳播所需的最小電場。
所述假想線優(yōu)選地為直線。
在根據本發(fā)明的方法的情形下，應用該截獲準則本身是獨創(chuàng)的并且獨立于本發(fā)明的其他部分，從而其可構成不同的發(fā)明。
向上閃擊3的傳播所需的最小電場有利地在200和800kV/m之間，并且優(yōu)選地大致等于500kV/m。
當存在高結構(即，從地面2垂直延伸的上部結構)時，可以有多個雷電沖擊點，即尤其是在各個上部結構的角和邊處。當將一個或更多個捕獲裝置1、1A、1B、1C放置在上部結構上時，該上部結構在理論上受到保護，雷電僅會被捕獲裝置捕獲。然而，出現(xiàn)如下情況盡管存在捕獲裝置1、1A、1B、1C，但是因為上部結構會被雷電擊中其角或邊，所以該捕獲裝置有時是無效的。
因此，根據本發(fā)明的方法優(yōu)選地包括對從其上放置有捕獲裝置1、1A、1B、1C的上部結構17的各個突起激發(fā)向上閃擊3進行驗證的步驟。
在本發(fā)明的情形下，優(yōu)選地利用球體對上部結構的角進行建模，并且利用當然地具有小曲率半徑的柱體對邊進行建模，從而可以確定電場。
然后，可以在計算橫向安全距離的方法中考慮并應用上述用于產生向上閃擊的準則。
有利的是，根據本發(fā)明的方法是數(shù)字方法，要對該方法進行編程以形成用于評估至少一個雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的軟件程序。因此，根據本發(fā)明的計算機程序使得可以根據雷電捕獲裝置的數(shù)量及其坐標(高度、位置)、要保護的上部結構的尺寸、捕獲裝置的激發(fā)延遲時間、向下閃擊的初始坐標、向下閃擊的傳播速度、速度比Rv以及雷電電流的強度，來針對平面構造或任意構造(例如，由一個或更多個建筑物三維地組成的構造)二維或三維地確定橫向保護距離。這樣獲得的程序可以進行更好的雷電保護并且可以優(yōu)化捕獲裝置的數(shù)量。
因此，使用根據本發(fā)明的方法使得可以克服電氣幾何模型的缺陷以及其他數(shù)字方法(例如，搜集體積方法)的缺陷。
具體地說，現(xiàn)有技術的方法所獲得的搜集體積24的引力半徑大于根據本發(fā)明的方法所獲得的搜集體積25的半徑。該差異對于高電流更顯著。因此，如圖6所示，根據現(xiàn)有技術的搜集體積方法，兩個橫向遠離的閃擊4、4’都會被捕獲裝置1截獲，而根據本發(fā)明的方法，閃擊之一將會有效地被捕獲裝置1截獲，而另一閃擊會逸出搜集體積并擊中要保護的上部結構17。
因此，根據本發(fā)明的方法使得可以引起對危險情況的注意，而利用現(xiàn)有技術方法則是不可能的。
有利的是，向下閃擊4在其起點處(即，在被激發(fā)時)具有相對于垂直方向(即，地面2的法向)傾斜的入射角。因此，如圖10所示，向下閃擊4相對于垂直方向在角度上偏移了角度W。
如圖8和圖9一樣，該圖10還示出了不同向上閃擊之間的競爭的示例，利用根據本發(fā)明的方法能夠完整地考慮所述競爭。
圖11至圖14示出了利用根據本發(fā)明的方法而獲得的一些結果。
圖11因而示出了對于各種雷電強度以及各種速度比Rv，橫向保護距離(在縱坐標上以米為單位來表示其)作為形成捕獲裝置的針的高度的函數(shù)的變化。
因而曲線26對應于強度等于10kA，同時Rv＝1。曲線27對應于強度等于10kA，同時Rv＝2。對于曲線28，強度等于50kA，同時Rv＝1。對于曲線29，強度等于50kA，同時Rv＝2。
圖12示出了針對各種雷電電流強度值，根據基于本發(fā)明的方法(將Rv設置為1)與根據電氣幾何模型而計算出的橫向距離的比較。該橫向距離位于縱坐標(以米為單位)上，而在此情況下由針形成的捕獲裝置的高度位于橫坐標(以米為單位)上。因而曲線30對應于當強度等于10kA時通過電氣幾何模型獲得的結果。曲線31對應于當強度等于50kA時通過電氣幾何模型獲得的結果。曲線32對應于當強度等于10kA時通過根據本發(fā)明的方法獲得的結果，而曲線33對應于當強度等于50kA時根據本發(fā)明的方法獲得的結果。
圖13示出了針對各種雷電電流強度值和各種速度比Rv，利用由八米高的針形成的捕獲裝置所獲得的搜集體積。橫坐標表示與地面的橫向距離，而縱坐標表示高度。因而曲線34、35、36分別對應于速度比Rv＝1/2、1和2。
圖14最后示出了針對由三十米高的針形成的捕獲裝置，利用根據本發(fā)明的方法和Ericksson模型計算出的搜集體積的引力半徑之間的比較。引力半徑位于縱坐標上，單位為米，而雷電電流強度位于橫坐標上，單位為kA。曲線37對應于通過根據本發(fā)明的方法而獲得的結果，而曲線38對應于通過Ericksson模型而獲得的結果。
如上所述，根據本發(fā)明的方法特別適合用于計算機編程。圖15至圖21由此示出了執(zhí)行根據本發(fā)明的方法的算法的流程圖。
應該注意的是，如果上部結構為球形或柱形并且沒有角和邊，則通過應用與上述相同的產生和匯合準則，針對整個環(huán)繞表面來完成對場的計算。
在圖16所示的流程圖I中，nt表示針的數(shù)量，而K對應于針號。
此外，在圖18所示的流程圖II中，ns對應于上部結構(也被稱為“高結構”)的數(shù)量，s是結構的數(shù)量，nts是該結構上的針的數(shù)量，K是針號，ncs是結構s上的角的數(shù)量，J是角號，nars是結構s上的邊的數(shù)量，R是邊號，Nas是向上閃擊的數(shù)量，n是向上閃擊號。
因此，本發(fā)明還涉及一種用于實現(xiàn)上述方法的計算機程序以及一種其上存儲有這種程序的存儲介質。
更具體地說，本發(fā)明涉及一種包括計算機程序編碼手段的計算機程序，當在計算機上運行所述程序時，所述計算機程序編碼手段適于執(zhí)行如上所述的根據本發(fā)明的方法的步驟。
該計算機程序優(yōu)選地適于執(zhí)行本方法的所有步驟?？梢杂帽绢I域技術人員所公知的任何代碼并尤其是利用有利于實現(xiàn)三維有限元建模的代碼，來產生該計算機程序。
本發(fā)明還涉及一種在諸如磁盤的計算機可讀介質(例如，硬盤或CD-ROM)上實現(xiàn)的根據本發(fā)明的計算機程序。
本發(fā)明最后同樣涉及一種能夠由計算機讀取并且其上記錄有根據本發(fā)明的程序的介質，例如硬盤或CD-ROM。
最后，根據本發(fā)明的方法通過對成功雷電捕獲的三個必要條件(向上閃擊的形成、向上閃擊穩(wěn)定傳播從而與向下閃擊相匯、以及兩個閃擊的成功匯合)進行精細建模，使得可以以出色的精度計算安全距離，這使得可以提高保護設施的可靠性和安全性。
工業(yè)實用性 本發(fā)明在工業(yè)上可用于對評估雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法的設計和實現(xiàn)，尤其是計算機化地設計和實現(xiàn)。
權利要求
1.一種用于評估至少一個雷電捕獲裝置(1、1A、1B、1C)所覆蓋的保護區(qū)域的跨度(D)的方法，所述雷擊是通過向上閃擊(3、3A、3B、3C)和向下閃擊(4)的傳播和匯合而形成的，所述方法基于閃擊發(fā)展模型，在所述閃擊發(fā)展模型中，通過一系列帶電段(6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)對各個閃擊進行建模，各個段(6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)在后端和前端之間沿其傳播方向延伸，所述方法的特征在于該方法包括至少一個對向下閃擊(4)和向上閃擊(3、3A、3B、3C)之間的匯合進行驗證的步驟，在該步驟中，沿著連結向下閃擊(4)和向上閃擊(3、3A、3B、3C)的假想線計算電場，并且驗證在所述假想線上的每個地方，所述電場大于向上閃擊的傳播所需的最小電場。
2.根據權利要求1所述的方法，該方法的特征在于所述假想線是直線段。
3.根據權利要求1或2中的一項所述的方法，該方法的特征在于向上閃擊的傳播所需的所述最小電場在200kV/m和800kV/m之間，并且優(yōu)選地大致等于500kV/m。
4.根據權利要求1至3中的一項所述的方法，該方法的特征在于該方法包括對閃擊(3、3A、3B、3C、4)的電荷進行建模的步驟，在該步驟中，將各個段(6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)與線性電荷分布(λ)以及位于相關段的前端的點電荷(16、19)相關聯(lián)。
5.根據權利要求4所述的方法，該方法的特征在于對于各個段，線性電荷分布(λ)是基本上均勻的，同時點電荷(16、19)是基本上恒定的。
6.根據權利要求4所述的方法，該方法的特征在于對于各個向上閃擊段(13、14、15)，線性電荷分布(λ)在20μC/m和70μC/m之間，并且優(yōu)選地大致等于50μC/m。
7.根據權利要求1至6中的一項所述的方法，該方法的特征在于該方法包括對向上閃擊和向下閃擊(3、3A、3B、3C、4)的速度進行建模的步驟，在該步驟中，認為當激發(fā)出向上閃擊(3、3A、3B、3C)時，向上閃擊(3、3A、3B、3C)和向下閃擊(4)以恒定速度傳播。
8.根據權利要求7所述的方法，該方法的特征在于認為向下閃擊(3、3A、3B、3C)的傳播速度是恒定的。
9.根據權利要求7或8所述的方法，該方法的特征在于向下閃擊(4)的傳播速度與向上閃擊(3、3A、3B、3C)的傳播速度之比大致在0.1和8之間，并且優(yōu)選地大致在0.5和4之間。
10.根據權利要求1至9中的一項所述的方法，該方法的特征在于該方法包括對捕獲裝置(1、1A、1B、1C)的激發(fā)延遲進行建模的步驟，在該步驟中認為，當達到向上閃擊(3、3A、3B、3C)的傳播所需的所述最小電場時，只要向下閃擊(4)沒有前進與激發(fā)延遲和向下閃擊的速度之積相等的距離，就不會激發(fā)出向上閃擊。
11.根據權利要求1至10中的一項所述的方法，該方法的特征在于將至少一個捕獲裝置(1、1A、1B、1C)放置在地面(2)上。
12.根據權利要求1至11中的一項所述的方法，該方法的特征在于至少一個捕獲裝置(1、1A、1B、1C)位于對應的上部結構上，所述上部結構具有諸如邊或角的幾何突起。
13.根據權利要求12所述的方法，該方法的特征在于該方法包括對從各個所述突起激發(fā)向上閃擊(3、3A、3B、3C)進行驗證的步驟。
14.根據權利要求1至13中的一項所述的方法，該方法的特征在于向下閃擊(4)當被激發(fā)時沿相對于地面(2)的法向傾斜的方向傳播。
15.根據權利要求1至14中的一項所述的方法，該方法的特征在于該方法構成二維數(shù)字方法。
16.根據權利要求1至14中的一項所述的方法，該方法的特征在于該方法構成三維數(shù)字方法。
17.一種包括計算機程序編碼手段的計算機程序，當在計算機上運行所述程序時，所述計算機程序編碼手段適于執(zhí)行根據權利要求1至16中的一項所述的方法的步驟。
18.根據權利要求17所述的計算機程序，該計算機程序實現(xiàn)在計算機可讀介質上。
19.一種能夠由計算機讀取并且其上記錄有根據權利要求17的程序的介質。
全文摘要
本發(fā)明提供了評估雷電捕獲裝置所覆蓋的保護區(qū)域的跨度的方法。本發(fā)明涉及一種用于評估雷電捕獲裝置(1)所提供的保護區(qū)域的范圍(D)的方法。該方法基于先導閃擊發(fā)展模型，在該模型中，通過一連串帶電段(6、7、8、9、10、11、12、13、14、15)對各個先導閃擊進行建模。該方法的特征在于該方法包括至少一個對向下先導閃擊(4)和向上先導閃擊(3)之間的匯合進行驗證的步驟，在該步驟中，沿著連結向下先導閃擊(4)和向上先導閃擊(3)的假想線計算電場，并且驗證該電場大于向上先導閃擊的傳播所需的最小電場。本發(fā)明還涉及用于評估至少一個雷電捕獲裝置所提供的保護區(qū)域的范圍的方法。
文檔編號H02G13/00GK101111979SQ200580033567
公開日2008年1月23日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權日2004年9月2日
發(fā)明者熱拉爾·莫里斯·貝格爾, 索尼婭·艾特-艾瑪爾 申請人:Abb法國公司