范是琪 李政 陳仁君 馮又華

摘要：為研究武漢二七長(zhǎng)江大橋建設(shè)前后對(duì)雷暴大氣電場(chǎng)的影響，利用IES電磁場(chǎng)仿真軟件，采用BEM（邊界元）方法模擬分析了二七長(zhǎng)江大橋建設(shè)前后周圍空間電場(chǎng)的變化，進(jìn)一步細(xì)化分析了不同負(fù)電荷中心高度對(duì)大橋主塔及地面場(chǎng)強(qiáng)的影V向。設(shè)定了8種不同位置的雷電先導(dǎo)，隨先導(dǎo)的逐級(jí)遞進(jìn)模擬了主塔電場(chǎng)的變化，同時(shí)給出了電場(chǎng)空間分布圖，分析了電場(chǎng)變化的特征，進(jìn)而分析雷擊點(diǎn)的可能性。結(jié)果表明，大橋建立以后，大橋塔頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大;雷云中負(fù)電荷區(qū)的高度逐步降低，地面電場(chǎng)強(qiáng)度逐步增大;雷電先導(dǎo)與大橋主塔的相對(duì)位置決定了最可能的雷擊點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：二七長(zhǎng)江大橋;雷暴電場(chǎng);IES仿真

中圖分類號(hào)：P427.32;P46

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020）12-0045-06

DOl：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.009

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

雷暴云在地面產(chǎn)生的電場(chǎng)受下墊面建（構(gòu)）筑物、樹(shù)木等的影響而產(chǎn)生畸變[1]，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究。周璧華等[2]、周先春等[3]先后通過(guò)有限元仿真、有限差分的方法，提出了不同條件下的電場(chǎng)修正方法。譚涌波等[4]利用有限元法分析了建筑物直徑、彎曲度以及高度對(duì)大氣電場(chǎng)畸變的影響。郭秀峰[5]、耿雪瑩等[6]分別用有限差分方法，得出了大氣電場(chǎng)畸變、建筑物頂部的場(chǎng)強(qiáng)與高度之間存在正相關(guān)性的結(jié)論。柴健等[7]利用IES仿真得出了遮蔽仰角和影響距離均隨建筑物高度的增加而增大的結(jié)論。陳加清等[8]利用Maxwell 3D進(jìn)行了仿真模擬，得出晴天天氣條件下，不同形狀、高度建筑物對(duì)地面大氣電場(chǎng)測(cè)量的影響。曾文君等[9]利用IES仿真軟件對(duì)特高壓變壓器出線電場(chǎng)仿真模擬。在模擬電場(chǎng)畸變的過(guò)程中大都建立了理想化的模型，而根據(jù)實(shí)際的建（構(gòu)）筑物開(kāi)展電場(chǎng)的仿真模擬較為鮮見(jiàn)。因此，本研究將武漢二七大橋作為基本模型，對(duì)其建設(shè)前后周圍的大氣電場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，在仿真過(guò)程中使用了電磁場(chǎng)仿真軟件IES[10]，采用了BEM（邊界元）方法模擬分析了二七長(zhǎng)江大橋建設(shè)前后周圍空間電場(chǎng)的變化，分析了不同負(fù)電荷中心高度對(duì)大橋主塔及地面場(chǎng)強(qiáng)的影響，同時(shí)設(shè)定了不同位置的雷電先導(dǎo)，隨先導(dǎo)的逐級(jí)遞進(jìn)模擬了主塔電場(chǎng)的變化，進(jìn)而分析大橋遭受雷擊點(diǎn)的可能性。

1 模型的建立

IES軟件是加拿大的一款能夠計(jì)算模型周圍電場(chǎng)分布、電壓分布、磁場(chǎng)分布，并能夠得出云圖和曲線的軟件。本研究采用BEM（邊界元）方法進(jìn)行仿真。云的物理材料為水汽，無(wú)先導(dǎo)時(shí)雷云的電勢(shì)設(shè)為-18 MV。橋的物理材料為線性鋼材，大橋局部按照網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分精度選擇自適應(yīng)，滿足計(jì)算精度要求。藍(lán)色部位是水蒸氣和水，模擬積雨云和江水，草綠色是石英石，模擬大地，拉索及塔柱材料設(shè)置為線性鋼材，其余部位默認(rèn)為空氣（圖1）。

為了比較準(zhǔn)確地觀察空間電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，從左往右依次取6條觀測(cè)線（以江北第一根主橋墩為原點(diǎn)建立平面坐標(biāo)，單位為m），如圖2所示，1號(hào)觀測(cè)線為第11根橋墩軸線正上方700 m到地下，即坐標(biāo)分別為（-790，700）、（-790，0）;2號(hào)觀測(cè)線為第18根橋墩軸線正上方700 m到地下，坐標(biāo)分別為（-160，700）、（-160，0）;3號(hào)觀測(cè)線為第19根橋墩（第一根主橋墩）軸線正上方700 m到地下，坐標(biāo)分別為（0，700）、（0，0）;4號(hào)觀測(cè)線為第19根橋墩（第一根主橋墩）和第20根橋墩（第二根主橋墩）中間正上方700 m到地下，坐標(biāo)分別為（308，700）、（308，0）;5號(hào)觀測(cè)線為第20根橋墩（第二根主橋墩）正上方700 m到地下，坐標(biāo)分別為（616，700）、（ 616，0）;6號(hào)觀測(cè)線為第21根橋墩（第三根主橋墩）正上方700m到地下，坐標(biāo)分別為（1232，700）、（1 232，0）。

2 大橋建立前后對(duì)雷電電場(chǎng)分布的影響

圖3、圖4分別為大橋建立前后6條觀測(cè)線上隨高度模擬的電場(chǎng)值。

從表1和觀測(cè)曲線中可以看出，沒(méi)有大橋時(shí)電場(chǎng)觀測(cè)曲線幾乎為水平線，空間電場(chǎng)表現(xiàn)較為均勻，在2.5 kV/m左右，不同位置略有高低。大橋建立以后，空間電場(chǎng)有了很大的畸變，大橋塔頂部位的電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大。無(wú)橋時(shí)，3號(hào)主塔塔頂對(duì)應(yīng)的位置場(chǎng)強(qiáng)為2.525 kV/m，建橋后增大到8.038 kV/m，增至原來(lái)的3倍多。無(wú)橋時(shí)，4號(hào)主塔塔頂對(duì)應(yīng)位置場(chǎng)強(qiáng)為2.510 kV/m，建橋后增大到6.391 kV/m，增至原來(lái)的2倍多。無(wú)橋時(shí)，5號(hào)主塔塔頂對(duì)應(yīng)位置場(chǎng)強(qiáng)為2.482 kV/m，建橋后增大到7.896 kV/m，增至原來(lái)的3倍多。其中4號(hào)主塔位置場(chǎng)強(qiáng)增大幅度較3號(hào)和5號(hào)小是因?yàn)榇髽蚋叨群屠自聘叨认鄬?duì)較小，旁邊2個(gè)主塔及拉索對(duì)中間主塔的電場(chǎng)有屏蔽作用。

靠近橋面尤其是索塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增加，雷云先導(dǎo)向下發(fā)展的過(guò)程中，容易產(chǎn)生從地面向云端的上行先導(dǎo)及促進(jìn)下行先導(dǎo)向大橋塔頂?shù)亩ㄏ虬l(fā)展。

3 不同負(fù)電荷中心高度對(duì)雷電電場(chǎng)的影響

從圖5、表2可以看出，隨著負(fù)電荷中心高度的逐步降低，地面電場(chǎng)強(qiáng)度逐步增大，以3號(hào)主塔為例，負(fù)電荷區(qū)高度取7 km時(shí)，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度為6.771 kV/m：負(fù)電荷區(qū)高度取6 km時(shí)，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度為8.038 kV/m;負(fù)電荷區(qū)高度取5 km時(shí)，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度為9.897 kV/m;負(fù)電荷區(qū)高度取4 km時(shí)，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度為13.960 kV/m。由此可見(jiàn)，雷云中負(fù)電荷區(qū)的高度對(duì)地面電場(chǎng)的影響很大，一般認(rèn)為負(fù)電荷區(qū)高度在5-7 km。在后面的仿真計(jì)算中，負(fù)電荷區(qū)的高度取6 km。

4 不同雷電先導(dǎo)對(duì)地面電場(chǎng)的影響

為比較雷電先導(dǎo)在不同位置時(shí)對(duì)地面電場(chǎng)的影響，取先導(dǎo)末端的橫坐標(biāo)分別為一1 000、-600、0、308、616、924、1 232、1 832、2 232 m，對(duì)先導(dǎo)縱向發(fā)展到距離地面2 000、1 000和500 m時(shí)的情況進(jìn)行分析，這3種情況對(duì)應(yīng)的雷云電勢(shì)分別取-42、-48和-51 MV。

4.1 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為一1 000 m

從圖6、圖7及表3可以看出，雷云下端出現(xiàn)先導(dǎo)時(shí)，3根主塔塔頂部位電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度也逐步增大。3號(hào)塔頂頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度最高，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為24.025 kV/m，先導(dǎo)離地1 000 m時(shí)，塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度為37.573 kV/m，先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為49.856 kV/m。從先導(dǎo)離地500 m時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布（圖7c）中可以看出，由于先導(dǎo)距離橋塔較遠(yuǎn)，先導(dǎo)主要與橋面形成了強(qiáng)場(chǎng)區(qū)通道，雷電先導(dǎo)發(fā)生在距離3號(hào)橋塔中心線左邊1 km以外時(shí)，橋塔頂部遭遇雷擊的概率不高。

4.2 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為-600 m

從表4可以看出，3根主塔塔頂部位的電場(chǎng)強(qiáng)度較強(qiáng)，隨著先導(dǎo)逐步向下發(fā)展，各塔頂部位的電場(chǎng)逐步增強(qiáng)。3號(hào)主塔距離先導(dǎo)最近，其頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度最高，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度為24.207 kV/m;先導(dǎo)離地1 000 m時(shí)，塔頂?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度為40.813 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度為62.045 kV/m。先導(dǎo)向下發(fā)展的過(guò)程中與3號(hào)主塔塔頂以及附近的橋面之間形成了強(qiáng)場(chǎng)區(qū)通道，3號(hào)主塔塔頂遭遇雷擊的可能性增大。

4.3 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為Om

從表5可以看出，雷電先導(dǎo)位于3號(hào)主塔正上方時(shí)，3號(hào)主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)很高，隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂場(chǎng)強(qiáng)不斷增大。以3號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為24.238 kV/m;先導(dǎo)離地1 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為43.782 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)達(dá)96.979 kV/m。從電場(chǎng)分布可以看出，先導(dǎo)向下發(fā)展到離地500 m時(shí)與3根主塔塔頂形成了十分明顯的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。3號(hào)主塔塔頂遭受雷擊的可能性較大。不僅如此，其他2根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)也很高，遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)也很高，有可能會(huì)形成多個(gè)接閃點(diǎn)的情況。

4.4 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為308 m

從電場(chǎng)分布和表6可以看出，隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)碾妶?chǎng)強(qiáng)度逐步增大。以3號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為24.111 kV/m;先導(dǎo)離地1 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為47.249 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為76.023 kV/m。先導(dǎo)末端與3號(hào)主塔、4號(hào)主塔之間形成了強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。這2根主塔塔頂遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)較大，5號(hào)主塔塔頂電場(chǎng)強(qiáng)度也較強(qiáng)，也有遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為616 m

從表7可以看出，此種情況系先導(dǎo)位于4號(hào)主塔中心線正上方。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)逐步增大。以4號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為19.393 kV/m;先導(dǎo)離地1 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為32.522 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為98.091 kV/m。先導(dǎo)末端與3根主塔頂部之間形成了明顯強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，3根主塔塔頂均有很大遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)，其中4號(hào)主塔遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)最大，也有可能3根主塔遭遇雷擊形成多個(gè)接閃點(diǎn)。

4.6 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為924 m

從表8可以看出，此種情況下先導(dǎo)位于4號(hào)塔與5號(hào)塔中間。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)逐步增大。以5號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為23.632 kV/m;先導(dǎo)離地1000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為41.282 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為71.844 kV/m。先導(dǎo)末端與4號(hào)主塔、5號(hào)主塔頂部之間形成了比較明顯的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，2根主塔遭遇雷電的風(fēng)險(xiǎn)較大。

4.7 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為1 232 m

從表9可以看出，此種情況下先導(dǎo)位于5號(hào)主塔中心線正上方。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)逐步增大。以5號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為23.888 kV/m;先導(dǎo)離地1000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為43.179 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為95.904 kV/m。先導(dǎo)末端與5號(hào)主塔頂部之間形成了十分明顯的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，5號(hào)主塔遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)最高，其次是4號(hào)主塔和3號(hào)主塔。

4.8 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為1832 m

從表10可以看出，此種情況下先導(dǎo)位于5號(hào)主塔中心線右邊600 m。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)逐步增大。以5號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為24.120 kV/m，先導(dǎo)離地1000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為41.557 kV/m，先導(dǎo)離地500m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為65.307 kV/m。先導(dǎo)末端與5號(hào)主塔頂部及地面之間形成了明顯的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，5號(hào)主塔頂部具有一定的遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

4.9 先導(dǎo)末端橫坐標(biāo)為2 232 m

從表11可以看出，此種情況下先導(dǎo)位于5號(hào)主塔中心線右邊1000 m。隨著先導(dǎo)向下發(fā)展，3根主塔塔頂?shù)膱?chǎng)強(qiáng)逐步增大。以5號(hào)主塔為例，先導(dǎo)離地2 000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為24.069 kV/m;先導(dǎo)離地1000 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為38.667 kV/m;先導(dǎo)離地500 m時(shí)，塔頂場(chǎng)強(qiáng)為52.705 kV/m。此時(shí)先導(dǎo)末端主要是與地面之間形成了明顯的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，大橋塔頂遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)不大。

綜上所述，雷云先導(dǎo)發(fā)生在3號(hào)主塔左邊1 km時(shí)，主要是與橋面形成強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，對(duì)大橋主塔影響不大。先導(dǎo)發(fā)生在3號(hào)主塔左邊600 m時(shí)，3號(hào)主塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度最高，遭遇雷擊的可能性較大。先導(dǎo)發(fā)生在3號(hào)主塔正上方時(shí)，3號(hào)主塔塔頂部位電場(chǎng)強(qiáng)度最高，最容易遭遇雷擊。先導(dǎo)發(fā)生在3號(hào)主塔與4號(hào)主塔之間時(shí)，3號(hào)、4號(hào)主塔頂部電場(chǎng)較大，遭遇雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高。先導(dǎo)發(fā)生在4號(hào)主塔正上方時(shí)，4號(hào)主塔頂部場(chǎng)強(qiáng)最高，最易遭受雷擊，3號(hào)、5號(hào)主塔頂部遭遇雷擊的可能性也較大，可能形成多個(gè)接閃點(diǎn)的情況。先導(dǎo)發(fā)生在4號(hào)與5號(hào)主塔之間時(shí)，4號(hào)、5號(hào)主塔頂部場(chǎng)強(qiáng)較高，易遭遇雷擊。先導(dǎo)發(fā)生在5號(hào)主塔上方時(shí)，5號(hào)主塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度最高，遭遇雷擊的風(fēng)險(xiǎn)最高。先導(dǎo)發(fā)生在5號(hào)主塔右邊600 m時(shí)，5號(hào)主塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度最高，遭遇雷擊風(fēng)險(xiǎn)較高。先導(dǎo)發(fā)生在5號(hào)主塔右邊1km時(shí)，主要與地面形成強(qiáng)場(chǎng)區(qū)通道，對(duì)大橋影響不大。

5 小結(jié)與討論

本研究利用IES仿真軟件，對(duì)比模擬了二七大橋建設(shè)前后的空間電場(chǎng)分布，分析了不同負(fù)電荷中心高度對(duì)大橋主塔及地面場(chǎng)強(qiáng)的影響。設(shè)定了8種不同位置的雷電先導(dǎo)，隨先導(dǎo)逐級(jí)遞進(jìn)模擬了主塔電場(chǎng)的變化，得到以下結(jié)論。

1）沒(méi)有大橋時(shí)電場(chǎng)觀測(cè)曲線幾乎為水平線，空間電場(chǎng)表現(xiàn)得較為均勻;當(dāng)大橋建立以后，空間電場(chǎng)有了很大的畸變，大橋塔頂部的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增大。

2）雷云中負(fù)電荷區(qū)的高度對(duì)地面電場(chǎng)的影響很大。隨著負(fù)電荷中心高度的逐步降低，地面電場(chǎng)強(qiáng)度逐步增大。

3）從雷電先導(dǎo)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程可以看出，雷電先導(dǎo)與大橋主塔的相對(duì)位置決定了最可能的雷擊點(diǎn)。當(dāng)雷電先導(dǎo)距邊緣主塔的水平距離大于1 km時(shí)，雷電先導(dǎo)對(duì)大橋影響不大，當(dāng)此距離縮減到600m時(shí)，則邊緣主塔頂部電場(chǎng)強(qiáng)度最高，遭遇雷擊的可能性較大;當(dāng)雷電先導(dǎo)位于邊緣主塔正上方時(shí)，則當(dāng)前主塔最容易遭遇雷擊;當(dāng)雷電先導(dǎo)介于非中心兩個(gè)主塔之間時(shí)，則2個(gè)主塔頂部遭遇雷擊的可能性都較高;當(dāng)雷電先導(dǎo)介于中心主塔時(shí)，則中心主塔最易遭受雷擊，另外2個(gè)鄰近主塔頂部遭遇雷擊的可能性也較大，進(jìn)而形成多個(gè)接閃點(diǎn)的情形。

若在條件允許的前提下，安裝垂直梯度電場(chǎng)儀，后續(xù)可開(kāi)展觀測(cè)與模擬的對(duì)比分析試驗(yàn)。

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基金項(xiàng)目：湖北省氣象局科技發(fā)展基金項(xiàng)目（2019Q2）

作者簡(jiǎn)介：范曼琪（1986-），女，湖北武漢人，高級(jí)T程師，碩士，主要從事雷電防護(hù)技術(shù)研究，（電話）027-67848136（電子信箱）382306369@qq.com;通信作者，李政（1984-），男，江蘇沭陽(yáng)人，高級(jí)T程師，碩士，主要從事雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究，（電話）027-67848265（電子信箱）45078168@qq.com。