雷电是一种常见的自然灾害,其巨大的破坏力每年造成大量的人身伤亡事故和财产损失。雷电防护是能源、交通、航天航空、建筑等诸多领域关注的热点问题。采用负极性地闪模型模拟雷击过程是指导防雷保护装置设计和改造的重要手段。然而,由于现有的负极性地闪模型仍然存在缺陷,部分按照其计算结果设计的防雷保护装置未起到应有的雷电防护效果,亟待提出一种更为合理的雷击过程仿真模型。针对现有模型存在的问题,本文拟提出一种可以反映下行先导曲折、分叉特性、地表电场时空变化以及迎面先导起始和发展物理过程的负极性地闪模型。并围绕负极性梯级先导形成机制、下行先导通道电荷分布、负极性下行先导随机发展模型、正极性迎面先导特性及仿真模型、负极性地闪发展过程三维仿真模型几个方面开展工作。根据负极性流注的能量平衡方程,结合基于电位畸变的空间电荷计算方法,推导了描述负极性流注-先导转化过程的转化区温度计算公式,提出转化区的背景电场是决定负极性梯级先导形成的关键物理参数；通过开展4～10m间隙尺度的负极性长空气间隙放电,获取了负极性梯级尺度、发展速度等放电参数,并通过与自然雷电相关参数进行对比,论证了负极性长间隙放电与自然雷电的相似性；采用外推的方法,提出了雷电梯级先导形成所需的临界背景电场。基于模拟电荷法,根据回击电流积分电荷总量与回击电流峰值的关系,研究了下行先导通道的电荷总量和电荷分布。提出了下行先导通道电荷总量与回击电流峰值的关系；获得了下行先导通道内的电荷分布规律；研究了分支通道对下行先导通道电荷分布的影响,通过引入电荷系数,提出了考虑分支的下行先导通道电荷分布计算方法。采用背景电场作为选择下行先导发展方向的放电参数,建立了负极性下行先导三维随机发展模型；通过对雷电通道的三维几何特征进行分析,建立了分形维数、分支系数以及电荷系数的关系,并根据自然雷电的分形维数,确定了电荷系数和发展概率指数；采用雷电观测结果在分形维数、电荷总量以及地表电场变化三个方面验证了下行先导发展模型的正确性。通过分析雷电下的地表电场时空分布特性,提出了基于电场时空分布等效的正极性迎面先导特性模拟试验方法；设计并开展了避雷针的迎面先导特性模拟试验,获得了初始电晕电荷、电晕起始电压、先导起始电压等放电特征参数；提出了新的流注茎-先导转化临界电荷判据；论证了空间电荷对二次电晕起始的抑制作用；获得了先导初始发展阶段的单位长度电荷量,及单位长度电荷随先导电流的变化趋势。考虑暗区内初始先导的生长和空间电荷对电场的影响,提出了包括流注茎-先导转化热过程和二次电晕起始过程的正极性迎面先导起始模型；结合先导电流计算方法和根据人工引雷试验、迎面先导模拟试验和理论推导提出的先导速度与先导电流的关系,建立了迎面先导发展模型；采用正极性迎面先导模拟试验结果以及自然雷电的迎面先导观测结果对模型进行了验证。结合下行先导三维随机模型和正极性迎面先导起始和发展模型,建立了负极性地闪发展过程三维仿真模型。采用该模型对避雷针的击距、保护半径、引雷范围等防雷性能进行了研究。探讨了电气几何模型对于某个回击电流峰值采用固定击距进行计算可能存在的问题；提出折线法会过于乐观地估计较高避雷针的保护半径；发现了下行先导在近地区域内的侧向发展是导致较高避雷针地表屏蔽失效的主要原因。